廣州軌道交通知識城線的軌排井結構選型研究

耿鳴山

(廣州地鐵設計研究院有限公司　廣東廣州　510010)

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廣州軌道交通知識城線的軌排井結構選型研究

耿鳴山

(廣州地鐵設計研究院有限公司廣東廣州510010)

在總結以往軌道交通線路軌排井的結構設計方案類型及各自優缺點的基礎上，結合工程籌劃及車站形式對廣州軌道交通知識城線軌排井的設置情況及結構方案進行了優化設計；并根據三維模型計算對目前的方案進行佐證。

軌排井；結構選型 ；三維分析；優化設計

0　引言

地鐵施工過程中，在土建施工完成后，鋼軌需通過軌排井由地面吊入一定深度的隧道內，鋼軌每節長度一般為25m，為滿足鋪軌施工需要，軌排井段通常在車站、隧道結構上預留鋼軌下放洞口，單個洞口尺寸長約28～30m，寬約4～5m。

車站(軌排井)主體結構一般為箱型框架結構，軌排施工期間，樓板的軌排孔洞破壞了受力形式，側墻通常要設置水平受力構件來抵抗水平荷載，需考慮預留受力構件的空間。本文通過廣州知識城線簡要探討軌排井結構的優化設計。

1　結構形式分析

隨著地鐵工程的增多，軌排井的結構形式也經歷了一個演化過程，目前主要有以下4種：(1)圍護墻(樁)+錨索；(2)懸臂結構方案；(3)桁架式懸臂結構+剛腰梁方案；(4)剛腰梁方案。下面一一介紹各種方案的受力形式以及優缺點[1]。

1.1圍護墻(樁)+錨索方案

由于軌排施工吊裝構件的特殊要求，對軌排井段的支護形式有一定限制，不能采用內支撐形式，通常采用錨索，多在地層較好的情況下采用[2]。

此方案存在以下局限性：(1)是否侵入地塊：如沒有明確禁用錨索，侵入地塊時，可采用可回收式錨索；(2)管線、建筑物基礎情況：周圍地塊埋置大量管線、建筑物基礎的情況下，錨索支護結構難以施工；(3)地質水文情況：錨索施工技術適應地層范圍為粘土等不透水地層或低水頭的砂層；在地下水豐富、砂層較厚，特別是存在粉砂層的情況下，施工錨索困難較大，易涌水涌砂，應慎重考慮采用該支護形式。

1.2懸臂結構方案

軌排施工階段，考慮側墻與圍護結構共同承擔側向荷載。考慮地層情況不一，根據計算，側墻底部厚度需達到1.5～2.0m，方可滿足裂縫控制要求，底板作為側墻的基礎，也需要做到大體同樣的厚度。

懸臂結構方案的缺點在于采用這種結構方案，側墻及底板均較厚，工程量較大。

1.3桁架式懸臂結構+剛腰梁方案

在懸臂結構方案的基礎上，將結構進行優化，將墻體優化為桁架式懸臂結構，側墻采用正常厚度，每隔3～7m做一道肢墻，在中板及頂板位置上設置剛腰梁，由肢墻和剛腰梁共同承擔側向荷載[3]。

此種方案結構尺寸較小，工程量較小，結構布置較懸臂結構方案有所優化。

1.4剛腰梁方案

在桁架式懸臂結構+剛腰梁方案的基礎上進一步優化，將頂板及中板處的腰梁尺寸做大到1.0m×4.0～5.0m，剛腰梁近似形成剛性支座，側墻上的側向荷載傳遞到底板、中腰梁及頂腰梁，腰梁上的荷載再向兩側傳遞到中板及頂板上。

桁架式懸臂結構+剛腰梁方案結構簡化，工程量小，各結構構件受力明確。

廣州軌道交通知識城線的軌排井結構設計基于其實際情況，在以上4種結構形式的基礎上進行優化。

2　知識城線軌排井優化設計

廣州知識城線線路長21.9km，初期設置3座軌排井，分別位于新知區間明挖段、知識城站以及鎮鎮明挖區間。后期施工過程中，因工期原因，在旺村站增設一處軌排井(圖1)，此時旺村站圍護結構已施工完畢進行基坑開挖施工。新知區間、鎮鎮區間軌排井設置于出地面U形槽段，結構處理較簡單，僅加強側墻結構。下面以知識城站、旺村站軌排井為例，詳述對軌排井結構的優化設計及在知識城線的應用。

知識城站為地下兩層11m島式站臺車站，全長480.6m，標準段寬19.7m，站內設存車線(詳見圖2)；初步設計階段，考慮全線工籌、場地情況，將軌排井設置于知識城站。考慮地區限制錨索使用及懸臂結構工程量較大，結合本站特點，考慮采用第3、4種方案；如在正線段設置軌排井需結構外擴可采用剛腰梁+肢墻方案；將軌排井設置于存車線上方，可利用軌排孔兩側4.6m寬的板帶承受水平荷載，形成上節所述的剛腰梁方案。最終確定采用剛腰梁方案，軌排孔設置于存車線上方，大大節省了投資、工期，并降低了施工難度。

近幾年來，各地城市軌道交通項目如雨后春筍般涌現，這對建設、設計、施工等各方在管理、技術上是一個重大考驗。快速建設的同時，施工過程中不可避免地會對原有設計方案進行調整，以滿足節點工期要求[3]。知識城線因前期交地、管線遷改等原因，全線施工進度滯后，業主組織重排工籌，要求在旺村站增設一處軌排井，此時圍護結構已施工完畢，基坑正在開挖。經各方研究討論，確定在7～11軸增設約4m×30m的軌排孔，設置于雙柱區域、渡線上方，僅增設孔邊梁、局部增加板厚、局部墻板梁加強配筋。土建費用僅增加97萬元，如采用傳統方案需延長車站或破圍護結構加寬車站，費用預估增加1 000萬元。

從知識城線軌排井的設計可以看出，在非標準車站，優化軌排井位置，設置于配線區，兩側形成大塊的剛域，抵抗側向荷載，可按普通板開洞處理[4]。軌排井采用配線區方案的優缺點：可減少車站規模，節省投資；軌排功效會有所降低，通過統籌考慮可以解決。

3　三維計算分析

本節以知識城站軌排井為例，模擬施工階段軌排井的荷載效應，為結構優化提供依據。軌排開孔大小為28m×5m，對桁架式懸臂結構+剛腰梁形式(簡稱方案1)與目前采用的剛腰梁形式(簡稱方案2)進行對比。采用ABAQUS建模，柱采用C50混凝土，梁板采用C35混凝土，本構關系根據《混凝土結構設計規范》GB50010-2010確定，特征值見表1。模型底部施加接地彈簧，模擬底部土體效應，根據地質勘查報告基床建議值確定接地彈簧剛度為30MPa/m，同時在模型底板施加X及Z方向的固定約束，以控制這兩個方向的位移。單元類型采用C3D8I(非協調單元)。方案1構件截面尺寸如下：頂腰梁1.0m×3.0m、中腰梁1.2m×3.0m、肢墻1.0m×3.0m；方案2構件截面尺寸如下：頂腰梁0.8m×4.6m、中腰梁1.2m×4.6m。

表1　材料本構關系表

圖3、4是方案1在鋪軌期間的變形云圖與應力云圖，圖5、6是方案2在鋪軌期間的變形云圖與應力云圖。通過云圖可以看出，方案1水平變形在頂腰梁

跨中達到最大約11.5mm，肢墻在地下二層承受部分側向荷載，在地下一層基本不起作用；中腰梁及頂腰梁起剛性支撐作用，分擔較大荷載[1]。方案2加大剛腰梁截面，取消肢墻，讓剛腰梁的剛性支撐作用充分發揮，變形云圖下移，最大水平變形發生在中腰梁跨中上側附近，達4.6mm，結構構件受力趨于明確合理。

4　結論

綜上所述，筆者認為在地鐵新線的建設初期，應結合全線工籌、場地情況，優先考慮在帶有配線的車站設置軌排井，將軌排孔設于配線區，形成大塊剛域以抵抗側向荷載，可減小車站規模，節省投資、縮短工期，并降低施工難度。

[1]張昆.地鐵軌排井段結構設計與分析[J].都市快軌交通.2012(04):79-82.

[2]劉貴鳳,彭小林,陳巨武.地鐵隧道軌排井支護施工[J].廣東土木與建筑.2007(07):37-39.

[3]劉巖.地鐵明挖區間增設軌排井設計方案[J].鐵道勘測與設計.2010(4):34-36.

[4]惠麗萍,王良.地鐵車站結構設計中存在的問題[J].中國城市軌道交通.2004(06):179-184.

Study on selection of track panel well structure of Guangzhou rail transit line of knowledge city

GENGMingshan

(Guangzhou Metro Design and Research Institute Co. , Ltd., Guangzhou 510010)

This article summarizes the former structural designs and the advantages and disadvantages of each design for track panel well in rail transit system. Combining with the engineering planning and station form of Guangzhou Knowledge City line, this paper presents a optimized structural design of track panel well and provides a numerical study for this design. It is believed that this numerical study can provide a solid scientific basis for the design and construction of this line.

Track panel well; Structure selection; Three-dimensional analysis; Optimization design

耿鳴山(1984．02-)，男，工程師。

E-mail:250568034@qq.com

2016-04-05

U213.2

A

1004-6135(2016)06-0123-03