蔣軍軍

浙江數(shù)智交院科技股份有限公司 浙江 杭州 310013

在地鐵施工過(guò)程中，為滿足鋪軌需要，通常會(huì)安排在某些車(chē)站或區(qū)間預(yù)留軌排井。寧波地鐵3號(hào)線擬在外漕村站～客運(yùn)北站區(qū)間北明挖段設(shè)置軌排井。北明挖段為正線、配線、聯(lián)絡(luò)線交會(huì)區(qū)，結(jié)構(gòu)梁柱體系布置不規(guī)則，設(shè)置軌排井對(duì)結(jié)構(gòu)體系影響很大。本文對(duì)三種不同的軌排井方案從鋪軌便捷性、結(jié)構(gòu)施工難易程度等方面進(jìn)行對(duì)比，再通過(guò)三維有限元計(jì)算分析研究結(jié)構(gòu)在鋪軌階段的受力和變形情況，提出了設(shè)置軌排井的最佳設(shè)計(jì)方案，既能滿足鋪軌線路的功能要求，又能保證施工階段結(jié)構(gòu)的自身安全[1]。

1 車(chē)站設(shè)計(jì)概況

寧波地鐵3號(hào)線外漕村站～客運(yùn)北站區(qū)間北明挖段位于現(xiàn)狀農(nóng)田里，周?chē)鸁o(wú)管線和建構(gòu)筑物。北明挖段為遠(yuǎn)期3號(hào)線外漕村站的一部分，沿3號(hào)線車(chē)站縱向長(zhǎng)度為207.6m，正線、聯(lián)絡(luò)線和雙存車(chē)線在這里交會(huì)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)梁柱體系布置不規(guī)則。本明挖區(qū)間為地下兩層雙柱三跨至四柱五跨鋼筋混凝土框架，結(jié)構(gòu)寬度為22.7～52.9m，底板埋深約為15.3～20m，覆土為2.15～3.19m，頂板厚、中板和底板厚度分別為900mm、 400 mm和1000 mm，外側(cè)墻厚700mm。

2 三種軌排井結(jié)構(gòu)方案對(duì)比分析

2.1 軌排井結(jié)構(gòu)方案介紹

軌排井方案1在頂板和中板均預(yù)留 30m×3m 的孔洞，但不在正線上方。采用對(duì)稱道岔，臨時(shí)鋪軌施工便線通過(guò)撥線分別與左右線相接。此方案對(duì)于鋪軌施工而言，施工便線長(zhǎng)度短，左右線均通過(guò)道岔一次扳動(dòng)即可過(guò)渡，鋪軌效率均衡；同時(shí)，施工便線不占用永久線路，對(duì)鋪軌影響小，鋪軌完成后拆除施工便線即可。對(duì)結(jié)構(gòu)體系而言，不需改變軌排井附近的梁柱布置，但施工便線上的梁柱體系在鋪軌施工工況與正常使用工況需進(jìn)行一次梁柱體系轉(zhuǎn)換。為了避讓施工便線，在鋪軌施工期間需要布置8根臨時(shí)鋼筋混凝土立柱。鋪軌完成后澆筑永久立柱，再鑿除臨時(shí)立柱。且臨時(shí)梁與永久梁相交處鋼筋較難綁扎，增加了結(jié)構(gòu)施工難度[2]。

軌排井方案2在右線正線上方預(yù)留 30m×3m 的孔洞（圖1）。后端設(shè)單渡線與左線相接，左線鋪軌需通過(guò)兩次扳動(dòng)道岔，右線鋪軌無(wú)需經(jīng)過(guò)單渡線，左線鋪軌效率低于右線。施工便線位于正線上，在便線拆除前，該段線路無(wú)法鋪軌，需拆除后散鋪，施工工期較方案1長(zhǎng)。對(duì)結(jié)構(gòu)體系而言，軌排井設(shè)置在左線上方，孔洞周?chē)牧褐枰匦虏贾?。同時(shí)，施工便線上的梁柱體系在鋪軌施工工況與正常使用工況也需進(jìn)行一次梁柱體系轉(zhuǎn)換。需要布置4根臨時(shí)鋼筋混凝土立柱。鋪軌完成后澆筑永久立柱，再鑿除臨時(shí)立柱。且臨時(shí)梁與永久梁相交處鋼筋較難綁扎，增加了結(jié)構(gòu)施工難度。此外，洞口左側(cè)與框架柱和框架梁的距離為8.4m，導(dǎo)致頂板和中板懸挑長(zhǎng)度過(guò)大，因此需要在洞邊增3根柱子并布置孔邊梁。鋪軌完成后再鑿除臨時(shí)柱，給施工增加了不便。

圖1 方案2結(jié)構(gòu)布置圖

軌排井方案3中的鋪軌施工便線與方案2相同，但將開(kāi)洞寬度由原來(lái)的3m增加到9.7m，洞邊緊靠結(jié)構(gòu)縱梁（圖2），解決了方案2中頂板、中板懸挑過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，且施工過(guò)程中做好底板泄水孔可滿足結(jié)構(gòu)抗浮要求。此外，調(diào)整永久結(jié)構(gòu)梁柱布置，使其既能滿足鋪軌施工限界要求，又能滿足正線行車(chē)限界要求。這樣方案3只需要設(shè)置1根臨時(shí)立柱即可，非常便于結(jié)構(gòu)施工。

圖2 方案3結(jié)構(gòu)布置圖

2.2 三種結(jié)構(gòu)方案對(duì)比

從結(jié)構(gòu)施工難易程度來(lái)看，方案3最優(yōu)。從鋪軌便捷性來(lái)看，方案1最優(yōu)。結(jié)合全線鋪軌工籌分析，本線路全長(zhǎng)9.05km，線路較短，共設(shè)置2個(gè)軌排井，能夠接受方案2和3的鋪軌效率。因此，綜合考慮鋪軌便捷性、結(jié)構(gòu)施工難易程度，決定選擇方案2或方案3。

方案3，施工最便利，一次澆筑，框架梁柱的剛度有保障，安全性好。只是由于開(kāi)洞比較大，框架梁也由原來(lái)的平直布置改為彎曲布置，因此方案3和方案2相比較，構(gòu)件內(nèi)力和配筋是否相差很多，原有的構(gòu)件截面能否滿足要求，需要通過(guò)有限元軟件計(jì)算進(jìn)一步驗(yàn)證。因此對(duì)方案2和方案3用有限元軟件分別進(jìn)行三維建模計(jì)算[3]。

3 軌排井整體計(jì)算及結(jié)果

方案3和方案2相比較，構(gòu)件內(nèi)力和配筋是否相差很多，原有的構(gòu)件截面能否滿足要求，需要通過(guò)有限元軟件計(jì)算進(jìn)一步驗(yàn)證。因此對(duì)方案2和方案3用有限元軟件分別進(jìn)行三維建模計(jì)算。

3.1 整體建模

軌排井結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要有鉆孔灌注樁，側(cè)墻、以及梁板柱。本文中軌排井為復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，因此采用midas civil（2020（v1.1））結(jié)構(gòu)有限元分析軟件進(jìn)行內(nèi)力分析，并采用MorGain 結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行構(gòu)件的配筋計(jì)算。三維計(jì)算模型選取軌排井洞口左側(cè)3跨和右側(cè)6跨進(jìn)行有限元分析計(jì)算。有限元分析中，地基采用文克爾地基模型，土體對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性反力用彈簧代替，彈簧剛度依據(jù)詳勘資料中的垂直基床系數(shù)和水平基床系數(shù)選取; 未考慮圍護(hù)樁的作用。

圖3 方案2三維有限元計(jì)算模型

圖4 方案3三維有限元計(jì)算模型

3.2 荷載取值

對(duì)結(jié)構(gòu)有影響的荷載主要有:水土壓力、地面超載20kPa、中板的施工荷載，頂板洞口的孔邊荷載。

3.3 整體計(jì)算結(jié)果對(duì)比

(1) 車(chē)站頂板最大位移 (圖5～圖6) 。

圖5 方案2頂板位移（單位mm）

圖6 方案3頂板位移（單位mm）

表1 整體計(jì)算結(jié)果對(duì)比

結(jié)論：兩種方案對(duì)比，方案3比方案2的各構(gòu)件位移都有增大，底板豎向位移增大較多，這是由于車(chē)站主體結(jié)構(gòu)頂板、中板軌排井開(kāi)洞尺寸較大( 30 m × 9.7 m) ，板的平面內(nèi)剛度大幅度減弱，頂板開(kāi)洞增大使頂板的水土壓力減小，所以開(kāi)洞處對(duì)應(yīng)的底板位置豎向位移較大。

方案3和方案2對(duì)比，頂中板的最大彎矩相差不大，側(cè)墻和底板的最大彎矩相差較大，由于頂板和中板開(kāi)洞尺寸較大，板的平面內(nèi)剛度被大幅度減弱，導(dǎo)致側(cè)墻和底板相交處彎矩增大很多，底板的跨中彎矩也增大很多，因此側(cè)墻底部和洞口位置底板的支座和跨中需要加大配筋。經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算，方案3和方案2相比，不需增大構(gòu)件截面，只需增加部分構(gòu)件配筋[4]。

3.4 構(gòu)件計(jì)算結(jié)果對(duì)比

軌排井結(jié)構(gòu)受力體系中，框架梁為主要的受力構(gòu)件，頂板梁是最主要受力構(gòu)件。因此把頂板、中板以及底板的框架梁分為三個(gè)部分，第一部分是洞口周?chē)岸纯谧笥腋?跨框架梁，代表洞口增大后對(duì)周?chē)鷺?gòu)件內(nèi)力的影響；第二部分是洞口右側(cè)5跨框架梁，代表框架梁由平直布置改為曲線布置框架梁內(nèi)力的改變；第三部分是洞口左側(cè)2跨框架梁，代表第一二部分的變化對(duì)左邊框架梁內(nèi)力的影響。三個(gè)部分內(nèi)力對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 頂?shù)装蹇蚣芰簝?nèi)力結(jié)果對(duì)比

通過(guò)上述表中結(jié)果可見(jiàn)頂板以及底板的框架梁大部分內(nèi)力增長(zhǎng)小于10%，不需要增大構(gòu)件截面，只需適當(dāng)增大配筋即可；方案3中，頂板框架梁中由于洞口邊梁的集中荷載，洞口右側(cè)邊梁彎矩較大，需加強(qiáng)配筋。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 隨著我國(guó)地鐵建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，車(chē)站土建結(jié)構(gòu)為設(shè)備、鋪軌等工序留設(shè)大的洞口待后期封堵的情況也會(huì)越來(lái)越多出現(xiàn)，但目前進(jìn)行系統(tǒng)分析研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系大開(kāi)洞時(shí)的受力變形還比較少，因此進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系軌排井設(shè)計(jì)分析對(duì)今后類似工程有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

(2) 本文通過(guò)3種結(jié)構(gòu)方案對(duì)比分析和空間整體模型的有限元計(jì)算，確定了在復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系中，軌排井設(shè)計(jì)的最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，既滿足了鋪軌路線的要求，同時(shí)也保證了所有構(gòu)件在施工階段和使用階段的安全性能。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系軌排井通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)自身構(gòu)件的加強(qiáng)避免了與外部環(huán)境的沖突，施工上簡(jiǎn)單便捷且易于保證質(zhì)量，對(duì)縮短地鐵建設(shè)周期有很大作用。