与快速路合建地铁车站端头井三维计算分析

郎艳琪

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概述

某车站为地下车站，因与快速路共用一个路由，为了解决2个工程分期建设，造成的工期延长、工程先后施工造成的工程浪费、施工风险增加等问题，最终确定车站范围内快速路由地铁代建。受周边环境及场地条件影响，采取了快速路与车站“上下重叠”的方案，快速路底板与车站顶板“共板”，快速路侧墙与车站侧墙“上下对齐”。

车站为地下3层岛式车站，-1层为快速路，-2层、-3层为地铁车站，结构形式为双柱三跨钢筋混凝土框架结构，车站总净长178 m，站台宽度17.2 m，标准段总净宽24.9 m。主体结构顶板覆土约2.50 m，车站主体标准段围护结构采用1 000 mm厚地连墙，标准段挖深约23.723 m～24.018 m，端头井围护结构1 000 mm厚地连墙，东侧端头井挖深25.30 m，西侧端头井挖深25.66 m。车站底板主要落于4粉质黏土层。车站结构均为复合墙结构。车站范围内快速路结构与主体结构同期实施。西端小里程端头井为盾构接收井，东端大里程端头井为盾构始发井。

通过车站端头井横断面图1可知，与快速路“上下重叠”合建车站具有以下特点：

1)为保证快速路与车站侧墙“上下对齐”，利于结构受力，避免隧道侧墙直接落于车站顶板上引起的应力集中，车站相比于一般车站宽度增加。

2)由于快速路底板与车站顶板“共板”，中隔墙直接落于车站顶板，形成局部集中力，车站顶板厚度增加。

2 建模与分析

2.1 模型建立

地铁车站标准段一般为狭长形的箱型结构，通常将其简化为二维平面模型进行计算。但对于车站端头井，其受力具有明显的空间效应，同时在施工阶段，各层板预留盾构吊装孔，平面模型无法进行模拟[1-2]。本文采用SAP2000软件，对车站东端头井进行三维建模计算分析(见图2)。模型结构墙、板采用板壳单元模拟，梁柱采用杆件/索单元模拟。针对端头井在施工阶段和使用阶段的不同荷载组合工况分别进行计算分析[3]。

2.2 计算荷载

车站端头井主要荷载包括：结构自重、顶板覆土、侧向水土压力、地面超载(端头井取30 kPa)以及超载引起的侧向压力、快速路隧道路面荷载、水反力等。按下列荷载组合进行计算：

1)基本组合：1.3×恒载+γL×1.5×1×活载；2)准永久组合：1.0×恒载+准永久值系数×1.0×活载；3)偶然组合：恒载+部分活载+地震荷载恒载+人防荷载；4)抗浮计算：恒载(不包括设备荷载、装修荷载、墙体荷载)。

荷载组合分项系数见表1。

表1 荷载组合分项系数

2.3 计算结果及分析

通过端头井三维计算模型计算，可以得到不同阶段车站端头井内力值，主要计算结果见图3，图4(M11指水平方向弯矩，M22指竖直方向弯矩)。通过对计算结果的分析，可以得到以下几点。

1)由端头井结构计算结果可知，车站顶板、中板受内力值受使用阶段重力工况控制，车站底板内力值受使用阶段水反力工况控制，端墙、侧墙内力值受施工阶段重力工况控制。

2)端头井三维计算模型结果如图5所示，侧墙水平向端部弯矩为2 172 kN·m，跨中弯矩为1 592 kN·m；侧墙竖向端部弯矩为2 119 kN·m，跨中弯矩为1 221 kN·m。端墙水平向端部弯矩为2 253 kN·m，跨中弯矩为602 kN·m；端墙竖向端部弯矩为1 559 kN·m，跨中弯矩为1 443 kN·m。因此，在配筋时端头井侧墙、端墙应按照双向板配置双向受力钢筋，而平面框架计算模型不能反映侧墙、端墙的内力情况[4-5]。

3)由于快速路底板与车站顶板“共板”，中隔墙直接落于车站顶板，形成局部集中力。车站顶板弯矩、剪力较大，经计算分析，板厚为1 200 mm能满足设计要求(见图6)。

综上所述，车站顶、中、底板主要受使用阶段工况控制，端墙、侧墙主要受施工阶段控制，设计时应对不同工况分别进行计算。在端头井配筋时，采用三维计算，与实际结构受力情况更接近，而平面框架计算模型不能完全反映结构内力情况。对于与快速路“上下重叠”合建车站计算时，要考虑结构特点，由于快速路底板与车站顶板“共板”，中隔墙直接落于车站顶板，形成局部集中力，对结构尺寸、内力分布都将产生影响。

3 结语

1)车站结构设计时，应考虑端头井盾构吊装孔未封闭的不利阶段(即施工阶段)，此时，侧墙、端墙的弯矩较使用阶段明显增大。2)车站端头井受力空间效应明显，结构受力情况复杂，采用三维模型进行计算分析，与端头井实际受力情况更为接近，计算结构更加合理、经济。3)快速路与车站“上下重叠”，快速路底板与车站顶板“共板”，快速路侧墙与车站侧墙“上下对齐”，设计时，应充分考虑快速路对车站结构受力的影响。本文通过对与快速路合建地铁车站端头井三维计算分析，为工程实施提供了保障，同时也为今后同类工程提供了借鉴。