地鐵明挖車站軌排井段結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)實(shí)踐

高 杰

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城建院,西安 710043)

1 概述

在地鐵施工過(guò)程中,為加快鋪軌進(jìn)度,工程籌劃通常會(huì)安排在土建結(jié)構(gòu)中預(yù)留軌排井,軌排通過(guò)軌排井由地面吊入土建結(jié)構(gòu)內(nèi)。北京地鐵6號(hào)線一期工程青年路站在頂板和中板預(yù)留軌排洞口長(zhǎng)30.4 m,寬8.2 m,由于周邊地下管線眾多,基坑支護(hù)方案采用鉆孔灌注樁+鋼管內(nèi)支撐的支護(hù)形式,基于軌排基地吊裝構(gòu)件的特殊要求,軌排井洞口不能采用鋼支撐進(jìn)行支護(hù),保證軌排井處30 m長(zhǎng)度孔洞周邊構(gòu)件在土體側(cè)壓力和施工階段地面超載引起的水平側(cè)壓力作用下的安全,必須要采取新的加固措施。通過(guò)有限元模擬分析,研究了結(jié)構(gòu)在鋪軌階段的受力和位移變化情況,提出對(duì)重點(diǎn)構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng),保證施工階段在結(jié)構(gòu)上預(yù)留較大洞口時(shí)結(jié)構(gòu)自身的安全。

2 車站設(shè)計(jì)概況

青年路站位于朝陽(yáng)北路與青年路交叉口處,車站沿朝陽(yáng)北路南側(cè)東西向設(shè)置,采用地下兩層雙柱三跨的形式,車站主體長(zhǎng)約559 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬20.9 m,總高14.6 m,結(jié)構(gòu)底板埋深約18 m,頂板覆土厚約3.5 m,車站采用明挖順做法施工。青年路站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑800 mm、間距1 500 mm鉆孔灌注樁,設(shè)置3道直徑609 mm、壁厚16 mm的鋼支撐[4]；車站頂板厚800 mm,中板厚400 mm,底板厚900 mm,內(nèi)襯墻厚700 mm,待鋪軌完成后封堵頂板和中板預(yù)留洞口。

青年路站工程地質(zhì)概況詳見(jiàn)表1；地下水的賦存條件主要為基巖裂隙水和第四紀(jì)松散巖類孔隙水,第四紀(jì)松散巖類孔隙水又分為上層滯水、潛水和承壓水。鋪軌期間由于車站頂板、中板尚未封孔,基坑仍采用降水措施,不考慮地下水對(duì)車站結(jié)構(gòu)的影響[3]。

表1 土層參數(shù)1

3 軌排井整體計(jì)算及結(jié)果

3.1 整體建模

軌排井包含結(jié)構(gòu)構(gòu)件較多,主要有鉆孔灌注樁、側(cè)墻、梁、柱、板等,其受力具有典型的空間結(jié)構(gòu)性,采用MIDAS GEN(V7.1.2版本)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,整體計(jì)算選取軌排井向兩端各一跨進(jìn)行建模,車站地基采用文克爾地基模型,土體對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性反力用彈簧代替,彈簧剛度依據(jù)詳勘資料中的垂直基床系數(shù)和水平基床系數(shù)選?。粐o(hù)樁按等效剛度簡(jiǎn)化為連續(xù)墻后,與主體結(jié)構(gòu)之間采用只受壓的gap間隙單元連接；由于車站縱向剛度很大,在整體模型兩端對(duì)車站的縱向位移進(jìn)行了約束[8]；整體計(jì)算模型詳見(jiàn)圖1。

圖1 軌排井整體計(jì)算模型(圍護(hù)樁按等效剛度簡(jiǎn)化為連續(xù)墻)

3.2 荷載取值

對(duì)結(jié)構(gòu)有影響的荷載主要有：側(cè)向土壓力、地面超載、超載側(cè)壓力和車站頂板、中板的施工堆載[1]。

3.3 整體計(jì)算結(jié)果

(1)車站頂板、中板、側(cè)墻在水平方向位移計(jì)算結(jié)果(圖2～圖4)。

(2)車站頂板、中板、側(cè)墻內(nèi)力計(jì)算結(jié)果(圖5～圖7)。

圖2 頂板水平位移

圖3 中板水平位移

圖4 側(cè)墻水平位移

圖5 頂板內(nèi)力圖

圖6 中板內(nèi)力圖

圖7 側(cè)墻內(nèi)力圖

4 軌排井單元計(jì)算及結(jié)果

4.1 計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用荷載結(jié)構(gòu)模式,利用SAP2000結(jié)構(gòu)有限元程序進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算模型詳見(jiàn)圖8。

圖8 單元計(jì)算模型

圖9 單元計(jì)算構(gòu)件位移

圖10 單元計(jì)算構(gòu)件內(nèi)力

4.2 單元模型構(gòu)件變形及內(nèi)力(圖9～圖10)

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 整體計(jì)算與單元計(jì)算結(jié)果對(duì)比(表2)

表2 整體計(jì)算與單元計(jì)算結(jié)果對(duì)比

5.2 結(jié)果分析

(1)本階段由于車站主體結(jié)構(gòu)頂板、中板軌排井開(kāi)洞尺寸較大(30.4 m×8.2 m),板的平面內(nèi)剛度被大幅度減弱,開(kāi)洞部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大水平位移達(dá)到6.4 mm,側(cè)向土壓力和超載引起的側(cè)壓力由側(cè)墻、頂板、中板以及洞口周邊梁共同承擔(dān),必須對(duì)構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算及裂縫寬度驗(yàn)算。

(2)由于頂板和中板設(shè)置有軌排井開(kāi)洞,且施工階段頂板未覆土回填,沿車站豎向傳遞的荷載較小,本階段構(gòu)件承受的豎向彎矩和壓力較少,柱和縱梁的內(nèi)力值不能作為構(gòu)件設(shè)計(jì)的最終依據(jù),需要根據(jù)鋪軌結(jié)束后使用階段荷載值重新計(jì)算確定構(gòu)件配筋。

(3)軌排井整體模型計(jì)算結(jié)果略小于單元模型計(jì)算結(jié)果,其中位移計(jì)算結(jié)果單元計(jì)算是整體計(jì)算的1.2～1.6倍,內(nèi)力計(jì)算結(jié)果單元計(jì)算是整體計(jì)算的1.1～1.2倍,主要是由于整體建模分析考慮了梁、柱等構(gòu)件協(xié)同受力的結(jié)果,根據(jù)整體計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)可以節(jié)約大量投資,對(duì)于建設(shè)成本較高的地下結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

(4)由于柱的抗側(cè)移剛度很小,可以對(duì)板在平面內(nèi)位移提供的約束也很小。軌排井結(jié)構(gòu)分析時(shí)可單獨(dú)將板作為水平梁進(jìn)行考慮,側(cè)向土壓力和超載引起的側(cè)壓力等效為線性荷載施加于水平梁上,水平梁的跨度即為軌排井開(kāi)洞的長(zhǎng)度,梁高為側(cè)墻到軌排井開(kāi)洞處的板寬,側(cè)墻和縱梁作為水平梁的翼緣進(jìn)行配筋計(jì)算[2]。

(5)目前該車站軌排井已處于鋪軌階段(圖11),按照相同方法設(shè)計(jì)的天津地鐵某車站軌排井已經(jīng)完成封堵,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)與軌排井整體計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,二者較為吻合。

圖11 車站軌排井現(xiàn)狀

6 結(jié)語(yǔ)

(1)隨著我國(guó)地鐵建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展,車站土建結(jié)構(gòu)為設(shè)備、鋪軌等工序留設(shè)大的洞口待后期封堵的情況也會(huì)越來(lái)越多出現(xiàn),但目前進(jìn)行系統(tǒng)分析研究結(jié)構(gòu)大開(kāi)洞時(shí)的受力變形還比較少,因此進(jìn)行軌排井設(shè)計(jì)分析對(duì)今后類似工程有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

(2)地鐵圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要綜合考慮周邊的建、構(gòu)筑物、管線,還要結(jié)合地層特點(diǎn)制定最安全方便、經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)方案。

(3)要從概念上加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)的分析,本文采用空間整體模型和單元模型分別用不同的軟件對(duì)車站軌排井處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬分析與計(jì)算,得出了比較近似的結(jié)果,互相驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。但是2種計(jì)算對(duì)于開(kāi)洞后板在水平方向荷載作用下的內(nèi)力情況反映不明晰,需要根據(jù)對(duì)構(gòu)件受力的理解單獨(dú)對(duì)該位置的板進(jìn)行簡(jiǎn)化模擬和數(shù)值分析,保證所有構(gòu)件在施工階段和使用階段的安全性能。

軌排井處通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)自身構(gòu)件的加強(qiáng)避免了與外部環(huán)境的沖突,施工上簡(jiǎn)單便捷且易于保證質(zhì)量,對(duì)縮短地鐵建設(shè)周期有很大作用。

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