湯友生， 孫海明， 鮮少華， 應衛(wèi)超， 盧 正

（1.中國聯(lián)合工程有限公司，杭州 310052； 2.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，武漢 430023；3.中國科學院武漢巖土力學研究所，巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071；4.環(huán)境巖土工程湖北省重點實驗室，武漢 430071）

隨著城市人口增長，我國城市交通問題日益突出，主要大中型城市都在進行地鐵建設. 在地鐵等軌道交通工程中，為保證軌道鋪設工作的順利進行，一般會在地下車站、區(qū)間風井、暗埋段等處設置軌排孔以使鋼軌從地面吊入. 由于鋼軌長度一般為25 m，為滿足鋪軌需要，一般需設置凈長約27～30 m，凈寬約3.5～5 m的軌排井開孔［1-2］.

軌排孔的設置將使樓板大開孔，導致其剛度大大削弱［3］. 針對軌排孔設置位置，黃小平［4］對地下車站軌排井設置案例進行了統(tǒng)計，認為軌排孔設置在地下二層車站跨中，可保證建設的可靠性和經(jīng)濟性. 孫璕［5］總結了鋪軌基地軌排井的布置原則，從施工的便捷性和受力上發(fā)現(xiàn)軌排孔設置在中間跨可降低側墻內力，對結構整體受力較為有利. 現(xiàn)有工程案例中，軌排井多設置在地下二層車站跨中位置.

目前已有學者對于地鐵結構開孔計算方法、運算模型、受力及變形特點等做了較為深入的研究，并提出了大尺寸開洞結構的簡化計算模型并應用在地鐵軌排井受力分析中［6-10］. 結合相關工程實例的分析計算，提出結構設計及加強或優(yōu)化方案以控制結構的內力和變形［11-16］. 支護結構與主體結構間計算應用已有很多學者做了深入研究［17-21］. 針對軌排井與圍護相結合設計，賈兆平［22］、熊永華等［23］通過與圍護結構相結合的設計施工方法，給軌排井設計提供了新思路. 對于在建車站軌排井改造，也有較為成功的工程實踐案例［24-26］.

在地鐵建設過程中，面臨復雜的邊界條件，對于長大盾構區(qū)間，由于建設環(huán)境的限制，同時為保證鋪軌效率，會在埋深較大的地下三層區(qū)間風井設置軌排井，但由于區(qū)間風井尺寸較短，無設置渡線條件，故只能將軌排孔設置在邊跨. 大跨度的邊跨開孔將使孔邊環(huán)梁直接受到側向水土壓力作用，特別是對于埋深較大的車站或區(qū)間風井，其受力及變形控制成為設計重點和難點. 目前國內在此方面尚無成熟的建設經(jīng)驗. 本文依據(jù)在建工程項目，對埋深超過24 m的地下三層區(qū)間風井軌排孔結構受力特征進行分析，并提出相關結構措施，為今后類似項目建設提供參考.

1 工程概況

該地鐵項目站間距較大（超過10 km），故對于長大區(qū)間設置了多個區(qū)間風井. 為滿足工期要求，將其中的區(qū)間風井作為盾構始發(fā)及接收井，并設置軌排鋪設基地. 為保證該盾構順利穿過河道及建筑物等，風井埋深不具備上抬條件，風井底板埋深達到24.75 m，風井結構尺寸42 m×30 m×22.33 m，為地下三層雙柱三跨箱型結構. 風井圍護結構采用1000 mm地下連續(xù)墻，風井側墻采用復合墻形式，全包防水.

本工程確定軌排孔長度為28 m，考慮實際施工功效，結合盾構始發(fā)及接收要求，最終確定大開孔尺寸為28 m×7.9 m，由于風井尺寸限制，無法設置渡線轉換，樓板開孔布置在邊跨，結構布置如圖1、2所示. 相關開孔及孔邊梁尺寸布置見表1.

圖1 結構平面布置圖（單位：mm）Fig.1 Plane layout of the structure

圖2 結構剖面布置（單位：mm）Fig.2 Section layout of the structure

表1 構件尺寸表Tab.1 Component size table

2 計算分析及結構措施

2.1 計算模型

采用有限元進行三維整體結構建模，主要結構構件采用梁單元（B3）、板單元（S4R）. 結構計算時材料簡化為線彈性. 三維網(wǎng)格模型如圖3所示. 采用荷載-結構模型進行計算，且考慮軌排井最不利工況，即軌排吊裝期，頂、中、底板開孔尺寸為28 m×7.9 m.外部荷載考慮水土壓力及周邊施工荷載，其中側土壓力及水壓力以梯形線荷載的形式作用于側墻上.

圖3 網(wǎng)格模型Fig.3 The grid model

2.2 內力及變形分析

軌排孔導致的樓板大開孔將大大削弱樓板剛度，特別對于邊跨設置時，對結構受力和變形影響較大. 如圖4、圖5分別為模型計算得到的結構體系變形及側面框架變形. 計算結果可知，變形最大位置出現(xiàn)在側墻中上部，最大側向位移為11.2 mm. 由于壁柱及環(huán)框梁的設置，結構剛度得到加強，變形相對較小，由于下部土壓力以及上部水平環(huán)梁跨度較大，與豎向扶壁柱間的相互約束較低，導致結構變形最大位置出現(xiàn)在側墻中上部.

圖4 整體結構變形云圖Fig.4 Deformation cloud map of the whole structure

圖5 側向框架結構變形云圖Fig.5 Deformation cloud map of the lateral frame structure

根據(jù)受力分析結果繪制側向框架結構彎矩圖（圖6），最大正彎矩主要位于側墻上部負一、二層開孔處的扶壁柱和環(huán)梁上，負彎矩主要位于扶壁柱底部，受力特征基本與結構布置與外荷載分布一致. 環(huán)梁負彎矩僅出現(xiàn)在兩端，扶壁柱最大負彎矩則出現(xiàn)在底板位置，可見中間扶壁柱（BZ1）與環(huán)梁間彼此提供的約束偏小，端部扶壁柱（BZ2）作為支座可對環(huán)梁產生較大約束. 故在設計時，應加強兩端扶壁柱的剛度，同時根據(jù)扶壁柱與環(huán)梁的受力特點加強對應跨中或支座的配筋.

根據(jù)圖6、圖7可知，由于側向及扶壁柱與底板連接處受力較大，故設計時可對此處進行加強，如設置加強梁（DHL），同時加大底板配筋以提高底板剛度，避免大開孔期間結構由于受力過大而產生損傷.

圖6 側向框架結構彎矩云圖Fig.6 Bending moment cloud map of the lateral frame structure

圖7 底板彎矩云圖Fig.7 Bending moment cloud map of the bottom plate

2.3 結構措施

考慮明挖順作法實際施工情況及工序，基坑開挖至基底后，將進入結構回筑階段，隨著圍護體系中支撐的拆除，水土壓力將由基坑開挖階段的圍護結構體系逐步轉移至結構樓板上，而樓板的大開孔將大大削弱樓板換撐剛度，因此在基坑回筑時，樓板換撐剛度的選取需格外注意，避免由于剛度選取不當導致圍護結構變形過大. 此外實際施工中，常常因為趕工使得圍護結構中的支撐很難在結構墻板養(yǎng)護28 d 后強度達到100%時再進行拆除. 這些因素將會給結構安全帶來風險，因此采取一定的臨時措施十分必要.

在區(qū)間風井或車站施工完畢后，一般先進行盾構施工再進行鋪軌作業(yè). 盾構施工階段需考慮盾構機吊裝及盾構時出土，盾構吊裝孔及出土孔要求最大長度均小于12 m，遠小于軌排鋪設需要的28 m. 故可在結構回筑施工時，在軌排井環(huán)框梁上設置臨時支撐以減少開孔跨度，可增加樓板的剛度，減少回筑階段的圍護結構變形及結構損傷風險，如圖8所示. 經(jīng)計算，臨時支撐施工期結構受力變形可起到較大作用，相對于不設置臨時支撐，結構變形大幅降低，環(huán)梁彎矩也降低明顯，如圖9、圖10所示. 由此可見臨時支撐設置的必要性. 盾構施工完畢后，進行鋪設軌道前，再對臨時支撐進行拆除，可保證預留孔洞的使用功能.

圖8 軌排孔臨時支撐布置（單位：mm）Fig.8 Temporary support layout for track panel hole

圖9 側向框架結構彎矩云圖（臨時支撐）Fig.9 Bending moment cloud map of the lateral frame structure with temporary support

圖10 側向結構變形云圖（臨時支撐）Fig.10 Deformation cloud map of the lateral frame structure with temporary support

此外，實際最不利大開孔工況下，結構整體自重減少，需在抗浮設計時對結構大開孔工況進行充分考慮，可增設抗浮樁，進行持續(xù)性坑外降水或增加結構頂板負重等措施，避免結構上浮. 此外，由于過大的水反力作用，也應適當加強底板及縱梁剛度，降低結構損傷開裂風險.

3 結構布置分析計算

結合相關工程特點及設計經(jīng)驗，對軌排孔設計過程中常用措施進行分析. 根據(jù)相關學者研究［2-3，9］，環(huán)框梁+壁柱為現(xiàn)今軌排井設計施工時采取的主要措施. 基于此，對地鐵設計中壁柱+環(huán)梁布置進行參數(shù)化分析. 結合實際工程特點，共設置如表2 計算算例，相關計算結果如圖11所示.

表2 算例表Tab.2 The table of calculation example

圖11算例1、3、5計算結果表明，隨著側向環(huán)梁（腰梁）數(shù)量的增加，側向水土壓力作用下側向變形不斷減少，橫向環(huán)梁整體剛度增大，也使得環(huán)梁所受彎矩逐步增加；算例1、4和算例2、3同樣表明，扶壁柱數(shù)量的增加，可減少側向變形，但同樣增加了結構的整體剛度，扶壁柱彎矩有所增大. 故在環(huán)梁（腰梁）及扶壁柱組成的結構體系共同承擔外側的水土壓力時，隨著環(huán)梁或扶壁柱數(shù)量的增加，可減少結構側向變形，增加了工程的可靠性，但可能導致部分結構彎矩增加，同時也增加了工程造價. 因此應考慮扶壁柱與橫向環(huán)梁（腰梁）間的剛度協(xié)調，過多地設置環(huán)梁或扶壁柱對結構剛度改善不甚顯著，故實際設計時，在保證結構安全的同時，也需適當控制工程造價.

圖11 結構彎矩及側向位移Fig.11 Structural bending moment and lateral displacement

4 結論

1）結合地鐵軌排井相關工程實踐及研究現(xiàn)狀，建議軌排井盡量設置在地下二層車站跨中位置，以盡量保證工程的可靠性和經(jīng)濟性.

2）依據(jù)在建工程，采用荷載-結構模型建立地下三層軌排井結構計算模型，對結構受力及變形進行分析，總結軌排井受力變形特點，計算得到的變形與受力基本與實際受力情況相符.

3）基于計算結果的分析，建議在設計時應充分考慮環(huán)梁和扶壁柱受力特點及正負彎矩分布區(qū)域，對作為環(huán)梁支座的端部壁柱進行加強，對扶壁柱與底板交界處，可考慮設置加強梁.

4）在軌排孔等大開孔結構物設計時，需綜合考慮結構各個施工工序，特別是對于圍護結構體系與主體結構受力轉換過程中，對樓板換撐剛度需進行折減，可結合施工工序設置臨時支撐以增加樓板剛度，并避免因現(xiàn)場趕工帶來的潛在風險. 此外需重視最不利工況下水浮力等因素對結構產生的影響.

5）針對實踐中采用較多的環(huán)梁+扶壁柱措施，對其布置進行參數(shù)分析，運算結果發(fā)現(xiàn)，扶壁柱+環(huán)梁在受力過程中存在剛度協(xié)調，實際設計中應根據(jù)需要，合理布置環(huán)梁及扶壁柱數(shù)量，在保證安全的同時，降低工程造價.