轨道交通地下车站直径盾构端头井结构设计关键技术研究

何瑞

摘要：轨道交通地下车站盾构井结构设计因其存在受力复杂、跨度大、净空高、计算难等特点，给结构设计带来一定困难。本文针对盾构井结构设计，通过二维和三维对比计算，从结构设计角度提出地下车站盾构井结构设计过程中需注意的问题和建议。

关键词：城市轨道交通；地下车站；结构设计；大直径盾构

前言

城市轨道交通作为一种高效、快速、环境友好的交通方式和理念，正日益成为密切区域内部联系、提高区域可达性和合理配置区域内各资源的关键因素。城市轨道交通大多位于市区，区间盾构井设置在车站端头，使车站盾构端头具有其特殊性，不仅跨度大、净空高，且受力复杂，常存在截面过大，配筋过多的情况。因此如何对盾构端头井结构进行优化设计成为一个新热点问题。本文对地下二层站盾构井利用miadas空间模型进行结构计算分析，据计算结果提出自己的一些看法。

1工程概况

拟建车站主体为地下两层三跨钢筋混凝土箱形结构。车站东端设盾构吊装井，车站采用明挖法施工。所处地层由上至下主要为填土层、黏土层和岩层，基底主要位于岩层。地下水较发育，主要为孔隙潜水和基岩裂隙水。结构尺寸及材料有：顶板厚度800mm，中板厚度400mm，底板厚度1200mm，侧墙厚度1000mm；

框架柱尺寸选用（单位：mm）：侧墙扶壁为1200*1200；24、25轴为1000*1200；标准段为800*1200。

边框梁尺寸选用（单位：mm）：1400*2400。

混凝土：顶板、底板、侧墙和梁为C35混凝土；框架柱为C50混凝土。

2三维计算原理及方法

采用MIDAS/Gen软件对本车站盾构端建立局部三维模型。采用梁单元模拟梁、柱、桩；板单元模拟侧墙和楼板，边界采用受压弹簧单元模拟，与主体相接部分采用法向约束。梁、板单元截面特性及材料按结构实际取值，节点位置取结构中心点。在进行有限元分析时梁、板单元间通过相同节点相连，达到共同变形受力效果。作用在结构上外荷载和内力都通过节点进行传递，所以在计算中就要将作用在单元间的荷载，无论是分布荷载或是集中荷载都应按静力等效原则（即节点荷载所做虚功应等于单元上荷载所做虚功）置换成作用在单元节点上荷载（等效节点荷载）。土体与板间采用受压弹簧模拟。本文分别按施工阶段（吊装、出土阶段）、使用阶段（正常运营阶段）共两种工况进行计算分析。

3二维计算原理及方法

采用sap84进行计算，将盾构井洞口纵梁弯曲刚度转化为该点处等效弹性支点刚度，建立简化平面应变模型，进行结构受力分析和结构设计。由于边框梁等效出来的支点刚度与其跨度方向位置有关，计算模型取盾构井边框梁支座、跨中、l/4和3/4处四个断面进行计算，据各断面计算得到的板轴力来计算边框梁弯矩和剪力，其中边框梁荷载采用折线荷载简化模拟。计算模型中对盾构开孔未封闭工况下，取轴对称模型。在对称轴处节点施加滚动支座，不限制其竖向位移。假设边框梁两端为完全固支，在均布荷载作用下，受力模型如下图所示：

边框梁梁假设模型

则纵梁x点处弹性支点刚度K值为：

4结果分析

4.1整体模型位移结果

从图中结果得：施工阶段该范围内端头井Y向最大位移14mm；使用阶段最大位移7mm。位移满足相关规范要求。使用阶段端头井端墙和侧墙位移偏小，是因封闭了顶板和中板盾构吊装孔使结构整体性增强缘故。

图1施工阶段准永久组合Y向位移 图2使用阶段准永久组合Y向位移

4.2二维模型内力计算结果

盾构井封闭时二维计算结果如下所示：

图3断面计算基本组合弯矩图 图4断面计算标准组合弯矩图

边框梁二维计算结果如下所示：

5二维、三维计算结果对比分析及结论

（1）对比二维和三维边框梁弯矩计算结果可以，对顶板边框梁，二维与三维计算结果都较小，内力和配筋结果相差不大。

（2）三维计算时侧墙取中心线位置，而边框梁宽度2.4m，侧墙宽度1m，三维计算时程序会自动增加边框梁跨度，增加跨度为2.3m-0.5m=1.9m。为得到边框梁支座处弯矩真实值，对支座进行消峰时需考虑支座有效宽度。另外可通过施加梁端刚域来模拟支座影响，同样也能得到梁端支座处弯矩真实值。

（3）三维计算结果支座弯矩消峰后跨中弯矩要比支座弯矩大，计算配筋时梁跨中受弯配筋可考虑按T形截面配筋，可有效减小钢筋面积。建议边框梁设计时，合理考虑各方面的影响，对梁跨中和支座配筋进行调整。

（4）由于二维计算中，侧墙、底板按单向板处理，而构件实际受力为双向支撑双向板，计算得到内力值比三维计算偏大。且二维计算无法得到侧墙、底板另一个方向弯矩，设计时也易忽略该方向弯矩而简单设置分布钢筋，造成结构不安全。建议对端头井边框梁、侧墙、底板内力计算时采用三维模型分析并按结果进行设计，以反应构件真实受力情况。

参考文献

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