膨脹土地區(qū)地鐵車(chē)站軌排井設(shè)計(jì)與分析

田賀卿

膨脹土地區(qū)地鐵車(chē)站軌排井設(shè)計(jì)與分析

田賀卿

摘 要：地鐵車(chē)站軌排井通常情況下采用傳統(tǒng)的懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)+錨索等基坑支護(hù)方式，然而膨脹土地區(qū)的獨(dú)特巖土特性導(dǎo)致不能使用錨索，因而需要采用車(chē)站主體結(jié)構(gòu)承擔(dān)全部水、土荷載。文章通過(guò)對(duì)成都地鐵2號(hào)線保安村站軌排井設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整和有限元分析，提出膨脹土地區(qū)車(chē)站軌排井設(shè)計(jì)采用主體結(jié)構(gòu)受力方案，軌排井使用和監(jiān)測(cè)結(jié)果表明優(yōu)化調(diào)整后的軌排井滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵字：地鐵；膨脹土地區(qū)；車(chē)站軌排井；設(shè)計(jì)與分析

田賀卿：中鐵成都軌道交通設(shè)計(jì)院，工程師，四川成都 610031

1　工程概述

在地鐵建設(shè)后期，軌排均需通過(guò)軌排井由地面吊入隧道內(nèi)，每節(jié)軌排長(zhǎng)度為25 m，一般需要在車(chē)站、隧道結(jié)構(gòu)上預(yù)留軌排井吊裝軌排，單個(gè)軌排井洞口尺寸長(zhǎng)約30 m，寬約4.5 m。成都地鐵2號(hào)線東延伸線原有軌排基地均設(shè)置在區(qū)間U型槽敞口段，為滿足東延線全線通車(chē)要求，需要在保安村車(chē)站增設(shè)軌排井。保安村車(chē)站為地下2層島式站臺(tái)車(chē)站，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，車(chē)站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁+鋼管內(nèi)支撐支護(hù)體系，車(chē)站東端設(shè)置軌排井，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁+錨索支護(hù)體系。

保安村車(chē)站位于成都市東部臺(tái)地，根據(jù)鉆探揭示，地表多為雜填土和素填土，其下依次為黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂及泥巖。其中，黏土及全風(fēng)化泥巖屬于膨脹土，膨脹土具有遇水軟化、膨脹、崩解，失水開(kāi)裂、收縮的特點(diǎn)，屬特殊性巖土，車(chē)站基坑及主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需考慮膨脹土特殊屬性。車(chē)站場(chǎng)地地下水主要有上層滯水、黏土中的裂隙水、松散土層（粉土、細(xì)砂）的孔隙水以及基巖裂隙水。

2　車(chē)站軌排井設(shè)計(jì)

2.1車(chē)站軌排井原設(shè)計(jì)方案

車(chē)站軌排井原設(shè)計(jì)方案為圍護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)全部水平荷載的支護(hù)方案。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ1 200 mm間距2 000 mm鉆孔樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)體系?；由疃葹?7.6 m，豎向設(shè)置5道錨索，1樁1錨，設(shè)計(jì)傾角為15°，縱向設(shè)置雙拼I40a鋼圍檁，錨索錨固段錨固體鉆孔直徑為Φ300 mm，錨索自由段長(zhǎng)度7 m，錨固段長(zhǎng)度17 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)外放550 mm以滿足錨索所需空間，外放空間采用頁(yè)巖實(shí)心磚回筑。基坑采用基坑外管井降水結(jié)合坑內(nèi)明排水降水。本方案的主要優(yōu)勢(shì)是車(chē)站主體結(jié)構(gòu)所需承受的土壓力均由圍護(hù)樁及錨索承擔(dān)，車(chē)站主體結(jié)構(gòu)受力不受軌排井開(kāi)洞影響，不需要采取特殊結(jié)構(gòu)措施（圖1）。

2.2車(chē)站軌排井設(shè)計(jì)方案調(diào)整

車(chē)站于2012年3月開(kāi)始進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工，圍護(hù)樁施工順利，基坑于4月份進(jìn)行開(kāi)挖，并準(zhǔn)備進(jìn)行錨索施工。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況及過(guò)程中外部條件的變化，發(fā)現(xiàn)軌排井施工存在以下3個(gè)問(wèn)題：①錨索試成孔中發(fā)現(xiàn)車(chē)站軌排井區(qū)域原為魚(yú)塘區(qū)域，回填土質(zhì)很差，不能作為錨索承載力地層；②車(chē)站軌排井與盾構(gòu)始發(fā)井結(jié)合設(shè)計(jì)，受盾構(gòu)始發(fā)工期影響，施工單位對(duì)此處采用了樁+鋼管內(nèi)支撐體系進(jìn)行施作；③成都市建設(shè)工程施工安全監(jiān)督站于2012年5 月31日下發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步強(qiáng)化我市深基坑施工安全管理的通知》，其中規(guī)定“（二）、處于膨脹土分布區(qū)域基坑，場(chǎng)地屬三級(jí)階地的，不得使用錨索（桿）作為基坑支護(hù)體系受力構(gòu)件?！币虼?，需對(duì)車(chē)站軌排井處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。

圖1　車(chē)站軌排井圍護(hù)結(jié)構(gòu)斷面圖 （單位：mm）

根據(jù)工程地質(zhì)情況及車(chē)站圍護(hù)樁已施作完畢的現(xiàn)狀，本文從車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)2個(gè)方面進(jìn)行研究分析，對(duì)車(chē)站軌排井設(shè)計(jì)方案做出調(diào)整。

2.2.1軌排井設(shè)計(jì)調(diào)整1（圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案）

針對(duì)目前車(chē)站圍護(hù)樁已經(jīng)施作完畢的現(xiàn)場(chǎng)情況，為滿足遠(yuǎn)期軌排井使用期間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力及變形控制的要求，需要在現(xiàn)有圍護(hù)樁外側(cè)增設(shè)圍護(hù)樁，采用雙排樁懸臂支護(hù)體系。本站基坑深度17.6 m，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)存在2個(gè)問(wèn)題：①原有圍護(hù)樁已施作完畢，嵌固深度較深淺，不滿足整體穩(wěn)定性要求；②懸臂支護(hù)體系樁頂位移太大，不滿足一級(jí)基坑變形控制要求。故，本次實(shí)施方案不采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案。

2.2.2軌排井設(shè)計(jì)調(diào)整2（主體結(jié)構(gòu)方案）

在圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案不能解決既有問(wèn)題的情況下，車(chē)站軌排井設(shè)計(jì)考慮采用主體結(jié)構(gòu)方案。為同時(shí)滿足軌排井（28 m×5 m）和盾構(gòu)始發(fā)井（11.5 m×7.5 m）凈空尺寸要求，二者需結(jié)合設(shè)置。根據(jù)受力要求以及外輪廓限制條件，擬定采用的環(huán)框梁結(jié)構(gòu)尺寸：第1道環(huán)框梁1，2 050 mm×800 mm，第1道環(huán)框梁2，3 900 mm×800 mm；第2道環(huán)框梁1，2 050 mm×800 mm，第2道環(huán)框梁2，3 900 mm×1 000 mm；第3道環(huán)框梁1，2 050 mm×1 000 mm，第3道環(huán)框梁2，3 900 mm× 1 000 mm；站臺(tái)層根據(jù)盾構(gòu)始發(fā)凈空要求不允許設(shè)置環(huán)框梁；站廳層中部設(shè)置第2道環(huán)框梁1、2，由于其侵入車(chē)站主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻內(nèi)部800 mm，因此，需在軌排井施作完畢后將其人工破除。在環(huán)框梁尺寸受限的情況下，為充分利用側(cè)墻的承載能力，設(shè)計(jì)中將側(cè)墻厚度由700 mm加厚至1 250 mm。車(chē)站軌排井布置圖詳見(jiàn)圖2。

圖2　車(chē)站軌排井主體結(jié)構(gòu)圖 （單位：mm）

3　車(chē)站軌排井有限元分析

計(jì)算采用MIDAS/GEN軟件進(jìn)行三維有限元整體建模，車(chē)站各層板、墻采用厚板單元進(jìn)行模擬，車(chē)站梁、柱采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬；土體對(duì)墻體（底板）水平位移和垂直位移的約束采用水平彈簧、豎向彈簧模擬，車(chē)站與土體之間的作用采用僅受壓彈簧進(jìn)行模擬，彈簧剛度=地基土基床系數(shù)×結(jié)構(gòu)單元面積，考慮膨脹土的弱化效應(yīng)對(duì)受壓彈簧剛度進(jìn)行折減；有限元模型共計(jì)4 968個(gè)單元，9 196個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元體按照1 m進(jìn)行網(wǎng)格劃分；膨脹土地區(qū)除一般水土壓力荷載外，還考慮膨脹土產(chǎn)生的膨脹力荷載。三維有限元模型見(jiàn)圖3。

對(duì)車(chē)站軌排井主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元分析，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4 ～9，根據(jù)圖4～9計(jì)算結(jié)果可知：第1道環(huán)框梁支座彎矩8 210 kN.m，跨中彎矩5 632 kN.m，支座剪力8 519 k N；第2道環(huán)框梁支座彎矩7 493 kN.m，跨中彎矩3 529 k N.m，支座剪力7 518 k N；第3道環(huán)框梁支座彎矩10 458 k N. m，跨中彎矩5 243 kN.m，支座剪力10 458 kN。軌排井側(cè)墻彎矩2 513 kN.m，剪力1 677 kN，軸力1 647 kN。沿車(chē)站橫向最大位移19.9 mm，沿車(chē)站縱向最大位移6 mm。車(chē)站軌排井主體結(jié)構(gòu)滿足受力、變形要求。

4　車(chē)站軌排井使用和檢測(cè)

車(chē)站軌排井主體結(jié)構(gòu)已于2012年12月施作完畢（圖10），為盾構(gòu)始發(fā)提供了條件。施工過(guò)程中及軌排井孔洞使用期間對(duì)軌排井環(huán)框梁受力及撓度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)論及建議

(1）車(chē)站軌排井在膨脹土地區(qū)受到地質(zhì)條件的限制，采用錨索結(jié)構(gòu)從施工角度及工程安全角度存在較大風(fēng)險(xiǎn)，建議通過(guò)車(chē)站主體結(jié)構(gòu)設(shè)置環(huán)框梁形式來(lái)滿足承載力要求。

圖3　車(chē)站軌排井三維有限元模型

圖4　車(chē)站軌排井環(huán)框梁彎矩云圖（單位：kN.m）　

圖5　車(chē)站軌排井環(huán)框梁剪力云圖（單位：kN）

圖6　車(chē)站軌排井板、墻彎矩云圖（單位：kN.m）

圖7　車(chē)站軌排井板、墻主軸力云圖（單位：kN）

圖8　車(chē)站軌排井板、墻剪力云圖（單位：kN）　

圖9　車(chē)站軌排井位移云圖（單位：mm）

圖10　軌排井結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)照片

(2）本站采用的環(huán)框梁支護(hù)形式受到已完成車(chē)站圍護(hù)樁的限制，車(chē)站主體結(jié)構(gòu)無(wú)法外放，部分環(huán)框梁已侵入主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間，后期需要鑿除，施工難度較大，建議采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)同時(shí)外放，避免后期鑿除。

參考文獻(xiàn)

[1] 施仲衡, 張彌, 宋敏華, 等，地下鐵道設(shè)計(jì)與施工[M]. 陜西西安:山西科學(xué)技術(shù)出版社, 2006.

[2] JGJ 120-2012 建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S]. 北京: 中國(guó)建筑工程出版社, 1999.

[3] 張昆. 地鐵軌排井段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J]. 都市快軌交通, 2012(4).

[4] 熊永華, 楊衛(wèi)星, 顏勇. 某地鐵車(chē)站軌排井圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 2009(9).

責(zé)任編輯 朱開(kāi)明

Design and Analysis of Track Panel Well at Metro Station in Bentonite Area

Tian Heqing

Abstract:Metro station track panel wells usually adopt traditional cantilever retaining structure, the enclosure structure and cable and other foundation pit support. However due to the geotechnical properties of bentonite area, cable cannot be used, and thus it requires the use of station main body structure to bear total load of water and soil. This paper makes optimization adjustment and finite element analysis on the track panel well design at Baoanchun station of Chengdu metro line 2, and puts forward the scheme for track panel well design by using the force of station main body structure in the bentonite area. The use of track panel wells and the monitoring results show that track panel well meets design requirements after optimization and adjustment.

Keywords:metro, bentonite area, station track panel well, design and analysis

收稿日期2014-09-17

中圖分類(lèi)號(hào)：TU921