地下车站轨排孔的结构设计与分析

魏伟

（中铁上海设计院集团工程咨询有限公司，上海 200070）

0 引言

随着城市的快速发展，国内城市轨道交通进入大规模建设阶段，轨道交通建设线路也越来越长，为统筹考虑全线工期和铺轨需求，设置轨排孔的地下车站也不断增多，轨排孔的结构计算已成为地下车站结构设计的关键点。

针对轨排孔的车站结构受力与计算，国内已出现了一些工程实践与研究。胡云峰［1］结合实际工程论述了地铁车站在围护结构已实施的情况下，增设轨排孔方案的可行性和方案比选。冯云［2］结合上海某叠合墙地铁车站工程，在基坑已开挖到底的情况下，增设轨排孔时面临的制约因素和难点，给出了解决问题的方法和措施。黄小平［3］在调研软土地区轨道交通运营线路轨排孔现状的基础上，对设置轨排孔的车站位置、车站型式、车站主体结构型式、轨排孔大小和数量、轨排孔结构处理等进行了分析和总结。孙璕、何肖健［4］对双柱车站轨排孔的设置位置及结构分析进行了研究。朱桔妹［5］在超长地铁车站的设计中也对轨排孔的结构措施进行了一定的研究。熊永华等［6］对轨排井的围护结构进行了研究。

文中依托上海市轨道交通15号线某地下车站工程，结合该项目实际地质情况及车站轨排孔的排布方案，对该车站轨排孔结构进行计算和分析，给出了轨排孔结构设计计算关键点及主要的构造措施和处理方法。为类似地下车站轨排孔结构的设计计算及工程设计提供一定的借鉴。

1 工程概况

上海轨道交通15号线某地下车站为小交路折返站，设一条折返线。车站为地下2层一岛（宽10m）一侧（宽6m）车站，车站规模为419.9m×27.96m（内净），车站标准段为双柱三跨段，站中心处开挖深度约16.7m，顶板埋深约3.2m，端头井开挖深度约为19.5m，车站主体围护采用800mm厚地地下连续墙+5道内支撑，地墙采用柔性锁口管接头，地墙与内衬墙采用叠合墙型式设计，明挖顺作法施工。根据工程总体及进度筹划要求，车站设置轨排孔，轨排孔大小为29m（长）×7m（宽），最初设置在车站中心处，后考虑到铺轨影响二次结构施工，将轨排孔调整到渡线段见图1。

图1 车站总平

车站开挖范围内涉及的土层主要有①1-1层人工填土、①2层浜底淤泥、②1层褐黄-灰黄色粉质粘土、③层灰色淤泥质粉质粘土、③j层灰色砂质粉土、④1层灰色淤泥质粘土、⑤1-1层灰色粘土及⑥层暗绿-草黄色粉质粘土。地下潜水位埋深为0.40～1.30m，抗浮水位为地面以下0.5m，场地的承压水主要为赋存于⑦层及⑧2层，工程基坑止水采用隔断承压水的方式。各土层的物理力学参数见表1。

表1 土层力学参数

2 结构设计及分析

2.1 结构设计

轨排孔存在于车站施工期，此时顶板和中板大开孔，结构水平向传力不连续，水平向刚度削弱，侧墙受力较为不利，故在工程设计中将轨排孔边顶板和中板加厚，以作为侧墙约束的加强，孔边板按薄壁梁计算。轨排孔平面及剖面布置如图2和图3所示。

图2 轨排孔平面布置

图3 轨排孔剖面（单位：mm）

轨排断面为双柱三跨，轨排孔布置在中间，顶板厚900mm，中板厚600mm，底板厚1100mm，顶板上、下孔边薄壁梁尺寸分别为900mm×4500mm～8800mm和900mm×8000mm～9000mm，中板上下孔边薄壁梁尺寸分别为600mm×4500mm～8800mm和600mm×8000mm～9000mm。

轨排孔结构受力的最不利工况为施工期，因此重点对施工期轨排孔结构进行分析计算。

2.2 二维框架分析计算

采用通用有限元软件ROBOT对轨排孔处断面建立二维平面框架计算模型，考虑纵梁的约束，对顶、中板开孔处施加水平弹簧约束，弹簧刚度值取纵梁水平向跨中挠度的倒数，对底板及侧墙施加常规弹性土弹簧的约束，弹簧刚度按对应地层参数输入，二维计算模型见图4。

图4 二维有限元模型

为降低工程风险确保施工安全，车站要求轨排孔范围内顶板待轨排孔封孔后再覆土，顶板除自重外无其他附加荷载，底板处泄水孔要求在顶板覆土后封闭，因此整个车站结构施工期的荷载主要有自重、水平向水土压力、超载侧压力以及施工荷载。对于其他工程如果场地受限，顶板在轨排施工前需先行覆土的车站，轨排施工时顶板还需要承受竖向的覆土和地面施工期超载，此时顶板受力也需特别注意。为对比分析轨排孔开孔的影响，对同期施工但未开孔的结构进行计算，计算结果如下：

图5 标准断面施工期弯矩分布图（单位：kN·m）

图6 施工期轨排孔弯矩分布图（单位：kN·m）

图7 施工期轨排孔剪力分布图（单位：kN）

从图5标准断面和图6轨排开孔断面的内力图对比分析可以看出，轨排开孔断面水平刚度削弱较为明显，对侧墙受力有较大影响，从内力图变化趋势可以分析出，顶、中板对侧墙的约束大大削弱，侧墙受力接近于顶部铰接底部固端的受力构件，故侧墙的跨中和底支座弯矩加大；在水平向水土压力的影响下，框架柱也有侧移，故在轨排孔范围内框架柱的设计需加强处理。

对于孔边薄壁梁，可取图8中顶、中板的轴力值作为薄壁梁的延米荷载进行加载计算。但由于二维框架无法考虑平面外的刚度，因此二维计算所得轴力值会偏大，而薄壁梁跨度较大，直接加载计算所得薄壁梁的内力大，不符合实际情况，故孔边薄壁梁的计算未采用此结果进行。

图8 施工期轨排孔轴力分布图（单位：kN）

2.3 三维框架分析计算

鉴于二维平面框架计算中各层板采用梁单元，无法考虑平面刚度，造成内力值过大，各层板的水平向受力、地墙传至孔边薄壁梁的荷载分布以及楼板开孔应力集中的情况均无法考虑，故需采用三维有限元模型进行计算分。三维计算同样采用通用有限元软件ROBOT，结构荷载的取值同二维框架。为考虑结构的三维空间效应，建模时将相邻跨一并建入，具体的三维模型及内力计算值见图9～图11。

图9 三维有限元模型

图10 孔边薄壁梁弯矩分布图（单位：kN·m）

图11 孔边薄壁梁剪力分布图（单位：kN）

由上述三维计算分析结果可以看出在施工期孔边薄壁梁承受由侧墙传递过来的水土压力，其内力值很大，顶板处薄壁梁的弯矩值达到57511kN·m，中板处薄壁梁的弯矩值达到110802kN·m。因薄壁梁高较高，设计中结合中性点（剪力零点）的位置见图12、图13区分受压和受拉区，按深受弯构件的钢筋布置方式将钢筋配置在受拉区的板范围内。

图12 顶板处中性点分布

图13 中板处中性点分布

从图14三维计算侧墙内力云图可以看出，侧墙受力与二维框架分析的受力趋势基本一致，跨中弯矩与底支座弯矩均增大，侧墙受力接近于顶部铰接底部固端的受力构件。

图14 侧墙竖向弯矩分布（单位：kN·m）

2.4 计算分析及设计加强措施

（1） 将顶板和中板的孔边板作为水平向受力的薄壁梁进行计算分析及配筋，同时结合中性点的分布，将主受力钢筋布置在受拉区，这样局部受压区钢筋可适当减小，使得结构的设计做到安全、经济、合理。

（2） 顶板轨排孔开孔边薄壁梁宽同顶板厚，支座钢筋全部锚入相邻跨的顶板内，设计时另在孔边（车站横向）布置横向支撑柱作为薄壁梁的加强支座；对中板轨排孔开孔处，因中板厚度较薄，薄壁梁支座钢筋不能完全锚入相邻中板内，故中板处薄壁梁配筋计算时需对支座钢筋进行调幅，将25%的支座钢筋调整到跨中，以保证结构的安全。

（3） 在轨排孔范围内，薄壁梁不得在轨排期间再开孔，若此范围内运营期需布置较大的楼扶梯孔洞，也应待轨排孔封孔后再施工，以确保薄壁梁的受力安全。

（4） 考虑顶中板中部大开孔，水平刚度削弱较大，在水平向水土压力的作用下框架柱会有侧移，因此轨排孔范围内框架柱进行截面及配筋加强设计。但孔边立柱的内力和配筋增加幅度有限，故对于轨排孔范围封孔后浇的结构采用钢纤维混凝土，以提高其抗裂性能和耐久性。

（5） 轨排施工期结构底板预留泄水孔不能封闭，以确保结构抗浮满足，待轨排孔封孔并顶板覆土之后方可封闭泄水孔。

（6） 车站为全线第一批开工的车站，轨排孔结构施工完毕后要等待较长时间才供铺轨使用，在轨排孔内设置临时钢支撑，增大水平刚度，待轨排孔启用时拆除。

3 结语

车站轨排孔结构按上述计算进行分析并设计，目前已施工完毕并顺利通车，施工过程中监测数据正常，未出现任何问题。车站轨排孔结构的设计计算方法及构造加强措施可为类似工程的轨排孔结构法设计计算提供参考，主要设计及构造措施总结如下：

（1） 可将各层轨排孔边板视作薄壁梁进行分析计算，薄壁梁承受的内力较大，可根据三维计算结果中孔边板的中性点分布，分区合理的进行钢筋布置；计算时根据约束情况考虑内力的调幅。

（2） 侧墙跨中及支座受力较标准段大，设计时应予以重视。

（3） 通过加大框架柱配筋、后浇结构采用钢纤维混凝土、架设临时钢支撑等结构措施保证结构的耐久性。