地鐵明挖車站軌排井段結構分析與設計實踐

高 杰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司城建院,西安 710043)

1 概述

在地鐵施工過程中,為加快鋪軌進度,工程籌劃通常會安排在土建結構中預留軌排井,軌排通過軌排井由地面吊入土建結構內。北京地鐵6號線一期工程青年路站在頂板和中板預留軌排洞口長30.4 m,寬8.2 m,由于周邊地下管線眾多,基坑支護方案采用鉆孔灌注樁+鋼管內支撐的支護形式,基于軌排基地吊裝構件的特殊要求,軌排井洞口不能采用鋼支撐進行支護,保證軌排井處30 m長度孔洞周邊構件在土體側壓力和施工階段地面超載引起的水平側壓力作用下的安全,必須要采取新的加固措施。通過有限元模擬分析,研究了結構在鋪軌階段的受力和位移變化情況,提出對重點構件進行加強,保證施工階段在結構上預留較大洞口時結構自身的安全。

2 車站設計概況

青年路站位于朝陽北路與青年路交叉口處,車站沿朝陽北路南側東西向設置,采用地下兩層雙柱三跨的形式,車站主體長約559 m,標準段寬20.9 m,總高14.6 m,結構底板埋深約18 m,頂板覆土厚約3.5 m,車站采用明挖順做法施工。青年路站圍護結構采用直徑800 mm、間距1 500 mm鉆孔灌注樁,設置3道直徑609 mm、壁厚16 mm的鋼支撐[4]；車站頂板厚800 mm,中板厚400 mm,底板厚900 mm,內襯墻厚700 mm,待鋪軌完成后封堵頂板和中板預留洞口。

青年路站工程地質概況詳見表1；地下水的賦存條件主要為基巖裂隙水和第四紀松散巖類孔隙水,第四紀松散巖類孔隙水又分為上層滯水、潛水和承壓水。鋪軌期間由于車站頂板、中板尚未封孔,基坑仍采用降水措施,不考慮地下水對車站結構的影響[3]。

表1 土層參數1

3 軌排井整體計算及結果

3.1 整體建模

軌排井包含結構構件較多,主要有鉆孔灌注樁、側墻、梁、柱、板等,其受力具有典型的空間結構性,采用MIDAS GEN(V7.1.2版本)進行結構分析,整體計算選取軌排井向兩端各一跨進行建模,車站地基采用文克爾地基模型,土體對結構的彈性反力用彈簧代替,彈簧剛度依據詳勘資料中的垂直基床系數和水平基床系數選取；圍護樁按等效剛度簡化為連續墻后,與主體結構之間采用只受壓的gap間隙單元連接；由于車站縱向剛度很大,在整體模型兩端對車站的縱向位移進行了約束[8]；整體計算模型詳見圖1。

圖1 軌排井整體計算模型(圍護樁按等效剛度簡化為連續墻)

3.2 荷載取值

對結構有影響的荷載主要有：側向土壓力、地面超載、超載側壓力和車站頂板、中板的施工堆載[1]。

3.3 整體計算結果

(1)車站頂板、中板、側墻在水平方向位移計算結果(圖2～圖4)。

(2)車站頂板、中板、側墻內力計算結果(圖5～圖7)。

圖2 頂板水平位移

圖3 中板水平位移

圖4 側墻水平位移

圖5 頂板內力圖

圖6 中板內力圖

圖7 側墻內力圖

4 軌排井單元計算及結果

4.1 計算模型

結構計算采用荷載結構模式,利用SAP2000結構有限元程序進行計算,計算模型詳見圖8。

圖8 單元計算模型

圖9 單元計算構件位移

圖10 單元計算構件內力

4.2 單元模型構件變形及內力(圖9～圖10)

5 計算結果分析

5.1 整體計算與單元計算結果對比(表2)

表2 整體計算與單元計算結果對比

5.2 結果分析

(1)本階段由于車站主體結構頂板、中板軌排井開洞尺寸較大(30.4 m×8.2 m),板的平面內剛度被大幅度減弱,開洞部位結構構件的最大水平位移達到6.4 mm,側向土壓力和超載引起的側壓力由側墻、頂板、中板以及洞口周邊梁共同承擔,必須對構件進行內力計算及裂縫寬度驗算。

(2)由于頂板和中板設置有軌排井開洞,且施工階段頂板未覆土回填,沿車站豎向傳遞的荷載較小,本階段構件承受的豎向彎矩和壓力較少,柱和縱梁的內力值不能作為構件設計的最終依據,需要根據鋪軌結束后使用階段荷載值重新計算確定構件配筋。

(3)軌排井整體模型計算結果略小于單元模型計算結果,其中位移計算結果單元計算是整體計算的1.2～1.6倍,內力計算結果單元計算是整體計算的1.1～1.2倍,主要是由于整體建模分析考慮了梁、柱等構件協同受力的結果,根據整體計算結果指導設計可以節約大量投資,對于建設成本較高的地下結構經濟效益非常顯著。

(4)由于柱的抗側移剛度很小,可以對板在平面內位移提供的約束也很小。軌排井結構分析時可單獨將板作為水平梁進行考慮,側向土壓力和超載引起的側壓力等效為線性荷載施加于水平梁上,水平梁的跨度即為軌排井開洞的長度,梁高為側墻到軌排井開洞處的板寬,側墻和縱梁作為水平梁的翼緣進行配筋計算[2]。

(5)目前該車站軌排井已處于鋪軌階段(圖11),按照相同方法設計的天津地鐵某車站軌排井已經完成封堵,通過現場監控量測數據與軌排井整體計算結果進行對比,二者較為吻合。

圖11 車站軌排井現狀

6 結語

(1)隨著我國地鐵建設事業的迅猛發展,車站土建結構為設備、鋪軌等工序留設大的洞口待后期封堵的情況也會越來越多出現,但目前進行系統分析研究結構大開洞時的受力變形還比較少,因此進行軌排井設計分析對今后類似工程有現實指導意義。

(2)地鐵圍護結構設計要綜合考慮周邊的建、構筑物、管線,還要結合地層特點制定最安全方便、經濟合理的支護方案。

(3)要從概念上加強對結構的分析,本文采用空間整體模型和單元模型分別用不同的軟件對車站軌排井處的結構進行了模擬分析與計算,得出了比較近似的結果,互相驗證了結論的正確性。但是2種計算對于開洞后板在水平方向荷載作用下的內力情況反映不明晰,需要根據對構件受力的理解單獨對該位置的板進行簡化模擬和數值分析,保證所有構件在施工階段和使用階段的安全性能。

軌排井處通過對結構自身構件的加強避免了與外部環境的沖突,施工上簡單便捷且易于保證質量,對縮短地鐵建設周期有很大作用。

參考文獻：

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