軌道交通地下車站直徑盾構(gòu)端頭井結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

何瑞

摘要：軌道交通地下車站盾構(gòu)井結(jié)構(gòu)設(shè)計因其存在受力復(fù)雜、跨度大、凈空高、計算難等特點，給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來一定困難。本文針對盾構(gòu)井結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過二維和三維對比計算，從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度提出地下車站盾構(gòu)井結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需注意的問題和建議。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通；地下車站；結(jié)構(gòu)設(shè)計；大直徑盾構(gòu)

前言

城市軌道交通作為一種高效、快速、環(huán)境友好的交通方式和理念，正日益成為密切區(qū)域內(nèi)部聯(lián)系、提高區(qū)域可達(dá)性和合理配置區(qū)域內(nèi)各資源的關(guān)鍵因素。城市軌道交通大多位于市區(qū)，區(qū)間盾構(gòu)井設(shè)置在車站端頭，使車站盾構(gòu)端頭具有其特殊性，不僅跨度大、凈空高，且受力復(fù)雜，常存在截面過大，配筋過多的情況。因此如何對盾構(gòu)端頭井結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計成為一個新熱點問題。本文對地下二層站盾構(gòu)井利用miadas空間模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析，據(jù)計算結(jié)果提出自己的一些看法。

1工程概況

擬建車站主體為地下兩層三跨鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)。車站東端設(shè)盾構(gòu)吊裝井，車站采用明挖法施工。所處地層由上至下主要為填土層、黏土層和巖層，基底主要位于巖層。地下水較發(fā)育，主要為孔隙潛水和基巖裂隙水。結(jié)構(gòu)尺寸及材料有：頂板厚度800mm，中板厚度400mm，底板厚度1200mm，側(cè)墻厚度1000mm；

框架柱尺寸選用（單位：mm）：側(cè)墻扶壁為1200*1200；24、25軸為1000*1200；標(biāo)準(zhǔn)段為800*1200。

邊框梁尺寸選用（單位：mm）：1400*2400。

混凝土：頂板、底板、側(cè)墻和梁為C35混凝土；框架柱為C50混凝土。

2三維計算原理及方法

采用MIDAS/Gen軟件對本車站盾構(gòu)端建立局部三維模型。采用梁單元模擬梁、柱、樁；板單元模擬側(cè)墻和樓板，邊界采用受壓彈簧單元模擬，與主體相接部分采用法向約束。梁、板單元截面特性及材料按結(jié)構(gòu)實際取值，節(jié)點位置取結(jié)構(gòu)中心點。在進(jìn)行有限元分析時梁、板單元間通過相同節(jié)點相連，達(dá)到共同變形受力效果。作用在結(jié)構(gòu)上外荷載和內(nèi)力都通過節(jié)點進(jìn)行傳遞，所以在計算中就要將作用在單元間的荷載，無論是分布荷載或是集中荷載都應(yīng)按靜力等效原則（即節(jié)點荷載所做虛功應(yīng)等于單元上荷載所做虛功）置換成作用在單元節(jié)點上荷載（等效節(jié)點荷載）。土體與板間采用受壓彈簧模擬。本文分別按施工階段（吊裝、出土階段）、使用階段（正常運營階段）共兩種工況進(jìn)行計算分析。

3二維計算原理及方法

采用sap84進(jìn)行計算，將盾構(gòu)井洞口縱梁彎曲剛度轉(zhuǎn)化為該點處等效彈性支點剛度，建立簡化平面應(yīng)變模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于邊框梁等效出來的支點剛度與其跨度方向位置有關(guān)，計算模型取盾構(gòu)井邊框梁支座、跨中、l/4和3/4處四個斷面進(jìn)行計算，據(jù)各斷面計算得到的板軸力來計算邊框梁彎矩和剪力，其中邊框梁荷載采用折線荷載簡化模擬。計算模型中對盾構(gòu)開孔未封閉工況下，取軸對稱模型。在對稱軸處節(jié)點施加滾動支座，不限制其豎向位移。假設(shè)邊框梁兩端為完全固支，在均布荷載作用下，受力模型如下圖所示：

邊框梁梁假設(shè)模型

則縱梁x點處彈性支點剛度K值為：

4結(jié)果分析

4.1整體模型位移結(jié)果

從圖中結(jié)果得：施工階段該范圍內(nèi)端頭井Y向最大位移14mm；使用階段最大位移7mm。位移滿足相關(guān)規(guī)范要求。使用階段端頭井端墻和側(cè)墻位移偏小，是因封閉了頂板和中板盾構(gòu)吊裝孔使結(jié)構(gòu)整體性增強緣故。

圖1施工階段準(zhǔn)永久組合Y向位移 圖2使用階段準(zhǔn)永久組合Y向位移

4.2二維模型內(nèi)力計算結(jié)果

盾構(gòu)井封閉時二維計算結(jié)果如下所示：

圖3斷面計算基本組合彎矩圖 圖4斷面計算標(biāo)準(zhǔn)組合彎矩圖

邊框梁二維計算結(jié)果如下所示：

5二維、三維計算結(jié)果對比分析及結(jié)論

（1）對比二維和三維邊框梁彎矩計算結(jié)果可以，對頂板邊框梁，二維與三維計算結(jié)果都較小，內(nèi)力和配筋結(jié)果相差不大。

（2）三維計算時側(cè)墻取中心線位置，而邊框梁寬度2.4m，側(cè)墻寬度1m，三維計算時程序會自動增加邊框梁跨度，增加跨度為2.3m-0.5m=1.9m。為得到邊框梁支座處彎矩真實值，對支座進(jìn)行消峰時需考慮支座有效寬度。另外可通過施加梁端剛域來模擬支座影響，同樣也能得到梁端支座處彎矩真實值。

（3）三維計算結(jié)果支座彎矩消峰后跨中彎矩要比支座彎矩大，計算配筋時梁跨中受彎配筋可考慮按T形截面配筋，可有效減小鋼筋面積。建議邊框梁設(shè)計時，合理考慮各方面的影響，對梁跨中和支座配筋進(jìn)行調(diào)整。

（4）由于二維計算中，側(cè)墻、底板按單向板處理，而構(gòu)件實際受力為雙向支撐雙向板，計算得到內(nèi)力值比三維計算偏大。且二維計算無法得到側(cè)墻、底板另一個方向彎矩，設(shè)計時也易忽略該方向彎矩而簡單設(shè)置分布鋼筋，造成結(jié)構(gòu)不安全。建議對端頭井邊框梁、側(cè)墻、底板內(nèi)力計算時采用三維模型分析并按結(jié)果進(jìn)行設(shè)計，以反應(yīng)構(gòu)件真實受力情況。

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