淺談地鐵軌排井支護設計

楊 朋

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031)

在軌道交通建設中，隧道段的軌道一般需要通過軌排井吊入隧道內(nèi)。在我國，鋼軌標準長度為12.5 m和25 m兩種，地鐵軌排孔一般按照能吊入25 m長鋼軌的標準進行設計。按照軌道專業(yè)的要求，軌排孔內(nèi)凈空一般為長28～30 m、寬5 m。

1 軌排井常用支護型式

軌排井支護方案大致可分為三類：錨桿(索)方案、環(huán)框梁方案、懸臂結(jié)構(gòu)方案。周邊條件允許的情況下，當采用圍護樁作為圍護結(jié)構(gòu)時，還可將圍護樁布置為拱形，進而產(chǎn)生拱效應，改善支護結(jié)構(gòu)受力[1]。軌排井常用的支護型式及注意事項如下[2-4]。

1.1 錨桿(索)方案

在地質(zhì)情況較好、周邊條件允許的情況下，采用錨桿(索)方案較為適宜[3]。地質(zhì)情況不好時，若需采用錨桿(索)方案，需注意以下事項[4]：在易塌孔的松散或稍密的砂土、碎石土、粉土層，高液性指數(shù)的飽和黏性土層，高水壓力的各類土層中，若要采用錨桿(索)方案，宜采用套管護壁成孔工藝;錨固段不宜設置在淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土及松散填土層內(nèi)。

采用錨桿(索)方案，還需考慮對周邊環(huán)境、地下空間的影響。如錨桿(索)是否侵入地塊，相鄰的建(構(gòu))筑物是否影響錨桿(索)的施工等。對于侵入周邊地塊的錨桿(索)支護方案，即使采用可回收式錨桿(索)，也可能因回收失敗影響周邊地塊地下空間資源的后期開發(fā)。由于城市建設的不斷發(fā)展，城市建設規(guī)模持續(xù)增大，為更好地保護和有效地利用地下空間資源，錨桿(索)的使用開始受到限制。如云南省昆明市從2012年起，就開始在基坑工程中限制使用錨桿(索)，要求在一般情況下錨桿(索)不得超出項目建設用地紅線垂直投影范圍[5]。

1.2 環(huán)框梁方案

在軌排井內(nèi)凈空范圍內(nèi)，不設置內(nèi)支撐，通過設置水平向環(huán)框梁來承擔側(cè)向水土壓力。水平向環(huán)框梁可采用鋼桁架、鋼筋混凝土等結(jié)構(gòu)。采用環(huán)框梁方案時，側(cè)墻厚度采用正常厚度即可。對于環(huán)框梁方案，圍護結(jié)構(gòu)布置一般又分為以下兩種。

1.2.1 純環(huán)框梁方案

僅僅設置水平環(huán)框梁來承擔側(cè)向水土壓力。環(huán)框梁尺寸需根據(jù)地質(zhì)情況、基坑深度等確定，對于深度20 m左右的基坑，環(huán)框梁寬度需做到4～5 m左右。由于環(huán)框梁尺寸較大，一般需將軌排孔內(nèi)移，以保證環(huán)框梁尺寸，導致軌排井中心線與線路中心線不能對齊，對軌道吊運效率存在一定的影響。若受其它因素限制，軌排孔內(nèi)移量受到限制，則需將側(cè)墻外移，導致土建工程數(shù)量增加。

在設置水平向環(huán)框梁的同時，每隔一定的距離設置豎向肋板，加強支護結(jié)構(gòu)的整體支護剛度。環(huán)框梁+肋板方案，環(huán)框梁的尺寸一般比純環(huán)框梁方案要小；但環(huán)框梁+肋板方案因設置了較多的肋板，其結(jié)構(gòu)工程量比純環(huán)框梁方案要大。

采用環(huán)框梁方案時，若軌排孔有內(nèi)移的條件，且不太影響軌道專業(yè)的鋪軌施工，則建議采用純環(huán)框梁方案；若軌排井內(nèi)移量受到限制，采用純環(huán)框梁方案時，側(cè)墻需外移導致投資增加，此時應對兩種環(huán)框梁方案進行經(jīng)濟比選確定；若側(cè)墻外移因周邊環(huán)境的影響受到限制，則建議采用環(huán)框梁+肋板方案。

1.2.3 懸臂結(jié)構(gòu)方案

不設置內(nèi)支撐與錨桿(索)結(jié)構(gòu)，僅考慮側(cè)墻與圍護結(jié)構(gòu)工程來承擔側(cè)向水土壓力。采用懸臂結(jié)構(gòu)方案時，側(cè)墻及底板的厚度需根據(jù)計算確定。對于基坑較深的情況，側(cè)墻及底板厚度較厚，不甚經(jīng)濟。

2 純環(huán)框梁支護應用實例

2.1 工程概況

根據(jù)全線工程籌劃，廣州市軌道交通十三號線某區(qū)間工作井為盾構(gòu)井與軌排井合建體：兩端設置盾構(gòu)井，中部設置軌排井。工作井長61.4 m，寬25.5 m,其中軌排井內(nèi)凈空尺寸為28 m×5 m。該工作井為臨時結(jié)構(gòu)，待盾構(gòu)始發(fā)、軌道吊裝完成后，需在頂板上覆土回填，無出地面結(jié)構(gòu)。周邊無重要的管線。

2.2 巖土工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

根據(jù)本區(qū)間的地質(zhì)勘察報告，開挖范圍內(nèi)的主要地層為：人工填土層<1>、淤泥質(zhì)土層<2-1B>、淤泥質(zhì)粉細砂層<2-2>、中粗砂層<2-3>、硬塑狀殘積粉質(zhì)黏土<5N-2>、紅層全風化帶<6>、紅層強風化帶<7>、 紅層中風化帶<8>。地層的主要力學性能指標見表1。

表1 巖土主要力學性能指標表

地下水類型為第四系孔隙水和基巖裂隙水。第四系孔隙水，主要賦存于海陸交互相淤泥質(zhì)砂層中，在松散填土之中亦有少量第四系孔隙水；基巖裂隙水主要賦存在強風化帶及中等風化帶。

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2.3 基坑支護設計

2.3.1 支護結(jié)構(gòu)方案的確定

根據(jù)本工作井所處周邊環(huán)境，經(jīng)綜合比選后，基坑采用1 m厚地下連續(xù)墻，連續(xù)墻嵌入強風化層3.5 m。支護結(jié)構(gòu)豎向采用四道，其中第一、二、三道采用環(huán)框梁，第四道采用鋼支撐，并設置臨時中立柱。

2.3.2 支護結(jié)構(gòu)計算分析

本基坑開挖深度約23.9 m，變形控制保護等級為一級，基坑側(cè)壁重要性系數(shù)為1.1。支護結(jié)構(gòu)承受的荷載有結(jié)構(gòu)自重、地面超載(20 kPa)、施工荷載(不超過10 kPa)、水土側(cè)壓力、盾構(gòu)吊裝荷載(70 kPa)、軌道吊裝荷載(30 kPa)。基坑外側(cè)土壓力按朗金土壓力計算，砂層采用水土分算；其余地層采用水土合算。盾構(gòu)井段圍護結(jié)構(gòu)剖面圖見圖1，軌排井段圍護結(jié)構(gòu)剖面圖見圖2。

圖1 盾構(gòu)井段圍護結(jié)構(gòu)剖面

圖2 軌排井段圍護結(jié)構(gòu)剖面

設計計算時，對于跨度較大的環(huán)框梁，將環(huán)框梁的抗彎剛度轉(zhuǎn)化為等效的水平支錨剛度，作為理正軟件中“假定支撐”的“支錨剛度”輸入理正軟件中，并求得“假定支撐”的支撐軸力。后將理正軟件計算所得的“假定支撐”的軸力作為均布荷載，加入到環(huán)框梁平面模型中，求得環(huán)框梁的內(nèi)力。

本工作井地質(zhì)情況相對均一，采用理正深基坑支護設計軟件對軌排井段、盾構(gòu)井段共計2個斷面進行了計算。連續(xù)墻內(nèi)力值見表2，盾構(gòu)井段計算位移內(nèi)力圖見圖3，軌排井段計算位移內(nèi)力圖見圖4。

表2 連續(xù)墻內(nèi)力(標準值)

圖3 盾構(gòu)井段計算位移內(nèi)力

圖4 軌排井段計算位移內(nèi)力

2.3.3 支護結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

根據(jù)理正計算結(jié)果，盾構(gòu)井段，第一、二、三道環(huán)框梁的“荷載”標準值分別為：330.33 kN/m，704.98 kN/m，1 579.11 kN/m；軌排井段，第一、二、三道環(huán)框梁的“荷載”標準值分別為：251.98 kN/m，771.13 kN/m，1 001.95 kN/m。

將上述荷載加入環(huán)框梁平面模型，計算出各道環(huán)框梁的內(nèi)力，內(nèi)力值見表3；第三道環(huán)梁的計算內(nèi)力見圖5～圖8。

表3 環(huán)框梁彎矩(基本組合) kN·m

圖5 第三道環(huán)框梁變形

本工作井采用環(huán)框梁+鋼支撐作為支護系統(tǒng)，共設四道支撐。在盾構(gòu)始發(fā)井位置，第一、二、三道環(huán)框梁的尺寸分別為1 m×2.2 m、1.5 m×2.2 m、2 m×2.2 m；在軌排井位置，第一、二、三道環(huán)框梁的尺寸分別為1 m×3 m、1.5 m×4.4 m、2 m×4.4 m。第三道圍護結(jié)構(gòu)平面布置見圖9。

圖6 第三道環(huán)框梁彎矩

圖7 第三道環(huán)框梁剪力

圖8 第三道環(huán)框梁軸力

圖9 第三道圍護結(jié)構(gòu)平面布置

本工作井現(xiàn)場已實施完畢，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)均位于正常范圍。軌排井支護結(jié)構(gòu)現(xiàn)場照片見圖10。

圖10 軌排井支護結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

(1)軌排井支護的常見方案有錨桿(索)方案、環(huán)框梁方案和懸臂結(jié)構(gòu)方案。由于錨桿(索)施工后對地下空間開發(fā)的不利影響，其使用漸漸受到限制；懸臂結(jié)構(gòu)方案適用于基坑較淺的情況，基坑較深時因側(cè)墻及底板厚度均較大，不甚經(jīng)濟；環(huán)框梁方案在后續(xù)工程中會是更普遍的選擇。

(2)若軌排孔可內(nèi)移并對軌道吊裝作業(yè)影響不大，建議優(yōu)先采用純環(huán)框梁方案；若軌排井內(nèi)移量受到限制，采用純環(huán)框梁方案時，側(cè)墻需外移導致投資增加，此時應對純環(huán)框梁方案和環(huán)框梁+肋板方案進行經(jīng)濟比選后確定；若側(cè)墻外移因周邊環(huán)境的影響受到限制，則建議采用環(huán)框梁+肋板方案。

(3)對于基坑深度較大的軌排井，采用環(huán)框梁方案時，由于環(huán)框梁體量較大，施工過程中應注意控制溫度應力，按照大體積混凝土澆筑的相關要求施工。

(4)軌排井支座處受力較大，有條件的情況下，建議增設腋角，改善受力。

[1] 熊永華，楊衛(wèi)星，顏勇.某地鐵車站軌排井圍護結(jié)構(gòu)設計[J].鐵道標準設計,2009(9)：76-79.

[2] 張昆.地鐵軌排井段結(jié)構(gòu)設計與分析[J].都市快軌交通,2012(4):79-82.

[3] 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(7):37-39.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.JGJ120-2012建筑基坑支護技術規(guī)程 [S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[5] 昆建通[2011]363號 昆明市住房和城鄉(xiāng)建設局關于基坑工程中限制使用錨桿(索)的通知[S].2011.