與快速路合建地鐵車站端頭井三維計算分析

郎艷琪

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概述

某車站為地下車站，因與快速路共用一個路由，為了解決2個工程分期建設，造成的工期延長、工程先后施工造成的工程浪費、施工風險增加等問題，最終確定車站范圍內快速路由地鐵代建。受周邊環境及場地條件影響，采取了快速路與車站“上下重疊”的方案，快速路底板與車站頂板“共板”，快速路側墻與車站側墻“上下對齊”。

車站為地下3層島式車站，-1層為快速路，-2層、-3層為地鐵車站，結構形式為雙柱三跨鋼筋混凝土框架結構，車站總凈長178 m，站臺寬度17.2 m，標準段總凈寬24.9 m。主體結構頂板覆土約2.50 m，車站主體標準段圍護結構采用1 000 mm厚地連墻，標準段挖深約23.723 m～24.018 m，端頭井圍護結構1 000 mm厚地連墻，東側端頭井挖深25.30 m，西側端頭井挖深25.66 m。車站底板主要落于4粉質黏土層。車站結構均為復合墻結構。車站范圍內快速路結構與主體結構同期實施。西端小里程端頭井為盾構接收井，東端大里程端頭井為盾構始發井。

通過車站端頭井橫斷面圖1可知，與快速路“上下重疊”合建車站具有以下特點：

1)為保證快速路與車站側墻“上下對齊”，利于結構受力，避免隧道側墻直接落于車站頂板上引起的應力集中，車站相比于一般車站寬度增加。

2)由于快速路底板與車站頂板“共板”，中隔墻直接落于車站頂板，形成局部集中力，車站頂板厚度增加。

2 建模與分析

2.1 模型建立

地鐵車站標準段一般為狹長形的箱型結構，通常將其簡化為二維平面模型進行計算。但對于車站端頭井，其受力具有明顯的空間效應，同時在施工階段，各層板預留盾構吊裝孔，平面模型無法進行模擬[1-2]。本文采用SAP2000軟件，對車站東端頭井進行三維建模計算分析(見圖2)。模型結構墻、板采用板殼單元模擬，梁柱采用桿件/索單元模擬。針對端頭井在施工階段和使用階段的不同荷載組合工況分別進行計算分析[3]。

2.2 計算荷載

車站端頭井主要荷載包括：結構自重、頂板覆土、側向水土壓力、地面超載(端頭井取30 kPa)以及超載引起的側向壓力、快速路隧道路面荷載、水反力等。按下列荷載組合進行計算：

1)基本組合：1.3×恒載+γL×1.5×1×活載；2)準永久組合：1.0×恒載+準永久值系數×1.0×活載；3)偶然組合：恒載+部分活載+地震荷載恒載+人防荷載；4)抗浮計算：恒載(不包括設備荷載、裝修荷載、墻體荷載)。

荷載組合分項系數見表1。

表1 荷載組合分項系數

2.3 計算結果及分析

通過端頭井三維計算模型計算，可以得到不同階段車站端頭井內力值，主要計算結果見圖3，圖4(M11指水平方向彎矩，M22指豎直方向彎矩)。通過對計算結果的分析，可以得到以下幾點。

1)由端頭井結構計算結果可知，車站頂板、中板受內力值受使用階段重力工況控制，車站底板內力值受使用階段水反力工況控制，端墻、側墻內力值受施工階段重力工況控制。

2)端頭井三維計算模型結果如圖5所示，側墻水平向端部彎矩為2 172 kN·m，跨中彎矩為1 592 kN·m；側墻豎向端部彎矩為2 119 kN·m，跨中彎矩為1 221 kN·m。端墻水平向端部彎矩為2 253 kN·m，跨中彎矩為602 kN·m；端墻豎向端部彎矩為1 559 kN·m，跨中彎矩為1 443 kN·m。因此，在配筋時端頭井側墻、端墻應按照雙向板配置雙向受力鋼筋，而平面框架計算模型不能反映側墻、端墻的內力情況[4-5]。

3)由于快速路底板與車站頂板“共板”，中隔墻直接落于車站頂板，形成局部集中力。車站頂板彎矩、剪力較大，經計算分析，板厚為1 200 mm能滿足設計要求(見圖6)。

綜上所述，車站頂、中、底板主要受使用階段工況控制，端墻、側墻主要受施工階段控制，設計時應對不同工況分別進行計算。在端頭井配筋時，采用三維計算，與實際結構受力情況更接近，而平面框架計算模型不能完全反映結構內力情況。對于與快速路“上下重疊”合建車站計算時，要考慮結構特點，由于快速路底板與車站頂板“共板”，中隔墻直接落于車站頂板，形成局部集中力，對結構尺寸、內力分布都將產生影響。

3 結語

1)車站結構設計時，應考慮端頭井盾構吊裝孔未封閉的不利階段(即施工階段)，此時，側墻、端墻的彎矩較使用階段明顯增大。2)車站端頭井受力空間效應明顯，結構受力情況復雜，采用三維模型進行計算分析，與端頭井實際受力情況更為接近，計算結構更加合理、經濟。3)快速路與車站“上下重疊”，快速路底板與車站頂板“共板”，快速路側墻與車站側墻“上下對齊”，設計時，應充分考慮快速路對車站結構受力的影響。本文通過對與快速路合建地鐵車站端頭井三維計算分析，為工程實施提供了保障，同時也為今后同類工程提供了借鑒。