雙柱地鐵車站軌排孔方案比選及其結構分析

孫 璕 何肖健

(北京城建設計研究總院有限責任公司上海分院，上海200233)

近年來，國內城市軌道交通進入大規模建設階段，設置軌排孔的地下車站也不斷增多，國內已出現了一些的工程實踐與研究。胡云峰［1］論述了地鐵車站在圍護結構已實施的情況下，增設軌排孔的方案比選，簡述了軌排孔的結構受力特點。高杰［2］使用Midas對北京某地鐵車站軌排孔結構進行了三維分析，使用Sap2000進行了橫斷面分析，并對計算結果進行了對比。馮云［3］針對上海某單一墻地鐵車站，通過增量法計算得到了施工階段和使用階段的結構內力包絡，給出了結構設計的措施。張昆［4］分析比選了軌排井段的圍護結構、內部結構方案，根據計算結果提出了優化意見。熊永華等［5］介紹了蘇州某地鐵車站軌排孔段的拱形咬合樁圍護方案。

本文結合蘇州4號線某地鐵車站工程，分析了軌排孔設置對土建專業的要求，對雙柱車站軌排孔設置形式進行了比選，并通過三維建模計算對其結構受力特點進行分析，指出了結構設計的重點，總結了兩種方案優缺點。

2 鋪軌基地的選址與軌排孔的設置要求

在地鐵土建工程規劃設計過程中，為滿足鋪軌施工的要求，需要在車站或區間結構中設置軌排孔，通過軌排孔吊裝軌排放置于線路上方。通常由總體院工籌專業在全線的所有車站中確定數個滿足相關要求的車站設置軌排孔，并在附近設置鋪軌基地。鋪軌基地及軌排孔車站的主要要求如下:

(1)一般一條軌交線路設置兩個鋪軌基地，鋪軌基地在整條線路中的位置盡量滿足總運輸距離最短的原則。

(2)車站附近的鋪軌基地的面積不小于100 m×30 m，凈高不小于15 m，應方便鋼軌運輸車輛進出(鋼軌長25 m)。

(3)軌排孔應優先設置在有配線的車站，可利用配線作為臨時軌排線路。

(4)若鋪軌基地設置在區間段，應優先設置在區間敞開段，方便吊裝。

對于結構專業，軌排孔的影響主要在于大范圍開孔。常規軌排孔尺寸不小于30 m(沿線路方向)×5 m(垂直線路方向)，左、右線各設一個，下料口的中心線應與線路中心線對齊，軌道施工完成后再封堵軌排孔。施工工況中，軌排孔的存在使得結構的局部內力大大增加，需設置臨時構件，增加局部構件配筋，鋪軌完成后需切除多余的構件。施工材料堆放引起的超載，可按照3層軌排豎向堆放考慮，約2 t/m2，滿足地表超載不超過20 kPa的限制。

3 軌排孔設置方案比選

地下車站以雙柱三跨、單柱雙跨形式最為常見，單柱車站軌排孔布置形式單一，本文不再贅述;雙柱車站的兩種常見布置形式則各有特點。故本文以雙柱車站為例，進行軌排孔方案的比選，結果見表1。

表1 軌排孔設置方案比選表Table 1 Comparison of setup plans

方案一(居中設置):軌排從孔洞吊放至底板后，需水平移動至線路上，故需抽掉下二層每排兩根立柱(共四根)，縱梁跨度由一跨變為三跨，為減少頂、中縱梁的內力，需設置臨時斜撐(圖1)，軌排施工完成后，切除斜撐、后澆立柱。此方案中跨頂、中板缺失，單側形成P字形框架，結構橫向剛度受到一定程度的削弱，側墻內力較標準斷面有所增加。

圖1 居中設置方案結構橫、縱斷面Fig．1 Cross and vertical section of the centered layout

從軌排施工的角度看，此方案僅有一個軌排孔，孔寬度較小，且軌排被吊放至底板中跨后，需從臨時軌道運輸至兩側線路上，施工效率低。

方案二(兩側設置):其結構特點在于側墻的上支點、中支點側向剛度很小，類似于懸臂結構(圖2)。軌排孔一般長達30 m，空間效應不明顯，即使設置大尺寸的孔邊梁，側墻內力仍會很大。若車站埋深大，水土壓力大，會出現側墻配筋過密的情況。車站豎向受力體系與常規情況相同。

圖2 兩側設置方案結構橫斷面Fig．2 Cross and vertical section of the sided layout

從軌排施工的角度看，兩個孔洞可同時吊放軌排，且軌排直接吊放至線路上方，施工便利。

總的來看，方案一的結構分析重點在縱斷面，重點是中縱梁、底縱梁以及下二層的立柱(處于壓彎剪復合受力狀態);方案二的結構分析重點在橫斷面，重點是側墻、孔邊梁的內力。方案選擇時，應綜合結構計算、施工要求等因素確定。

無論采用上述何種方案，都應在軌排孔中增加橫向混凝土臨時短撐，與內部結構同期施工，待軌排孔啟用時鑿除，以盡量減短結構大跨度暴露的時間。

4 結構分析計算

本文以筆者參與的某地鐵車站為例，對軌排孔段的內部結構進行受力分析。

4．1 工程概況

蘇州軌道交通4號線某地鐵車站為地下兩層雙柱三跨島式站臺車站。車站結構外包全長202 m，標準段外包寬度為21．2 m，端頭井外包寬度為25．3 m，頂板埋深3．0 m。標準段基坑開挖深度17 m，端頭井開挖深度19 m。車站主體圍護形式采用800 mm厚地連墻加5道內支撐體系，工字鋼接頭，地墻與內襯采用復合墻設計，全包防水，明挖順作法施工。根據總體及工程籌劃專業的要求，車站中段設置臨時軌排孔。

車站開挖范圍內的土層為①2雜填土、①3素填土、③1黏土、③2粉質黏土、③3粉土、④2粉砂夾粉土、⑤1粉質黏土、⑤2粉土夾粉砂。潛水位于地表以下0～2 m處;③3粉土及④2粉砂夾粉土層為微承壓水層被地墻隔斷，對基坑影響不大;第Ⅰ承壓水含水層為⑤2粉土夾粉砂層，基坑開挖需要降低承壓水水頭5．2m左右。降水方案采用坑內降潛水、承壓水措施［6］。表2為土層物理力學參數。

表2 土層物理力學參數Table 2 Mechanical parameters of soil layers

4．2 計算程序及原則

采用SAP2000 V14．0有限元軟件計算，選取包含軌排孔的標準段，對結構進行三維分析［7］，計算模型見圖3，圖4。

圖3 計算模型(中間設置)Fig．3 Calculation model(middle position)

圖4 計算模型(兩側設置)Fig．4 Calculation model(Both-side position )

因軌排孔為臨時孔洞，故考慮頂板已覆土工況下的荷載:頂板承受覆土恒載、超載，中板無超載，底板下用彈簧模擬地基反力，側墻承受側向水土壓力。

4．3 結構計算分析

1)中間設置軌排孔計算結果

中間設置的方案中，梁柱體系的分析重點在縱斷面，由圖5可知，中縱梁、底縱梁的支座內力較大，支座彎矩分別達到了達到了1 050 kN·m，6 598 kN·m(未削峰)，較使用工況增加50%;而兩側設置方案中，中縱梁、底縱梁的跨中彎矩僅為563 kN·m，2 807 kN·m。由圖6可知，由于下二層立柱減少，引起了臨近立柱的軸力增加，軌排孔邊立柱軸力較正常立柱增加25%左右。立柱同時還承受臨時斜撐傳遞的彎矩1 401 kN·m、剪力842 kN。

中間設置的方案中，斜撐承受了下一層柱傳遞下來的軸力，并將其傳遞至下二層柱的中部，下二層立柱處于壓彎剪復合受力狀態，受力狀態較為復雜，構件的截面及配筋驗算亦是結構設計的重點。

圖5 縱框架軸力圖(基本組合，單位:kN)Fig．5 Axial force diagram of the longitudinal framework(Unit:kN)

圖6 縱框架彎矩圖(基本組合，單位:kN·m)Fig．6 Bending moment diagram of the longitudinal frame(Unit:kN·m)

2)兩側設置軌排孔計算結果

從上述計算結果對比可知，兩種設置方案對各層結構樓板內力區別不大，側墻彎矩差別較明顯。

由圖7和圖8可知，兩側設置的方案中，即使設置了較大尺寸的孔邊梁(0．8 m×3．2 m)，開孔對中板剛度的削弱仍非常明顯。兩側設置方案中，側墻的最大正彎矩達到了1 030 kN·m;中間設置方案中，側墻最大正彎矩僅479 kN·m。

圖7 側墻主彎矩云圖Fig．7 Main bending moment distribution of the side wall

圖8 側墻主彎矩云圖Fig．8 Main bending moment cloud of the side wall

兩側設置的方案中，梁柱體系的分析重點在平面，由圖9和圖10可知，頂、中板水平框架梁的內力較大:本算例中，中板孔邊梁彎矩達到21 481 kN·m，剪力達到5 507 kN。

圖9 中板水平框架梁彎矩圖Fig．9 Bending moment diagram of the horizontal forced beam on middle plate

圖10 中板水平框架梁剪力圖Fig．10 Shearing force diagram of the horizontal forced beam on middle plate

5 結論

(1)本文總結了軌排基地選址的基本原則及軌排孔設置對車站結構的一般要求，常規軌排孔尺寸不小于30 m×5 m。

(2)從軌道、結構施工角度分析了雙柱三跨車站兩種布置形式的優缺點:兩側設置方案孔洞總面積大、運輸便捷，對軌排施工最為有利;中間設置方案可降低側墻內力、無須設置大尺寸孔邊梁，對結構整體受力較為有利。兩種方案均需設置臨時構件，后期拆除。方案選擇時，應綜合結構計算、施工要求等確定。

(3)根據有限元空間計算結果對比，可知兩種方案中各層結構樓板內力的區別不大，兩側設置方案的側墻彎矩明顯大于中間設置方案。兩側設置方案的梁柱內力分析重點是孔邊梁，中間設置方案的梁柱內力分析重點是縱梁、下二層立柱。

(4)目前該站的已完成內部結構施工，移交鋪軌施工單位使用。監測資料顯示，內部結構變形處于安全范圍內。本站的軌排孔設計思路和計算方法，可為以后類似車站的結構設計提供可行的參考。

［1］ 胡云峰．地鐵車站增設軌排孔方案比選及實施［J］．地下工程與隧道，2011(3):42-45．Hu Yunfeng．Comparition and implementation of subway track panel scheme［J］．Underground Engineering and Tunnels，2011(3):42-45．(in Chinese)

［2］ 高杰．地鐵明挖車站軌排井段結構分析與設計實踐［J］．鐵道標準設計，2012(6):106-108．Gao Jie．Structure analysis and design practice for the segment with track panel shaft in open-cut metro station［J］．Railway Standard Design，2012(6):106-108．(in Chinese)

［3］ 馮云．上海軌道交通2號線淞虹路站增設軌排孔的結構設計探討［J］．地下工程與隧道，2008(2):16-19．Feng Yun．Structural discussion on track panel shaft of Shanghai rail transit line 2 song-hong road station［J］．Underground Engineering and Tunnels，2008(2):16-19．(in Chinese)

［4］ 張昆．地鐵軌排井段結構設計與分析［J］．都市快軌交通，2012(25):78-81．Zhang Kun．Design and analysis of metro track panel well section structure［J］．Urban Rapid Rail Transit，2012(25):78-81．(in Chinese)

［5］ 熊永華，楊衛星，顏勇．某地鐵車站軌排井圍護結構設計［J］．鐵道標準設計，2009(9):76-79．Xiong Yonghua，Yang Weixing，Yan Yong．Design on enclosure structure for track panel well at metro station［J］．Railway Standard Design，2009(9):76-79．(in Chinese)

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［7］ 李鐵生，周生華，徐正良．地鐵車站蓋挖法豎向支承構件設計方法研究［J］．結構工程師，2007，23(1):78-81．Li Tiesheng，Zhou Shenghua，Xu Zhengliang．Study on design method of vertical components in covered excavation of metro station［J］．Structural Engineers，2007，23(1):78-81．(in Chinese)