地铁明挖车站轨排井段结构分析与设计实践

高 杰

(中铁第一勘察设计院集团有限公司城建院,西安 710043)

1 概述

在地铁施工过程中,为加快铺轨进度,工程筹划通常会安排在土建结构中预留轨排井,轨排通过轨排井由地面吊入土建结构内。北京地铁6号线一期工程青年路站在顶板和中板预留轨排洞口长30.4 m,宽8.2 m,由于周边地下管线众多,基坑支护方案采用钻孔灌注桩+钢管内支撑的支护形式,基于轨排基地吊装构件的特殊要求,轨排井洞口不能采用钢支撑进行支护,保证轨排井处30 m长度孔洞周边构件在土体侧压力和施工阶段地面超载引起的水平侧压力作用下的安全,必须要采取新的加固措施。通过有限元模拟分析,研究了结构在铺轨阶段的受力和位移变化情况,提出对重点构件进行加强,保证施工阶段在结构上预留较大洞口时结构自身的安全。

2 车站设计概况

青年路站位于朝阳北路与青年路交叉口处,车站沿朝阳北路南侧东西向设置,采用地下两层双柱三跨的形式,车站主体长约559 m,标准段宽20.9 m,总高14.6 m,结构底板埋深约18 m,顶板覆土厚约3.5 m,车站采用明挖顺做法施工。青年路站围护结构采用直径800 mm、间距1 500 mm钻孔灌注桩,设置3道直径609 mm、壁厚16 mm的钢支撑[4]；车站顶板厚800 mm,中板厚400 mm,底板厚900 mm,内衬墙厚700 mm,待铺轨完成后封堵顶板和中板预留洞口。

青年路站工程地质概况详见表1；地下水的赋存条件主要为基岩裂隙水和第四纪松散岩类孔隙水,第四纪松散岩类孔隙水又分为上层滞水、潜水和承压水。铺轨期间由于车站顶板、中板尚未封孔,基坑仍采用降水措施,不考虑地下水对车站结构的影响[3]。

表1 土层参数1

3 轨排井整体计算及结果

3.1 整体建模

轨排井包含结构构件较多,主要有钻孔灌注桩、侧墙、梁、柱、板等,其受力具有典型的空间结构性,采用MIDAS GEN(V7.1.2版本)进行结构分析,整体计算选取轨排井向两端各一跨进行建模,车站地基采用文克尔地基模型,土体对结构的弹性反力用弹簧代替,弹簧刚度依据详勘资料中的垂直基床系数和水平基床系数选取；围护桩按等效刚度简化为连续墙后,与主体结构之间采用只受压的gap间隙单元连接；由于车站纵向刚度很大,在整体模型两端对车站的纵向位移进行了约束[8]；整体计算模型详见图1。

图1 轨排井整体计算模型(围护桩按等效刚度简化为连续墙)

3.2 荷载取值

对结构有影响的荷载主要有：侧向土压力、地面超载、超载侧压力和车站顶板、中板的施工堆载[1]。

3.3 整体计算结果

(1)车站顶板、中板、侧墙在水平方向位移计算结果(图2～图4)。

(2)车站顶板、中板、侧墙内力计算结果(图5～图7)。

图2 顶板水平位移

图3 中板水平位移

图4 侧墙水平位移

图5 顶板内力图

图6 中板内力图

图7 侧墙内力图

4 轨排井单元计算及结果

4.1 计算模型

结构计算采用荷载结构模式,利用SAP2000结构有限元程序进行计算,计算模型详见图8。

图8 单元计算模型

图9 单元计算构件位移

图10 单元计算构件内力

4.2 单元模型构件变形及内力(图9～图10)

5 计算结果分析

5.1 整体计算与单元计算结果对比(表2)

表2 整体计算与单元计算结果对比

5.2 结果分析

(1)本阶段由于车站主体结构顶板、中板轨排井开洞尺寸较大(30.4 m×8.2 m),板的平面内刚度被大幅度减弱,开洞部位结构构件的最大水平位移达到6.4 mm,侧向土压力和超载引起的侧压力由侧墙、顶板、中板以及洞口周边梁共同承担,必须对构件进行内力计算及裂缝宽度验算。

(2)由于顶板和中板设置有轨排井开洞,且施工阶段顶板未覆土回填,沿车站竖向传递的荷载较小,本阶段构件承受的竖向弯矩和压力较少,柱和纵梁的内力值不能作为构件设计的最终依据,需要根据铺轨结束后使用阶段荷载值重新计算确定构件配筋。

(3)轨排井整体模型计算结果略小于单元模型计算结果,其中位移计算结果单元计算是整体计算的1.2～1.6倍,内力计算结果单元计算是整体计算的1.1～1.2倍,主要是由于整体建模分析考虑了梁、柱等构件协同受力的结果,根据整体计算结果指导设计可以节约大量投资,对于建设成本较高的地下结构经济效益非常显著。

(4)由于柱的抗侧移刚度很小,可以对板在平面内位移提供的约束也很小。轨排井结构分析时可单独将板作为水平梁进行考虑,侧向土压力和超载引起的侧压力等效为线性荷载施加于水平梁上,水平梁的跨度即为轨排井开洞的长度,梁高为侧墙到轨排井开洞处的板宽,侧墙和纵梁作为水平梁的翼缘进行配筋计算[2]。

(5)目前该车站轨排井已处于铺轨阶段(图11),按照相同方法设计的天津地铁某车站轨排井已经完成封堵,通过现场监控量测数据与轨排井整体计算结果进行对比,二者较为吻合。

图11 车站轨排井现状

6 结语

(1)随着我国地铁建设事业的迅猛发展,车站土建结构为设备、铺轨等工序留设大的洞口待后期封堵的情况也会越来越多出现,但目前进行系统分析研究结构大开洞时的受力变形还比较少,因此进行轨排井设计分析对今后类似工程有现实指导意义。

(2)地铁围护结构设计要综合考虑周边的建、构筑物、管线,还要结合地层特点制定最安全方便、经济合理的支护方案。

(3)要从概念上加强对结构的分析,本文采用空间整体模型和单元模型分别用不同的软件对车站轨排井处的结构进行了模拟分析与计算,得出了比较近似的结果,互相验证了结论的正确性。但是2种计算对于开洞后板在水平方向荷载作用下的内力情况反映不明晰,需要根据对构件受力的理解单独对该位置的板进行简化模拟和数值分析,保证所有构件在施工阶段和使用阶段的安全性能。

轨排井处通过对结构自身构件的加强避免了与外部环境的冲突,施工上简单便捷且易于保证质量,对缩短地铁建设周期有很大作用。

参考文献：

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[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50010—2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.

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