復雜結構體系明挖地鐵區間中軌排井設計方案研究

蔣軍軍

浙江數智交院科技股份有限公司 浙江 杭州 310013

在地鐵施工過程中，為滿足鋪軌需要，通常會安排在某些車站或區間預留軌排井。寧波地鐵3號線擬在外漕村站～客運北站區間北明挖段設置軌排井。北明挖段為正線、配線、聯絡線交會區，結構梁柱體系布置不規則，設置軌排井對結構體系影響很大。本文對三種不同的軌排井方案從鋪軌便捷性、結構施工難易程度等方面進行對比，再通過三維有限元計算分析研究結構在鋪軌階段的受力和變形情況，提出了設置軌排井的最佳設計方案，既能滿足鋪軌線路的功能要求，又能保證施工階段結構的自身安全[1]。

1 車站設計概況

寧波地鐵3號線外漕村站～客運北站區間北明挖段位于現狀農田里，周圍無管線和建構筑物。北明挖段為遠期3號線外漕村站的一部分，沿3號線車站縱向長度為207.6m，正線、聯絡線和雙存車線在這里交會，導致結構梁柱體系布置不規則。本明挖區間為地下兩層雙柱三跨至四柱五跨鋼筋混凝土框架，結構寬度為22.7～52.9m，底板埋深約為15.3～20m，覆土為2.15～3.19m，頂板厚、中板和底板厚度分別為900mm、 400 mm和1000 mm，外側墻厚700mm。

2 三種軌排井結構方案對比分析

2.1 軌排井結構方案介紹

軌排井方案1在頂板和中板均預留 30m×3m 的孔洞，但不在正線上方。采用對稱道岔，臨時鋪軌施工便線通過撥線分別與左右線相接。此方案對于鋪軌施工而言，施工便線長度短，左右線均通過道岔一次扳動即可過渡，鋪軌效率均衡；同時，施工便線不占用永久線路，對鋪軌影響小，鋪軌完成后拆除施工便線即可。對結構體系而言，不需改變軌排井附近的梁柱布置，但施工便線上的梁柱體系在鋪軌施工工況與正常使用工況需進行一次梁柱體系轉換。為了避讓施工便線，在鋪軌施工期間需要布置8根臨時鋼筋混凝土立柱。鋪軌完成后澆筑永久立柱，再鑿除臨時立柱。且臨時梁與永久梁相交處鋼筋較難綁扎，增加了結構施工難度[2]。

軌排井方案2在右線正線上方預留 30m×3m 的孔洞（圖1）。后端設單渡線與左線相接，左線鋪軌需通過兩次扳動道岔，右線鋪軌無需經過單渡線，左線鋪軌效率低于右線。施工便線位于正線上，在便線拆除前，該段線路無法鋪軌，需拆除后散鋪，施工工期較方案1長。對結構體系而言，軌排井設置在左線上方，孔洞周圍的梁柱需要重新布置。同時，施工便線上的梁柱體系在鋪軌施工工況與正常使用工況也需進行一次梁柱體系轉換。需要布置4根臨時鋼筋混凝土立柱。鋪軌完成后澆筑永久立柱，再鑿除臨時立柱。且臨時梁與永久梁相交處鋼筋較難綁扎，增加了結構施工難度。此外，洞口左側與框架柱和框架梁的距離為8.4m，導致頂板和中板懸挑長度過大，因此需要在洞邊增3根柱子并布置孔邊梁。鋪軌完成后再鑿除臨時柱，給施工增加了不便。

圖1 方案2結構布置圖

軌排井方案3中的鋪軌施工便線與方案2相同，但將開洞寬度由原來的3m增加到9.7m，洞邊緊靠結構縱梁（圖2），解決了方案2中頂板、中板懸挑過長的問題，且施工過程中做好底板泄水孔可滿足結構抗浮要求。此外，調整永久結構梁柱布置，使其既能滿足鋪軌施工限界要求，又能滿足正線行車限界要求。這樣方案3只需要設置1根臨時立柱即可，非常便于結構施工。

圖2 方案3結構布置圖

2.2 三種結構方案對比

從結構施工難易程度來看，方案3最優。從鋪軌便捷性來看，方案1最優。結合全線鋪軌工籌分析，本線路全長9.05km，線路較短，共設置2個軌排井，能夠接受方案2和3的鋪軌效率。因此，綜合考慮鋪軌便捷性、結構施工難易程度，決定選擇方案2或方案3。

方案3，施工最便利，一次澆筑，框架梁柱的剛度有保障，安全性好。只是由于開洞比較大，框架梁也由原來的平直布置改為彎曲布置，因此方案3和方案2相比較，構件內力和配筋是否相差很多，原有的構件截面能否滿足要求，需要通過有限元軟件計算進一步驗證。因此對方案2和方案3用有限元軟件分別進行三維建模計算[3]。

3 軌排井整體計算及結果

方案3和方案2相比較，構件內力和配筋是否相差很多，原有的構件截面能否滿足要求，需要通過有限元軟件計算進一步驗證。因此對方案2和方案3用有限元軟件分別進行三維建模計算。

3.1 整體建模

軌排井結構構件主要有鉆孔灌注樁，側墻、以及梁板柱。本文中軌排井為復雜結構體系，因此采用midas civil（2020（v1.1））結構有限元分析軟件進行內力分析，并采用MorGain 結構快速設計軟件進行構件的配筋計算。三維計算模型選取軌排井洞口左側3跨和右側6跨進行有限元分析計算。有限元分析中，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; 未考慮圍護樁的作用。

圖3 方案2三維有限元計算模型

圖4 方案3三維有限元計算模型

3.2 荷載取值

對結構有影響的荷載主要有:水土壓力、地面超載20kPa、中板的施工荷載，頂板洞口的孔邊荷載。

3.3 整體計算結果對比

(1) 車站頂板最大位移 (圖5～圖6) 。

圖5 方案2頂板位移（單位mm）

圖6 方案3頂板位移（單位mm）

表1 整體計算結果對比

結論：兩種方案對比，方案3比方案2的各構件位移都有增大，底板豎向位移增大較多，這是由于車站主體結構頂板、中板軌排井開洞尺寸較大( 30 m × 9.7 m) ，板的平面內剛度大幅度減弱，頂板開洞增大使頂板的水土壓力減小，所以開洞處對應的底板位置豎向位移較大。

方案3和方案2對比，頂中板的最大彎矩相差不大，側墻和底板的最大彎矩相差較大，由于頂板和中板開洞尺寸較大，板的平面內剛度被大幅度減弱，導致側墻和底板相交處彎矩增大很多，底板的跨中彎矩也增大很多，因此側墻底部和洞口位置底板的支座和跨中需要加大配筋。經過有限元計算，方案3和方案2相比，不需增大構件截面，只需增加部分構件配筋[4]。

3.4 構件計算結果對比

軌排井結構受力體系中，框架梁為主要的受力構件，頂板梁是最主要受力構件。因此把頂板、中板以及底板的框架梁分為三個部分，第一部分是洞口周圍及洞口左右各1跨框架梁，代表洞口增大后對周圍構件內力的影響；第二部分是洞口右側5跨框架梁，代表框架梁由平直布置改為曲線布置框架梁內力的改變；第三部分是洞口左側2跨框架梁，代表第一二部分的變化對左邊框架梁內力的影響。三個部分內力對比見表2。

表2 頂底板框架梁內力結果對比

通過上述表中結果可見頂板以及底板的框架梁大部分內力增長小于10%，不需要增大構件截面，只需適當增大配筋即可；方案3中，頂板框架梁中由于洞口邊梁的集中荷載，洞口右側邊梁彎矩較大，需加強配筋。

4 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復雜結構體系大開洞時的受力變形還比較少，因此進行復雜結構體系軌排井設計分析對今后類似工程有現實指導意義。

(2) 本文通過3種結構方案對比分析和空間整體模型的有限元計算，確定了在復雜結構體系中，軌排井設計的最佳結構設計方案，既滿足了鋪軌路線的要求，同時也保證了所有構件在施工階段和使用階段的安全性能。

復雜結構體系軌排井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。