轨排井与盾构始发井合建的整体结构设计分析

蒋国亮

（广东省建科建筑设计院有限公司 广东广州 510000）

1 引言

随着地铁建设速度的加快，建设的各个环节工期都非常紧张，特别是轨道铺设施工这个环节，该施工环节是在土建施工结束后以及线路通车之间的关键环节。一个地铁工程的轨道铺设施工根据线路长度需要在全线布置3～5个轨排地基，其中在地下线路中间一般设置轨排井用于轨排施工，当车站建设用地较大时，轨排井可以与车站合并设置，而车站端部一般都设置盾构始发井或者盾构接收井，因而会出现轨排井与盾构始发井或盾构接收井合建的情况。针对该问题，本文介绍地下车站轨排井与盾构始发井合建的整体结构设计分析及其如何进行工况转换。

2 工程概况

马鞍山公园站呈一字型设置于迎宾大道下方，马鞍山公园北侧。车站有效站台中心里程为YDK11+305.00，车站起点里程为YDK11+165.530/ZDK11+165.556，车站终点里程兼轨排起点里程为YDK11+393.00，轨排终点里程为YDK11+425.30，车站外包总长为259.70m，标准段宽18.70m，站台中心里程处顶板埋深为2.550m。本站为盾构始发站，站后接轨排兼盾构始发井。

拟建车站中心里程处底板底埋深约为16.2m，地基持力层主要为＜3-3＞砾砂层和微风化灰岩，砾砂层地基承载力为250kPa，可以作为天然地基使用。

3 结构设计

3.1 设计条件

轨排井及盾构始发井位于车站末端，通过分隔墙与车站功能用房区隔离，其功能仅限与轨道铺设及盾构始发，在轨道铺设及盾构始发施工结束后封堵顶板，施作防水层及顶板以上覆土回填。

车站末端在左、右线路分别设置一个5.5m×30m的轨排工作井，同时在左、右线路分别设置一个7.5m×11.5m的盾构始发井，轨排井与盾构始发井在端部对齐，由于孔洞净宽尺寸要求不同，形成了一个变截面的工作井。详见图1。在盾构始发井范围，盾构井外边3.5m有较多基础较差的民房，无多余空间调整结构外轮廓，只能在有限的空间内通过结构合理设计满足功能需求，因而盾构始发井边与结构侧墙外边距离仅1.6m，该宽度的环梁无法满足30m长轨排井的侧向抗水土压力的能力，而加大结构外轮廓尺寸将较大地增加造价，故需要在此范围内完成该结构的设计。

图1 轨排井及盾构始发井平面图

结构计算时，地面活荷载一般按20kN/m2计，盾构始发端端头墙由于盾构拼装引起的临时地面超载按70kN/m2考虑。车站顶板由于设置龙门吊及堆放管片引起的临时地面超载按35kN/m2考虑。

3.2 结构特点

从结构功能上看，轨排井为整体框架结构，应采用midas Civil进行整体模型计算，采用梁、板单元进行建模，侧土压力及水压力以梯形线荷载的形式作用于周边的围护结构上。结构与周围土体之间的相互作用采用接地弹簧模拟。计算时分别用水平弹簧来模拟土体对底板水平位移和垂直位移的约束作用，弹簧只能受压，所有受拉应力作用的弹簧在计算中应予以拆除，直至全部弹簧单元受压，且注意弹簧的计算反力不应大于地基的承载力。

结构的计算模式，应充分考虑结构的实际工作情况，并反映结构与周围地层的相互作用；围护结构与内衬墙靠在一起但不连接，形成复合式地下墙，中间夹防水层，两者之间传递压力，但不能传递剪力、拉力和弯距。

车站抗震按Ⅶ度设防。结构按核6级抗力等级的人防荷载进行强度验算，并做到抗力协调。根据实际计算，地震组合及人防组合不是车站主体结构的控制性组合，故以下只针对车站在施工阶段和使用阶段中的荷载针对基本组合和标准组合按承载力极限状态和正常使用极限状态两种情况进行计算分析。

3.3 结构设计方案

经研究分析，在盾构始发井使用期间轨排井暂不需要使用，轨排井范围暂不需要5.5m×30m的净空要求，因此，可在盾构始发期间在盾构始发井靠车站一端设置一根钢筋混凝土支撑，该支撑在盾构始发施工结束并完成盾构井范围的框梁及框柱封堵施工后拆除，故本结构需要按盾构始发井封堵前后两个工况进行计算分析，结构分析比较如下。

3.3.1 盾构始发井封堵前结构工况分析

在盾构始发井使用期间，在盾构始发期间在盾构始发井靠车站一端设置一根尺寸为1m×0.8m的钢筋混凝土支撑，把30m长轨排井的洞口分割成一个长18.5m和长11.5m的洞口，其中长11.5m的洞口宽7.5m，满足盾构始发的要求。该洞口采用框架钢筋混凝土结构，主要由1.6m宽水平环梁和竖向框柱组成，并沿基坑周边设置0.7m厚的侧墙，侧墙外侧为0.8m厚的地下连续墙，侧土压力及水压力以梯形线荷载的形式作用于地下连续墙上，然后传递给由水平环梁、竖向框柱及侧墙组成框架结构上，地下连续墙与该框架结构共同受力，该结构形式与常规单独设置的盾构始发井类似。由于该工况时水平环梁跨度大大减少，1.6m宽的环梁已满足受力要求，不必因为要设置30m长的轨排井而加大盾构井范围的环梁宽度。

盾构始发井的环梁及框柱需要预留后浇范围的钢筋接驳器，用于在盾构始发施工完毕后，该盾构工作井转换成轨排井而需要加大环梁及框柱尺寸，详见图1。

该工况的盾构始发井结构受力较简单，环梁与框柱的受力较小，与一般仅设置盾构始发井时的相近。

3.3.2 盾构始发井封堵后结构工况分析

在盾构始发施工后，利用在盾构始发井范围的环梁和框柱上预留的钢筋接驳器，把该范围的环梁及框柱截面由1.6m宽加大至3.6m宽，与轨排井其他范围的环梁及框柱宽度一致，待混凝土强度达到设计要求后，凿除轨排井洞口中间的钢筋混凝土支撑，使其形成一个5.5m×30m的标准轨排井，满足轨排施工的要求。该洞口采用框架钢筋混凝土结构，主要由3.6m宽水平环梁和竖向框柱组成，并沿基坑周边设置0.7m厚的侧墙，侧墙外侧为0.8m厚的地下连续墙，该结构形式与常规单独设置的轨排井类似，详见图2。

图2 轨排井整体模型实体

3.4 轨排井及盾构始发井结构计算

轨排井及盾构始发井采用Midas Civil软件，以梁单元模拟环梁及框柱，用水平弹簧来模拟土体对底板水平位移和垂直位移的约束作用，弹簧只能受压，力求真实反映结构实际受力状态。对轨排井及盾构始发井结构进行整体的空间分析，使得模型能反映轨排井及盾构始发井整体的协同作用。

荷载方面，考虑轨排井及盾构始发井应有的各种的恒载、活载、地震荷载和人防荷载，通过荷载组合计算比较，取荷载作用较大的组合进行整体结构分析。

经计算，可直接得出轨排井及盾构始发井的各种应力状况及变形，如图3，从而直接判断轨排井及盾构始发井在各种荷载组合下的工作状态及控制指标，也可得出各结构构件在各种荷载组合下的内力及变形。而水平环梁无疑是承担轨排井及盾构始发井各种荷载的主要受力构件，构件内力详见表1。

图3 轨排井整体模型弯矩

表1 结构内力计算结果统计表（轨排井梁柱）

4 轨排井及盾构始发井结构施工注意事项

（1）用于工况转换的钢筋混凝土支撑必须在盾构始发井范围的环梁及框柱后浇施工后方可凿除，必须向施工管理人员交底清楚。

（2）轨排井顶板封堵的材料为微膨胀C35P8混凝土，注意控制混凝土的入模温度，尽量避免在室外温度较高的时候浇筑混凝土，并需要加强养护，建议采用麻布覆盖或者蓄水的方式进行养护。

（3）尽管采用多种措施，后浇的钢筋混凝土顶板一般仍会出现裂缝，裂缝以横向裂缝为主，该裂缝的出现会导致顶板有渗漏水到轨行区，必须对裂缝进行处理，可采用环氧树脂进行封堵。

5 结论

本工程的轨排井及盾构始发井合建方案具有结构合理、节省空间，节约投资等优点，且对周边环境的影响较小，可为其他同类形工程提供一个经验借鉴。

[1]中华人民共和国行业标准.《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）.

[2]中华人民共和国行业标准.《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）.

[3]中华人民共和国行业标准.《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）.

[4]中华人民共和国行业标准.《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）.