地下車站軌排孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

魏偉

（中鐵上海設(shè)計院集團工程咨詢有限公司，上海 200070）

0 引言

隨著城市的快速發(fā)展，國內(nèi)城市軌道交通進入大規(guī)模建設(shè)階段，軌道交通建設(shè)線路也越來越長，為統(tǒng)籌考慮全線工期和鋪軌需求，設(shè)置軌排孔的地下車站也不斷增多，軌排孔的結(jié)構(gòu)計算已成為地下車站結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵點。

針對軌排孔的車站結(jié)構(gòu)受力與計算，國內(nèi)已出現(xiàn)了一些工程實踐與研究。胡云峰［1］結(jié)合實際工程論述了地鐵車站在圍護結(jié)構(gòu)已實施的情況下，增設(shè)軌排孔方案的可行性和方案比選。馮云［2］結(jié)合上海某疊合墻地鐵車站工程，在基坑已開挖到底的情況下，增設(shè)軌排孔時面臨的制約因素和難點，給出了解決問題的方法和措施。黃小平［3］在調(diào)研軟土地區(qū)軌道交通運營線路軌排孔現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對設(shè)置軌排孔的車站位置、車站型式、車站主體結(jié)構(gòu)型式、軌排孔大小和數(shù)量、軌排孔結(jié)構(gòu)處理等進行了分析和總結(jié)。孫璕、何肖健［4］對雙柱車站軌排孔的設(shè)置位置及結(jié)構(gòu)分析進行了研究。朱桔妹［5］在超長地鐵車站的設(shè)計中也對軌排孔的結(jié)構(gòu)措施進行了一定的研究。熊永華等［6］對軌排井的圍護結(jié)構(gòu)進行了研究。

文中依托上海市軌道交通15號線某地下車站工程，結(jié)合該項目實際地質(zhì)情況及車站軌排孔的排布方案，對該車站軌排孔結(jié)構(gòu)進行計算和分析，給出了軌排孔結(jié)構(gòu)設(shè)計計算關(guān)鍵點及主要的構(gòu)造措施和處理方法。為類似地下車站軌排孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算及工程設(shè)計提供一定的借鑒。

1 工程概況

上海軌道交通15號線某地下車站為小交路折返站，設(shè)一條折返線。車站為地下2層一島（寬10m）一側(cè)（寬6m）車站，車站規(guī)模為419.9m×27.96m（內(nèi)凈），車站標準段為雙柱三跨段，站中心處開挖深度約16.7m，頂板埋深約3.2m，端頭井開挖深度約為19.5m，車站主體圍護采用800mm厚地地下連續(xù)墻+5道內(nèi)支撐，地墻采用柔性鎖口管接頭，地墻與內(nèi)襯墻采用疊合墻型式設(shè)計，明挖順作法施工。根據(jù)工程總體及進度籌劃要求，車站設(shè)置軌排孔，軌排孔大小為29m（長）×7m（寬），最初設(shè)置在車站中心處，后考慮到鋪軌影響二次結(jié)構(gòu)施工，將軌排孔調(diào)整到渡線段見圖1。

圖1 車站總平

車站開挖范圍內(nèi)涉及的土層主要有①1-1層人工填土、①2層浜底淤泥、②1層褐黃-灰黃色粉質(zhì)粘土、③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③j層灰色砂質(zhì)粉土、④1層灰色淤泥質(zhì)粘土、⑤1-1層灰色粘土及⑥層暗綠-草黃色粉質(zhì)粘土。地下潛水位埋深為0.40～1.30m，抗浮水位為地面以下0.5m，場地的承壓水主要為賦存于⑦層及⑧2層，工程基坑止水采用隔斷承壓水的方式。各土層的物理力學參數(shù)見表1。

表1 土層力學參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

軌排孔存在于車站施工期，此時頂板和中板大開孔，結(jié)構(gòu)水平向傳力不連續(xù)，水平向剛度削弱，側(cè)墻受力較為不利，故在工程設(shè)計中將軌排孔邊頂板和中板加厚，以作為側(cè)墻約束的加強，孔邊板按薄壁梁計算。軌排孔平面及剖面布置如圖2和圖3所示。

圖2 軌排孔平面布置

圖3 軌排孔剖面（單位：mm）

軌排斷面為雙柱三跨，軌排孔布置在中間，頂板厚900mm，中板厚600mm，底板厚1100mm，頂板上、下孔邊薄壁梁尺寸分別為900mm×4500mm～8800mm和900mm×8000mm～9000mm，中板上下孔邊薄壁梁尺寸分別為600mm×4500mm～8800mm和600mm×8000mm～9000mm。

軌排孔結(jié)構(gòu)受力的最不利工況為施工期，因此重點對施工期軌排孔結(jié)構(gòu)進行分析計算。

2.2 二維框架分析計算

采用通用有限元軟件ROBOT對軌排孔處斷面建立二維平面框架計算模型，考慮縱梁的約束，對頂、中板開孔處施加水平彈簧約束，彈簧剛度值取縱梁水平向跨中撓度的倒數(shù)，對底板及側(cè)墻施加常規(guī)彈性土彈簧的約束，彈簧剛度按對應地層參數(shù)輸入，二維計算模型見圖4。

圖4 二維有限元模型

為降低工程風險確保施工安全，車站要求軌排孔范圍內(nèi)頂板待軌排孔封孔后再覆土，頂板除自重外無其他附加荷載，底板處泄水孔要求在頂板覆土后封閉，因此整個車站結(jié)構(gòu)施工期的荷載主要有自重、水平向水土壓力、超載側(cè)壓力以及施工荷載。對于其他工程如果場地受限，頂板在軌排施工前需先行覆土的車站，軌排施工時頂板還需要承受豎向的覆土和地面施工期超載，此時頂板受力也需特別注意。為對比分析軌排孔開孔的影響，對同期施工但未開孔的結(jié)構(gòu)進行計算，計算結(jié)果如下：

圖5 標準斷面施工期彎矩分布圖（單位：kN·m）

圖6 施工期軌排孔彎矩分布圖（單位：kN·m）

圖7 施工期軌排孔剪力分布圖（單位：kN）

從圖5標準斷面和圖6軌排開孔斷面的內(nèi)力圖對比分析可以看出，軌排開孔斷面水平剛度削弱較為明顯，對側(cè)墻受力有較大影響，從內(nèi)力圖變化趨勢可以分析出，頂、中板對側(cè)墻的約束大大削弱，側(cè)墻受力接近于頂部鉸接底部固端的受力構(gòu)件，故側(cè)墻的跨中和底支座彎矩加大；在水平向水土壓力的影響下，框架柱也有側(cè)移，故在軌排孔范圍內(nèi)框架柱的設(shè)計需加強處理。

對于孔邊薄壁梁，可取圖8中頂、中板的軸力值作為薄壁梁的延米荷載進行加載計算。但由于二維框架無法考慮平面外的剛度，因此二維計算所得軸力值會偏大，而薄壁梁跨度較大，直接加載計算所得薄壁梁的內(nèi)力大，不符合實際情況，故孔邊薄壁梁的計算未采用此結(jié)果進行。

圖8 施工期軌排孔軸力分布圖（單位：kN）

2.3 三維框架分析計算

鑒于二維平面框架計算中各層板采用梁單元，無法考慮平面剛度，造成內(nèi)力值過大，各層板的水平向受力、地墻傳至孔邊薄壁梁的荷載分布以及樓板開孔應力集中的情況均無法考慮，故需采用三維有限元模型進行計算分。三維計算同樣采用通用有限元軟件ROBOT，結(jié)構(gòu)荷載的取值同二維框架。為考慮結(jié)構(gòu)的三維空間效應，建模時將相鄰跨一并建入，具體的三維模型及內(nèi)力計算值見圖9～圖11。

圖9 三維有限元模型

圖10 孔邊薄壁梁彎矩分布圖（單位：kN·m）

圖11 孔邊薄壁梁剪力分布圖（單位：kN）

由上述三維計算分析結(jié)果可以看出在施工期孔邊薄壁梁承受由側(cè)墻傳遞過來的水土壓力，其內(nèi)力值很大，頂板處薄壁梁的彎矩值達到57511kN·m，中板處薄壁梁的彎矩值達到110802kN·m。因薄壁梁高較高，設(shè)計中結(jié)合中性點（剪力零點）的位置見圖12、圖13區(qū)分受壓和受拉區(qū)，按深受彎構(gòu)件的鋼筋布置方式將鋼筋配置在受拉區(qū)的板范圍內(nèi)。

圖12 頂板處中性點分布

圖13 中板處中性點分布

從圖14三維計算側(cè)墻內(nèi)力云圖可以看出，側(cè)墻受力與二維框架分析的受力趨勢基本一致，跨中彎矩與底支座彎矩均增大，側(cè)墻受力接近于頂部鉸接底部固端的受力構(gòu)件。

圖14 側(cè)墻豎向彎矩分布（單位：kN·m）

2.4 計算分析及設(shè)計加強措施

（1） 將頂板和中板的孔邊板作為水平向受力的薄壁梁進行計算分析及配筋，同時結(jié)合中性點的分布，將主受力鋼筋布置在受拉區(qū)，這樣局部受壓區(qū)鋼筋可適當減小，使得結(jié)構(gòu)的設(shè)計做到安全、經(jīng)濟、合理。

（2） 頂板軌排孔開孔邊薄壁梁寬同頂板厚，支座鋼筋全部錨入相鄰跨的頂板內(nèi)，設(shè)計時另在孔邊（車站橫向）布置橫向支撐柱作為薄壁梁的加強支座；對中板軌排孔開孔處，因中板厚度較薄，薄壁梁支座鋼筋不能完全錨入相鄰中板內(nèi)，故中板處薄壁梁配筋計算時需對支座鋼筋進行調(diào)幅，將25%的支座鋼筋調(diào)整到跨中，以保證結(jié)構(gòu)的安全。

（3） 在軌排孔范圍內(nèi)，薄壁梁不得在軌排期間再開孔，若此范圍內(nèi)運營期需布置較大的樓扶梯孔洞，也應待軌排孔封孔后再施工，以確保薄壁梁的受力安全。

（4） 考慮頂中板中部大開孔，水平剛度削弱較大，在水平向水土壓力的作用下框架柱會有側(cè)移，因此軌排孔范圍內(nèi)框架柱進行截面及配筋加強設(shè)計。但孔邊立柱的內(nèi)力和配筋增加幅度有限，故對于軌排孔范圍封孔后澆的結(jié)構(gòu)采用鋼纖維混凝土，以提高其抗裂性能和耐久性。

（5） 軌排施工期結(jié)構(gòu)底板預留泄水孔不能封閉，以確保結(jié)構(gòu)抗浮滿足，待軌排孔封孔并頂板覆土之后方可封閉泄水孔。

（6） 車站為全線第一批開工的車站，軌排孔結(jié)構(gòu)施工完畢后要等待較長時間才供鋪軌使用，在軌排孔內(nèi)設(shè)置臨時鋼支撐，增大水平剛度，待軌排孔啟用時拆除。

3 結(jié)語

車站軌排孔結(jié)構(gòu)按上述計算進行分析并設(shè)計，目前已施工完畢并順利通車，施工過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)正常，未出現(xiàn)任何問題。車站軌排孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算方法及構(gòu)造加強措施可為類似工程的軌排孔結(jié)構(gòu)法設(shè)計計算提供參考，主要設(shè)計及構(gòu)造措施總結(jié)如下：

（1） 可將各層軌排孔邊板視作薄壁梁進行分析計算，薄壁梁承受的內(nèi)力較大，可根據(jù)三維計算結(jié)果中孔邊板的中性點分布，分區(qū)合理的進行鋼筋布置；計算時根據(jù)約束情況考慮內(nèi)力的調(diào)幅。

（2） 側(cè)墻跨中及支座受力較標準段大，設(shè)計時應予以重視。

（3） 通過加大框架柱配筋、后澆結(jié)構(gòu)采用鋼纖維混凝土、架設(shè)臨時鋼支撐等結(jié)構(gòu)措施保證結(jié)構(gòu)的耐久性。