地下車(chē)站軌排孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

魏偉

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(guó)內(nèi)城市軌道交通進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)階段，軌道交通建設(shè)線路也越來(lái)越長(zhǎng)，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(chē)站也不斷增多，軌排孔的結(jié)構(gòu)計(jì)算已成為地下車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

針對(duì)軌排孔的車(chē)站結(jié)構(gòu)受力與計(jì)算，國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)了一些工程實(shí)踐與研究。胡云峰［1］結(jié)合實(shí)際工程論述了地鐵車(chē)站在圍護(hù)結(jié)構(gòu)已實(shí)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(chē)站工程，在基坑已開(kāi)挖到底的情況下，增設(shè)軌排孔時(shí)面臨的制約因素和難點(diǎn)，給出了解決問(wèn)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(yùn)營(yíng)線路軌排孔現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)置軌排孔的車(chē)站位置、車(chē)站型式、車(chē)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(jìn)行了分析和總結(jié)。孫璕、何肖健［4］對(duì)雙柱車(chē)站軌排孔的設(shè)置位置及結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行了研究。朱桔妹［5］在超長(zhǎng)地鐵車(chē)站的設(shè)計(jì)中也對(duì)軌排孔的結(jié)構(gòu)措施進(jìn)行了一定的研究。熊永華等［6］對(duì)軌排井的圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。

文中依托上海市軌道交通15號(hào)線某地下車(chē)站工程，結(jié)合該項(xiàng)目實(shí)際地質(zhì)情況及車(chē)站軌排孔的排布方案，對(duì)該車(chē)站軌排孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和分析，給出了軌排孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)及主要的構(gòu)造措施和處理方法。為類(lèi)似地下車(chē)站軌排孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算及工程設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

1 工程概況

上海軌道交通15號(hào)線某地下車(chē)站為小交路折返站，設(shè)一條折返線。車(chē)站為地下2層一島（寬10m）一側(cè)（寬6m）車(chē)站，車(chē)站規(guī)模為419.9m×27.96m（內(nèi)凈），車(chē)站標(biāo)準(zhǔn)段為雙柱三跨段，站中心處開(kāi)挖深度約16.7m，頂板埋深約3.2m，端頭井開(kāi)挖深度約為19.5m，車(chē)站主體圍護(hù)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(jì)，明挖順作法施工。根據(jù)工程總體及進(jìn)度籌劃要求，車(chē)站設(shè)置軌排孔，軌排孔大小為29m（長(zhǎng)）×7m（寬），最初設(shè)置在車(chē)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(jiàn)圖1。

圖1 車(chē)站總平

車(chē)站開(kāi)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(chǎng)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(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層力學(xué)參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軌排孔存在于車(chē)站施工期，此時(shí)頂板和中板大開(kāi)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(jì)中將軌排孔邊頂板和中板加厚，以作為側(cè)墻約束的加強(qiáng)，孔邊板按薄壁梁計(jì)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(diǎn)對(duì)施工期軌排孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算。

2.2 二維框架分析計(jì)算

采用通用有限元軟件ROBOT對(duì)軌排孔處斷面建立二維平面框架計(jì)算模型，考慮縱梁的約束，對(duì)頂、中板開(kāi)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(duì)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(duì)應(yīng)地層參數(shù)輸入，二維計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

圖4 二維有限元模型

為降低工程風(fēng)險(xiǎn)確保施工安全，車(chē)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(wú)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(gè)車(chē)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(duì)于其他工程如果場(chǎng)地受限，頂板在軌排施工前需先行覆土的車(chē)站，軌排施工時(shí)頂板還需要承受豎向的覆土和地面施工期超載，此時(shí)頂板受力也需特別注意。為對(duì)比分析軌排孔開(kāi)孔的影響，對(duì)同期施工但未開(kāi)孔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：

圖5 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)斷面和圖6軌排開(kāi)孔斷面的內(nèi)力圖對(duì)比分析可以看出，軌排開(kāi)孔斷面水平剛度削弱較為明顯，對(duì)側(cè)墻受力有較大影響，從內(nèi)力圖變化趨勢(shì)可以分析出，頂、中板對(duì)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(jì)需加強(qiáng)處理。

對(duì)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(jìn)行加載計(jì)算。但由于二維框架無(wú)法考慮平面外的剛度，因此二維計(jì)算所得軸力值會(huì)偏大，而薄壁梁跨度較大，直接加載計(jì)算所得薄壁梁的內(nèi)力大，不符合實(shí)際情況，故孔邊薄壁梁的計(jì)算未采用此結(jié)果進(jìn)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(jì)算

鑒于二維平面框架計(jì)算中各層板采用梁?jiǎn)卧?，無(wú)法考慮平面剛度，造成內(nèi)力值過(guò)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(kāi)孔應(yīng)力集中的情況均無(wú)法考慮，故需采用三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算分。三維計(jì)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(yīng)，建模時(shí)將相鄰跨一并建入，具體的三維模型及內(nèi)力計(jì)算值見(jiàn)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(jì)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(guò)來(lái)的水土壓力，其內(nèi)力值很大，頂板處薄壁梁的彎矩值達(dá)到57511kN·m，中板處薄壁梁的彎矩值達(dá)到110802kN·m。因薄壁梁高較高，設(shè)計(jì)中結(jié)合中性點(diǎn)（剪力零點(diǎn)）的位置見(jiàn)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(diǎn)分布

圖13 中板處中性點(diǎn)分布

從圖14三維計(jì)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(shì)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(jì)算分析及設(shè)計(jì)加強(qiáng)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(jìn)行計(jì)算分析及配筋，同時(shí)結(jié)合中性點(diǎn)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(dāng)減小，使得結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)做到安全、經(jīng)濟(jì)、合理。

（2） 頂板軌排孔開(kāi)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(jì)時(shí)另在孔邊（車(chē)站橫向）布置橫向支撐柱作為薄壁梁的加強(qiáng)支座；對(duì)中板軌排孔開(kāi)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(jì)算時(shí)需對(duì)支座鋼筋進(jìn)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(kāi)孔，若此范圍內(nèi)運(yùn)營(yíng)期需布置較大的樓扶梯孔洞，也應(yīng)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(kāi)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(huì)有側(cè)移，因此軌排孔范圍內(nèi)框架柱進(jìn)行截面及配筋加強(qiáng)設(shè)計(jì)。但孔邊立柱的內(nèi)力和配筋增加幅度有限，故對(duì)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(yù)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(chē)站為全線第一批開(kāi)工的車(chē)站，軌排孔結(jié)構(gòu)施工完畢后要等待較長(zhǎng)時(shí)間才供鋪軌使用，在軌排孔內(nèi)設(shè)置臨時(shí)鋼支撐，增大水平剛度，待軌排孔啟用時(shí)拆除。

3 結(jié)語(yǔ)

車(chē)站軌排孔結(jié)構(gòu)按上述計(jì)算進(jìn)行分析并設(shè)計(jì)，目前已施工完畢并順利通車(chē)，施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常，未出現(xiàn)任何問(wèn)題。車(chē)站軌排孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法及構(gòu)造加強(qiáng)措施可為類(lèi)似工程的軌排孔結(jié)構(gòu)法設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考，主要設(shè)計(jì)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(jìn)行分析計(jì)算，薄壁梁承受的內(nèi)力較大，可根據(jù)三維計(jì)算結(jié)果中孔邊板的中性點(diǎn)分布，分區(qū)合理的進(jìn)行鋼筋布置；計(jì)算時(shí)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(biāo)準(zhǔn)段大，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重視。

（3） 通過(guò)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(shí)鋼支撐等結(jié)構(gòu)措施保證結(jié)構(gòu)的耐久性。