地鐵車站雙柱大開孔式軌排井設計方案探討

金思維

（廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

在地鐵建設中，區間隧道結構土建施工完成后，需進行鋪軌施工，定制的鋼軌由選定的車站吊入地下進行線路鋪軌工作，通常每節鋼軌長度約為 25 m[1]。因此，一般需要在車站結構板（車站頂板和中板）上預留吊裝孔洞（即軌排井）。軌排井孔洞尺寸根據軌道吊裝需求而定，通常孔洞尺寸長約 30 m。在如此大的孔洞范圍內，結構設計人員需要采取特殊結構措施來保障車站結構的穩定性[2]。文章以徐州地鐵 3 號線科技廣場站軌排井結構方案為例，綜合國內地鐵建設中相關軌排井的設計經驗，建議選用雙柱大開孔式軌排井設計方案，并對其進行數值模擬分析。

1 車站設計概況

徐州地鐵 3 號線科技廣場站位于解放南路與金山東路交叉口，車站主體結構總長度 466.7 m，寬 19.7 m，高13.6 m，車站埋深 16.6 m，頂板覆土約 3 m，車站設有雙存車線及軌排井，采用明挖法施工。

車站采用鉆孔樁+內支撐的圍護體系，頂板厚800 mm，中板厚 400 mm，底板厚 900 mm，側墻厚度700 mm。工程地質參數見表 1。

本站地下水類型分為填土中的上層滯水及基巖裂隙水，鋪軌時基坑仍采取降水措施，可暫不考慮地下水對車站結構的影響[3]。

表1 科技廣場站工程地質參數

2 軌排井結構方案比選

根據國內地鐵建設設計經驗，目前對于軌排井的結構處理措施，主要分為 2 大類。第一類是在基坑圍護設計時，就對該部位圍護結構進行特別加強，通常采取附加預應力錨索，同時增大圍護剛度的做法，如北京地鐵 9號線白石橋南站[4]、深圳地鐵 3 號線水貝站—草埔站區間[5]以及因車站方案變動臨時加固的北京地鐵 15 號線關莊站[6]等。

第二類是直接對軌排井范圍的車站主體結構進行加強，通常采用的方案是車站軌排井范圍側墻外擴，設置剛度較大的臂柱，如鄭州地鐵 2 號線廣播臺站[7]、哈爾濱地鐵 1 號線終點站[8]，具體如圖 1 所示。

圖1 外擴臂柱結構方案

上述 2 類方案，第一類是加強支護體系，減小作用在車站上的側土壓力，第二類是直接加強車站結構。對于第一類而言，地鐵的性質決定了車站站位通常位于繁華擁堵、建構筑物和管線密集的城區道路附近，控制性因素較多，采用預應力錨索往往容易侵入地下室、管線范圍，因此不易實施且工期較長、費用較高。此外，圍護結構為臨時性結構，而車站主體結構設計使用年限為 100年，因此通過加強圍護結構得到的可靠性、經濟性要遜于加強車站主體結構。

對于第二類方案，外擴臂柱是在側墻設置較密集的豎向大截面臂柱，同時在頂板、中板對應的水平位置設置大截面腰梁作為約束支座，從而通過類似密肋梁的方式將本作用于孔洞邊水平方向的側壓力轉換到縱向臂柱上。該方案的缺點是其較為笨重、施工難度大、成本較高，考慮到軌排井為臨時結構，該方案經濟性較差。

雙柱大開孔式軌排井方案是國內興起的一種新型設計方案，該方案通過將軌排段設置為雙柱結構，從而將軌排井藏于雙柱中間，如圖 2 所示。采用該方案可避免車站側墻外擴，具有設計巧妙、經濟性較好的優點，如廣州地鐵 14 號線旺村站采用該種方案土建費用僅增加 97 萬元，若采用傳統方式則造價預估達 1 000 萬元[9]。

圖2 雙柱大開孔結構方案

3 雙柱大開孔式軌排井整體計算分析

為驗證雙柱大開孔式軌排井方案結構可行性，對該方案進行整體計算分析，重點對結構位移變形及彎矩進行驗算。

3.1 計算模型及邊界條件

軌排井范圍內結構較復雜，且有大開孔，具有明顯的空間結構效應。采用 Midas/Gen 數值模擬軟件建立整體模型進行受力分析，選取軌排井兩側建立模型。車站計算以溫克爾地基模型假定為基礎，土體對于結構的彈性地基反力通過施加一定剛度的彈簧來模擬，該參數可參照地勘提供的基床系數確定，整體模型如圖 3 所示。

圖3 整體計算模型

3.2 計算結果

按照上述計算模型進行整體分析，得到以下結果。

3.2.1 車站結構位移計算結果

圖4 為結構模型的整體水平位移變形圖。由圖 4 可知，側墻中部對應于軌排井中心位置的結構變形最大，其最大位移值為 5.72 mm，小于 40 mm，滿足撓度控制要求（變形撓度 = 計算跨度/300）。該位置也是結構最薄弱位置，在側壓力作用下變形最大，兩端變形較小。

圖4 整體水平位移變形圖

3.2.2 車站結構內力計算結果

圖5 頂板彎矩圖

圖5 為車站縱向（長邊方向）頂板彎矩圖。由圖5 可知，最大值為頂板和側墻支座相交位置處，負彎矩達到 427 kN · m；而最大正彎矩則出現在孔洞左右兩側板邊跨中位置，該范圍板帶呈現出明顯的單向板特征，即內力主要分布在短邊方向。

圖6 側墻彎矩圖

圖6 為側墻彎矩分布圖。由圖 6 可知，負彎矩最大值為側墻和底板支座相交位置，值為 896 kN · m；最大正彎矩出現在負二層跨中位置，值為377 kN · m。

圖7 為框架彎矩圖。由圖 7 可知，彎矩最大值出現在柱和中板相交位置，彎矩值為 610 kN · m，而縱梁彎矩相對較小，水平方向傳來的部分側壓力經由中板、縱梁作用于車站柱上，引起柱受彎，彎矩在中板柱腳位置取得最大值。

圖7 框架彎矩圖

3.3 平面模型計算

使用 SAP2000 有限元軟件建立平面單元模型進行驗算，內力計算結果見圖 8。

圖8 內力計算結果

最大彎矩位于側墻和底板相交處支座位置，值為1 006 kN · m，最大跨中彎矩值為 408 kN · m，對比整體模型，平面計算結果偏大。

根據上述結果，按照彎矩最大值 1 006 kN · m包絡計算，側墻和底板支座結合處附加支座鋼筋，截面配筋率為 1.23% 時，即可滿足結構規范[10]要求。綜上，該軌排井方案結構內力及變形較合理，結構可靠，在主體結構配筋時對受力較大位置進行配筋加強即可滿足設計需要。

4 結語

目前在地鐵建設中，采用加強圍護結構和設置臂柱的軌排井方案較多。根據科技廣場站實際設計案例，綜合對比并通過計算驗證表明，雙柱大開孔式軌排井設計方案具有經濟性和適用性優勢，受力合理，結構可靠，有較好的推廣應用價值。

[1]時啟明. 地鐵明挖車站軌排井段結構分析與設計實踐[J]. 建材與裝飾，2016 （33）：111-113.

[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.

[3]北京城建設計研究總院. GB50157-2013 地鐵設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2013．

[4]宋月光. 某地鐵車站軌排井設計方案研究[J]. 鐵道建筑技術，2011（S2）：26-29.

[5]馬長濤，金大春，宋成輝. 深圳地鐵3號線軌排井圍護結構設計優化[J]. 都市快軌交通，2008，21（1）：61-64.

[6]劉力. 關莊站軌排井圍護結構設計[J]. 鐵道建筑技術，2012（S2）：69-71.

[7]張昆. 地鐵軌排井段結構設計與分析[J]. 都市快軌交通，2012，25（4）：78-81.

[8]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.

[9]耿鳴山. 廣州軌道交通知識城線的軌排井結構選型研究[J]. 福建建筑，2016（6）：123-125.

[10]中國建筑科學研究院. GB50010-2010 混凝土結構設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2013．