廣州軌道交通知識(shí)城線的軌排井結(jié)構(gòu)選型研究

耿鳴山

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司　廣東廣州　510010)

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廣州軌道交通知識(shí)城線的軌排井結(jié)構(gòu)選型研究

耿鳴山

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司廣東廣州510010)

在總結(jié)以往軌道交通線路軌排井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案類型及各自優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程籌劃及車站形式對(duì)廣州軌道交通知識(shí)城線軌排井的設(shè)置情況及結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；并根據(jù)三維模型計(jì)算對(duì)目前的方案進(jìn)行佐證。

軌排井；結(jié)構(gòu)選型 ；三維分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0　引言

地鐵施工過程中，在土建施工完成后，鋼軌需通過軌排井由地面吊入一定深度的隧道內(nèi)，鋼軌每節(jié)長度一般為25m，為滿足鋪軌施工需要，軌排井段通常在車站、隧道結(jié)構(gòu)上預(yù)留鋼軌下放洞口，單個(gè)洞口尺寸長約28～30m，寬約4～5m。

車站(軌排井)主體結(jié)構(gòu)一般為箱型框架結(jié)構(gòu)，軌排施工期間，樓板的軌排孔洞破壞了受力形式，側(cè)墻通常要設(shè)置水平受力構(gòu)件來抵抗水平荷載，需考慮預(yù)留受力構(gòu)件的空間。本文通過廣州知識(shí)城線簡要探討軌排井結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1　結(jié)構(gòu)形式分析

隨著地鐵工程的增多，軌排井的結(jié)構(gòu)形式也經(jīng)歷了一個(gè)演化過程，目前主要有以下4種：(1)圍護(hù)墻(樁)+錨索；(2)懸臂結(jié)構(gòu)方案；(3)桁架式懸臂結(jié)構(gòu)+剛腰梁方案；(4)剛腰梁方案。下面一一介紹各種方案的受力形式以及優(yōu)缺點(diǎn)[1]。

1.1圍護(hù)墻(樁)+錨索方案

由于軌排施工吊裝構(gòu)件的特殊要求，對(duì)軌排井段的支護(hù)形式有一定限制，不能采用內(nèi)支撐形式，通常采用錨索，多在地層較好的情況下采用[2]。

此方案存在以下局限性：(1)是否侵入地塊：如沒有明確禁用錨索，侵入地塊時(shí)，可采用可回收式錨索；(2)管線、建筑物基礎(chǔ)情況：周圍地塊埋置大量管線、建筑物基礎(chǔ)的情況下，錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)難以施工；(3)地質(zhì)水文情況：錨索施工技術(shù)適應(yīng)地層范圍為粘土等不透水地層或低水頭的砂層；在地下水豐富、砂層較厚，特別是存在粉砂層的情況下，施工錨索困難較大，易涌水涌砂，應(yīng)慎重考慮采用該支護(hù)形式。

1.2懸臂結(jié)構(gòu)方案

軌排施工階段，考慮側(cè)墻與圍護(hù)結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)側(cè)向荷載。考慮地層情況不一，根據(jù)計(jì)算，側(cè)墻底部厚度需達(dá)到1.5～2.0m，方可滿足裂縫控制要求，底板作為側(cè)墻的基礎(chǔ)，也需要做到大體同樣的厚度。

懸臂結(jié)構(gòu)方案的缺點(diǎn)在于采用這種結(jié)構(gòu)方案，側(cè)墻及底板均較厚，工程量較大。

1.3桁架式懸臂結(jié)構(gòu)+剛腰梁方案

在懸臂結(jié)構(gòu)方案的基礎(chǔ)上，將結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將墻體優(yōu)化為桁架式懸臂結(jié)構(gòu)，側(cè)墻采用正常厚度，每隔3～7m做一道肢墻，在中板及頂板位置上設(shè)置剛腰梁，由肢墻和剛腰梁共同承擔(dān)側(cè)向荷載[3]。

此種方案結(jié)構(gòu)尺寸較小，工程量較小，結(jié)構(gòu)布置較懸臂結(jié)構(gòu)方案有所優(yōu)化。

1.4剛腰梁方案

在桁架式懸臂結(jié)構(gòu)+剛腰梁方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，將頂板及中板處的腰梁尺寸做大到1.0m×4.0～5.0m，剛腰梁近似形成剛性支座，側(cè)墻上的側(cè)向荷載傳遞到底板、中腰梁及頂腰梁，腰梁上的荷載再向兩側(cè)傳遞到中板及頂板上。

桁架式懸臂結(jié)構(gòu)+剛腰梁方案結(jié)構(gòu)簡化，工程量小，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力明確。

廣州軌道交通知識(shí)城線的軌排井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于其實(shí)際情況，在以上4種結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。

2　知識(shí)城線軌排井優(yōu)化設(shè)計(jì)

廣州知識(shí)城線線路長21.9km，初期設(shè)置3座軌排井，分別位于新知區(qū)間明挖段、知識(shí)城站以及鎮(zhèn)鎮(zhèn)明挖區(qū)間。后期施工過程中，因工期原因，在旺村站增設(shè)一處軌排井(圖1)，此時(shí)旺村站圍護(hù)結(jié)構(gòu)已施工完畢進(jìn)行基坑開挖施工。新知區(qū)間、鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)間軌排井設(shè)置于出地面U形槽段，結(jié)構(gòu)處理較簡單，僅加強(qiáng)側(cè)墻結(jié)構(gòu)。下面以知識(shí)城站、旺村站軌排井為例，詳述對(duì)軌排井結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及在知識(shí)城線的應(yīng)用。

知識(shí)城站為地下兩層11m島式站臺(tái)車站，全長480.6m，標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7m，站內(nèi)設(shè)存車線(詳見圖2)；初步設(shè)計(jì)階段，考慮全線工籌、場地情況，將軌排井設(shè)置于知識(shí)城站?？紤]地區(qū)限制錨索使用及懸臂結(jié)構(gòu)工程量較大，結(jié)合本站特點(diǎn)，考慮采用第3、4種方案；如在正線段設(shè)置軌排井需結(jié)構(gòu)外擴(kuò)可采用剛腰梁+肢墻方案；將軌排井設(shè)置于存車線上方，可利用軌排孔兩側(cè)4.6m寬的板帶承受水平荷載，形成上節(jié)所述的剛腰梁方案。最終確定采用剛腰梁方案，軌排孔設(shè)置于存車線上方，大大節(jié)省了投資、工期，并降低了施工難度。

近幾年來，各地城市軌道交通項(xiàng)目如雨后春筍般涌現(xiàn)，這對(duì)建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工等各方在管理、技術(shù)上是一個(gè)重大考驗(yàn)。快速建設(shè)的同時(shí)，施工過程中不可避免地會(huì)對(duì)原有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，以滿足節(jié)點(diǎn)工期要求[3]。知識(shí)城線因前期交地、管線遷改等原因，全線施工進(jìn)度滯后，業(yè)主組織重排工籌，要求在旺村站增設(shè)一處軌排井，此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)已施工完畢，基坑正在開挖。經(jīng)各方研究討論，確定在7～11軸增設(shè)約4m×30m的軌排孔，設(shè)置于雙柱區(qū)域、渡線上方，僅增設(shè)孔邊梁、局部增加板厚、局部墻板梁加強(qiáng)配筋。土建費(fèi)用僅增加97萬元，如采用傳統(tǒng)方案需延長車站或破圍護(hù)結(jié)構(gòu)加寬車站，費(fèi)用預(yù)估增加1 000萬元。

從知識(shí)城線軌排井的設(shè)計(jì)可以看出，在非標(biāo)準(zhǔn)車站，優(yōu)化軌排井位置，設(shè)置于配線區(qū)，兩側(cè)形成大塊的剛域，抵抗側(cè)向荷載，可按普通板開洞處理[4]。軌排井采用配線區(qū)方案的優(yōu)缺點(diǎn)：可減少車站規(guī)模，節(jié)省投資；軌排功效會(huì)有所降低，通過統(tǒng)籌考慮可以解決。

3　三維計(jì)算分析

本節(jié)以知識(shí)城站軌排井為例，模擬施工階段軌排井的荷載效應(yīng)，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。軌排開孔大小為28m×5m，對(duì)桁架式懸臂結(jié)構(gòu)+剛腰梁形式(簡稱方案1)與目前采用的剛腰梁形式(簡稱方案2)進(jìn)行對(duì)比。采用ABAQUS建模，柱采用C50混凝土，梁板采用C35混凝土，本構(gòu)關(guān)系根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010確定，特征值見表1。模型底部施加接地彈簧，模擬底部土體效應(yīng)，根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告基床建議值確定接地彈簧剛度為30MPa/m，同時(shí)在模型底板施加X及Z方向的固定約束，以控制這兩個(gè)方向的位移。單元類型采用C3D8I(非協(xié)調(diào)單元)。方案1構(gòu)件截面尺寸如下：頂腰梁1.0m×3.0m、中腰梁1.2m×3.0m、肢墻1.0m×3.0m；方案2構(gòu)件截面尺寸如下：頂腰梁0.8m×4.6m、中腰梁1.2m×4.6m。

表1　材料本構(gòu)關(guān)系表

圖3、4是方案1在鋪軌期間的變形云圖與應(yīng)力云圖，圖5、6是方案2在鋪軌期間的變形云圖與應(yīng)力云圖。通過云圖可以看出，方案1水平變形在頂腰梁

跨中達(dá)到最大約11.5mm，肢墻在地下二層承受部分側(cè)向荷載，在地下一層基本不起作用；中腰梁及頂腰梁起剛性支撐作用，分擔(dān)較大荷載[1]。方案2加大剛腰梁截面，取消肢墻，讓剛腰梁的剛性支撐作用充分發(fā)揮，變形云圖下移，最大水平變形發(fā)生在中腰梁跨中上側(cè)附近，達(dá)4.6mm，結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力趨于明確合理。

4　結(jié)論

綜上所述，筆者認(rèn)為在地鐵新線的建設(shè)初期，應(yīng)結(jié)合全線工籌、場地情況，優(yōu)先考慮在帶有配線的車站設(shè)置軌排井，將軌排孔設(shè)于配線區(qū)，形成大塊剛域以抵抗側(cè)向荷載，可減小車站規(guī)模，節(jié)省投資、縮短工期，并降低施工難度。

[1]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(04):79-82.

[2]劉貴鳳,彭小林,陳巨武.地鐵隧道軌排井支護(hù)施工[J].廣東土木與建筑.2007(07):37-39.

[3]劉巖.地鐵明挖區(qū)間增設(shè)軌排井設(shè)計(jì)方案[J].鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì).2010(4):34-36.

[4]惠麗萍,王良.地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題[J].中國城市軌道交通.2004(06):179-184.

Study on selection of track panel well structure of Guangzhou rail transit line of knowledge city

GENGMingshan

(Guangzhou Metro Design and Research Institute Co. , Ltd., Guangzhou 510010)

This article summarizes the former structural designs and the advantages and disadvantages of each design for track panel well in rail transit system. Combining with the engineering planning and station form of Guangzhou Knowledge City line, this paper presents a optimized structural design of track panel well and provides a numerical study for this design. It is believed that this numerical study can provide a solid scientific basis for the design and construction of this line.

Track panel well; Structure selection; Three-dimensional analysis; Optimization design

耿鳴山(1984．02-)，男，工程師。

E-mail:250568034@qq.com

2016-04-05

U213.2

A

1004-6135(2016)06-0123-03