地铁车站双柱大开孔式轨排井设计方案探讨

金思维

（广州地铁设计研究院有限公司，广东广州 510010）

0 引言

在地铁建设中，区间隧道结构土建施工完成后，需进行铺轨施工，定制的钢轨由选定的车站吊入地下进行线路铺轨工作，通常每节钢轨长度约为 25 m[1]。因此，一般需要在车站结构板（车站顶板和中板）上预留吊装孔洞（即轨排井）。轨排井孔洞尺寸根据轨道吊装需求而定，通常孔洞尺寸长约 30 m。在如此大的孔洞范围内，结构设计人员需要采取特殊结构措施来保障车站结构的稳定性[2]。文章以徐州地铁 3 号线科技广场站轨排井结构方案为例，综合国内地铁建设中相关轨排井的设计经验，建议选用双柱大开孔式轨排井设计方案，并对其进行数值模拟分析。

1 车站设计概况

徐州地铁 3 号线科技广场站位于解放南路与金山东路交叉口，车站主体结构总长度 466.7 m，宽 19.7 m，高13.6 m，车站埋深 16.6 m，顶板覆土约 3 m，车站设有双存车线及轨排井，采用明挖法施工。

车站采用钻孔桩+内支撑的围护体系，顶板厚800 mm，中板厚 400 mm，底板厚 900 mm，侧墙厚度700 mm。工程地质参数见表 1。

本站地下水类型分为填土中的上层滞水及基岩裂隙水，铺轨时基坑仍采取降水措施，可暂不考虑地下水对车站结构的影响[3]。

表1 科技广场站工程地质参数

2 轨排井结构方案比选

根据国内地铁建设设计经验，目前对于轨排井的结构处理措施，主要分为 2 大类。第一类是在基坑围护设计时，就对该部位围护结构进行特别加强，通常采取附加预应力锚索，同时增大围护刚度的做法，如北京地铁 9号线白石桥南站[4]、深圳地铁 3 号线水贝站—草埔站区间[5]以及因车站方案变动临时加固的北京地铁 15 号线关庄站[6]等。

第二类是直接对轨排井范围的车站主体结构进行加强，通常采用的方案是车站轨排井范围侧墙外扩，设置刚度较大的臂柱，如郑州地铁 2 号线广播台站[7]、哈尔滨地铁 1 号线终点站[8]，具体如图 1 所示。

图1 外扩臂柱结构方案

上述 2 类方案，第一类是加强支护体系，减小作用在车站上的侧土压力，第二类是直接加强车站结构。对于第一类而言，地铁的性质决定了车站站位通常位于繁华拥堵、建构筑物和管线密集的城区道路附近，控制性因素较多，采用预应力锚索往往容易侵入地下室、管线范围，因此不易实施且工期较长、费用较高。此外，围护结构为临时性结构，而车站主体结构设计使用年限为 100年，因此通过加强围护结构得到的可靠性、经济性要逊于加强车站主体结构。

对于第二类方案，外扩臂柱是在侧墙设置较密集的竖向大截面臂柱，同时在顶板、中板对应的水平位置设置大截面腰梁作为约束支座，从而通过类似密肋梁的方式将本作用于孔洞边水平方向的侧压力转换到纵向臂柱上。该方案的缺点是其较为笨重、施工难度大、成本较高，考虑到轨排井为临时结构，该方案经济性较差。

双柱大开孔式轨排井方案是国内兴起的一种新型设计方案，该方案通过将轨排段设置为双柱结构，从而将轨排井藏于双柱中间，如图 2 所示。采用该方案可避免车站侧墙外扩，具有设计巧妙、经济性较好的优点，如广州地铁 14 号线旺村站采用该种方案土建费用仅增加 97 万元，若采用传统方式则造价预估达 1 000 万元[9]。

图2 双柱大开孔结构方案

3 双柱大开孔式轨排井整体计算分析

为验证双柱大开孔式轨排井方案结构可行性，对该方案进行整体计算分析，重点对结构位移变形及弯矩进行验算。

3.1 计算模型及边界条件

轨排井范围内结构较复杂，且有大开孔，具有明显的空间结构效应。采用 Midas/Gen 数值模拟软件建立整体模型进行受力分析，选取轨排井两侧建立模型。车站计算以温克尔地基模型假定为基础，土体对于结构的弹性地基反力通过施加一定刚度的弹簧来模拟，该参数可参照地勘提供的基床系数确定，整体模型如图 3 所示。

图3 整体计算模型

3.2 计算结果

按照上述计算模型进行整体分析，得到以下结果。

3.2.1 车站结构位移计算结果

图4 为结构模型的整体水平位移变形图。由图 4 可知，侧墙中部对应于轨排井中心位置的结构变形最大，其最大位移值为 5.72 mm，小于 40 mm，满足挠度控制要求（变形挠度 = 计算跨度/300）。该位置也是结构最薄弱位置，在侧压力作用下变形最大，两端变形较小。

图4 整体水平位移变形图

3.2.2 车站结构内力计算结果

图5 顶板弯矩图

图5 为车站纵向（长边方向）顶板弯矩图。由图5 可知，最大值为顶板和侧墙支座相交位置处，负弯矩达到 427 kN · m；而最大正弯矩则出现在孔洞左右两侧板边跨中位置，该范围板带呈现出明显的单向板特征，即内力主要分布在短边方向。

图6 侧墙弯矩图

图6 为侧墙弯矩分布图。由图 6 可知，负弯矩最大值为侧墙和底板支座相交位置，值为 896 kN · m；最大正弯矩出现在负二层跨中位置，值为377 kN · m。

图7 为框架弯矩图。由图 7 可知，弯矩最大值出现在柱和中板相交位置，弯矩值为 610 kN · m，而纵梁弯矩相对较小，水平方向传来的部分侧压力经由中板、纵梁作用于车站柱上，引起柱受弯，弯矩在中板柱脚位置取得最大值。

图7 框架弯矩图

3.3 平面模型计算

使用 SAP2000 有限元软件建立平面单元模型进行验算，内力计算结果见图 8。

图8 内力计算结果

最大弯矩位于侧墙和底板相交处支座位置，值为1 006 kN · m，最大跨中弯矩值为 408 kN · m，对比整体模型，平面计算结果偏大。

根据上述结果，按照弯矩最大值 1 006 kN · m包络计算，侧墙和底板支座结合处附加支座钢筋，截面配筋率为 1.23% 时，即可满足结构规范[10]要求。综上，该轨排井方案结构内力及变形较合理，结构可靠，在主体结构配筋时对受力较大位置进行配筋加强即可满足设计需要。

4 结语

目前在地铁建设中，采用加强围护结构和设置臂柱的轨排井方案较多。根据科技广场站实际设计案例，综合对比并通过计算验证表明，双柱大开孔式轨排井设计方案具有经济性和适用性优势，受力合理，结构可靠，有较好的推广应用价值。

[1]时启明. 地铁明挖车站轨排井段结构分析与设计实践[J]. 建材与装饰，2016 （33）：111-113.

[2]高杰. 地铁明挖车站轨排井段结构分析与设计实践[J]. 铁道标准设计，2012（6）：106-108.

[3]北京城建设计研究总院. GB50157-2013 地铁设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2013．

[4]宋月光. 某地铁车站轨排井设计方案研究[J]. 铁道建筑技术，2011（S2）：26-29.

[5]马长涛，金大春，宋成辉. 深圳地铁3号线轨排井围护结构设计优化[J]. 都市快轨交通，2008，21（1）：61-64.

[6]刘力. 关庄站轨排井围护结构设计[J]. 铁道建筑技术，2012（S2）：69-71.

[7]张昆. 地铁轨排井段结构设计与分析[J]. 都市快轨交通，2012，25（4）：78-81.

[8]胡云峰. 地铁车站增设轨排孔方案比选及实施[J]. 地下工程与隧道，2011（3）：42-45.

[9]耿鸣山. 广州轨道交通知识城线的轨排井结构选型研究[J]. 福建建筑，2016（6）：123-125.

[10]中国建筑科学研究院. GB50010-2010 混凝土结构设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2013．