广州轨道交通知识城线的轨排井结构选型研究

耿鸣山

(广州地铁设计研究院有限公司　广东广州　510010)



广州轨道交通知识城线的轨排井结构选型研究

耿鸣山

(广州地铁设计研究院有限公司广东广州510010)

在总结以往轨道交通线路轨排井的结构设计方案类型及各自优缺点的基础上，结合工程筹划及车站形式对广州轨道交通知识城线轨排井的设置情况及结构方案进行了优化设计；并根据三维模型计算对目前的方案进行佐证。

轨排井；结构选型 ；三维分析；优化设计

0　引言

地铁施工过程中，在土建施工完成后，钢轨需通过轨排井由地面吊入一定深度的隧道内，钢轨每节长度一般为25m，为满足铺轨施工需要，轨排井段通常在车站、隧道结构上预留钢轨下放洞口，单个洞口尺寸长约28～30m，宽约4～5m。

车站(轨排井)主体结构一般为箱型框架结构，轨排施工期间，楼板的轨排孔洞破坏了受力形式，侧墙通常要设置水平受力构件来抵抗水平荷载，需考虑预留受力构件的空间。本文通过广州知识城线简要探讨轨排井结构的优化设计。

1　结构形式分析

随着地铁工程的增多，轨排井的结构形式也经历了一个演化过程，目前主要有以下4种：(1)围护墙(桩)+锚索；(2)悬臂结构方案；(3)桁架式悬臂结构+刚腰梁方案；(4)刚腰梁方案。下面一一介绍各种方案的受力形式以及优缺点[1]。

1.1围护墙(桩)+锚索方案

由于轨排施工吊装构件的特殊要求，对轨排井段的支护形式有一定限制，不能采用内支撑形式，通常采用锚索，多在地层较好的情况下采用[2]。

此方案存在以下局限性：(1)是否侵入地块：如没有明确禁用锚索，侵入地块时，可采用可回收式锚索；(2)管线、建筑物基础情况：周围地块埋置大量管线、建筑物基础的情况下，锚索支护结构难以施工；(3)地质水文情况：锚索施工技术适应地层范围为粘土等不透水地层或低水头的砂层；在地下水丰富、砂层较厚，特别是存在粉砂层的情况下，施工锚索困难较大，易涌水涌砂，应慎重考虑采用该支护形式。

1.2悬臂结构方案

轨排施工阶段，考虑侧墙与围护结构共同承担侧向荷载。考虑地层情况不一，根据计算，侧墙底部厚度需达到1.5～2.0m，方可满足裂缝控制要求，底板作为侧墙的基础，也需要做到大体同样的厚度。

悬臂结构方案的缺点在于采用这种结构方案，侧墙及底板均较厚，工程量较大。

1.3桁架式悬臂结构+刚腰梁方案

在悬臂结构方案的基础上，将结构进行优化，将墙体优化为桁架式悬臂结构，侧墙采用正常厚度，每隔3～7m做一道肢墙，在中板及顶板位置上设置刚腰梁，由肢墙和刚腰梁共同承担侧向荷载[3]。

此种方案结构尺寸较小，工程量较小，结构布置较悬臂结构方案有所优化。

1.4刚腰梁方案

在桁架式悬臂结构+刚腰梁方案的基础上进一步优化，将顶板及中板处的腰梁尺寸做大到1.0m×4.0～5.0m，刚腰梁近似形成刚性支座，侧墙上的侧向荷载传递到底板、中腰梁及顶腰梁，腰梁上的荷载再向两侧传递到中板及顶板上。

桁架式悬臂结构+刚腰梁方案结构简化，工程量小，各结构构件受力明确。

广州轨道交通知识城线的轨排井结构设计基于其实际情况，在以上4种结构形式的基础上进行优化。

2　知识城线轨排井优化设计

广州知识城线线路长21.9km，初期设置3座轨排井，分别位于新知区间明挖段、知识城站以及镇镇明挖区间。后期施工过程中，因工期原因，在旺村站增设一处轨排井(图1)，此时旺村站围护结构已施工完毕进行基坑开挖施工。新知区间、镇镇区间轨排井设置于出地面U形槽段，结构处理较简单，仅加强侧墙结构。下面以知识城站、旺村站轨排井为例，详述对轨排井结构的优化设计及在知识城线的应用。

知识城站为地下两层11m岛式站台车站，全长480.6m，标准段宽19.7m，站内设存车线(详见图2)；初步设计阶段，考虑全线工筹、场地情况，将轨排井设置于知识城站。考虑地区限制锚索使用及悬臂结构工程量较大，结合本站特点，考虑采用第3、4种方案；如在正线段设置轨排井需结构外扩可采用刚腰梁+肢墙方案；将轨排井设置于存车线上方，可利用轨排孔两侧4.6m宽的板带承受水平荷载，形成上节所述的刚腰梁方案。最终确定采用刚腰梁方案，轨排孔设置于存车线上方，大大节省了投资、工期，并降低了施工难度。

近几年来，各地城市轨道交通项目如雨后春笋般涌现，这对建设、设计、施工等各方在管理、技术上是一个重大考验。快速建设的同时，施工过程中不可避免地会对原有设计方案进行调整，以满足节点工期要求[3]。知识城线因前期交地、管线迁改等原因，全线施工进度滞后，业主组织重排工筹，要求在旺村站增设一处轨排井，此时围护结构已施工完毕，基坑正在开挖。经各方研究讨论，确定在7～11轴增设约4m×30m的轨排孔，设置于双柱区域、渡线上方，仅增设孔边梁、局部增加板厚、局部墙板梁加强配筋。土建费用仅增加97万元，如采用传统方案需延长车站或破围护结构加宽车站，费用预估增加1 000万元。

从知识城线轨排井的设计可以看出，在非标准车站，优化轨排井位置，设置于配线区，两侧形成大块的刚域，抵抗侧向荷载，可按普通板开洞处理[4]。轨排井采用配线区方案的优缺点：可减少车站规模，节省投资；轨排功效会有所降低，通过统筹考虑可以解决。

3　三维计算分析

本节以知识城站轨排井为例，模拟施工阶段轨排井的荷载效应，为结构优化提供依据。轨排开孔大小为28m×5m，对桁架式悬臂结构+刚腰梁形式(简称方案1)与目前采用的刚腰梁形式(简称方案2)进行对比。采用ABAQUS建模，柱采用C50混凝土，梁板采用C35混凝土，本构关系根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010确定，特征值见表1。模型底部施加接地弹簧，模拟底部土体效应，根据地质勘查报告基床建议值确定接地弹簧刚度为30MPa/m，同时在模型底板施加X及Z方向的固定约束，以控制这两个方向的位移。单元类型采用C3D8I(非协调单元)。方案1构件截面尺寸如下：顶腰梁1.0m×3.0m、中腰梁1.2m×3.0m、肢墙1.0m×3.0m；方案2构件截面尺寸如下：顶腰梁0.8m×4.6m、中腰梁1.2m×4.6m。

表1　材料本构关系表

图3、4是方案1在铺轨期间的变形云图与应力云图，图5、6是方案2在铺轨期间的变形云图与应力云图。通过云图可以看出，方案1水平变形在顶腰梁

跨中达到最大约11.5mm，肢墙在地下二层承受部分侧向荷载，在地下一层基本不起作用；中腰梁及顶腰梁起刚性支撑作用，分担较大荷载[1]。方案2加大刚腰梁截面，取消肢墙，让刚腰梁的刚性支撑作用充分发挥，变形云图下移，最大水平变形发生在中腰梁跨中上侧附近，达4.6mm，结构构件受力趋于明确合理。

4　结论

综上所述，笔者认为在地铁新线的建设初期，应结合全线工筹、场地情况，优先考虑在带有配线的车站设置轨排井，将轨排孔设于配线区，形成大块刚域以抵抗侧向荷载，可减小车站规模，节省投资、缩短工期，并降低施工难度。

[1]张昆.地铁轨排井段结构设计与分析[J].都市快轨交通.2012(04):79-82.

[2]刘贵凤,彭小林,陈巨武.地铁隧道轨排井支护施工[J].广东土木与建筑.2007(07):37-39.

[3]刘岩.地铁明挖区间增设轨排井设计方案[J].铁道勘测与设计.2010(4):34-36.

[4]惠丽萍,王良.地铁车站结构设计中存在的问题[J].中国城市轨道交通.2004(06):179-184.

Study on selection of track panel well structure of Guangzhou rail transit line of knowledge city

GENGMingshan

(Guangzhou Metro Design and Research Institute Co. , Ltd., Guangzhou 510010)

This article summarizes the former structural designs and the advantages and disadvantages of each design for track panel well in rail transit system. Combining with the engineering planning and station form of Guangzhou Knowledge City line, this paper presents a optimized structural design of track panel well and provides a numerical study for this design. It is believed that this numerical study can provide a solid scientific basis for the design and construction of this line.

Track panel well; Structure selection; Three-dimensional analysis; Optimization design

耿鸣山(1984．02-)，男，工程师。

E-mail:250568034@qq.com

2016-04-05

U213.2

A

1004-6135(2016)06-0123-03