軌排井與盾構(gòu)始發(fā)井合建的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

蔣國亮

（廣東省建科建筑設(shè)計院有限公司 廣東廣州 510000）

1 引言

隨著地鐵建設(shè)速度的加快，建設(shè)的各個環(huán)節(jié)工期都非常緊張，特別是軌道鋪設(shè)施工這個環(huán)節(jié)，該施工環(huán)節(jié)是在土建施工結(jié)束后以及線路通車之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一個地鐵工程的軌道鋪設(shè)施工根據(jù)線路長度需要在全線布置3～5個軌排地基，其中在地下線路中間一般設(shè)置軌排井用于軌排施工，當(dāng)車站建設(shè)用地較大時，軌排井可以與車站合并設(shè)置，而車站端部一般都設(shè)置盾構(gòu)始發(fā)井或者盾構(gòu)接收井，因而會出現(xiàn)軌排井與盾構(gòu)始發(fā)井或盾構(gòu)接收井合建的情況。針對該問題，本文介紹地下車站軌排井與盾構(gòu)始發(fā)井合建的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析及其如何進(jìn)行工況轉(zhuǎn)換。

2 工程概況

馬鞍山公園站呈一字型設(shè)置于迎賓大道下方，馬鞍山公園北側(cè)。車站有效站臺中心里程為YDK11+305.00，車站起點里程為YDK11+165.530/ZDK11+165.556，車站終點里程兼軌排起點里程為YDK11+393.00，軌排終點里程為YDK11+425.30，車站外包總長為259.70m，標(biāo)準(zhǔn)段寬18.70m，站臺中心里程處頂板埋深為2.550m。本站為盾構(gòu)始發(fā)站，站后接軌排兼盾構(gòu)始發(fā)井。

擬建車站中心里程處底板底埋深約為16.2m，地基持力層主要為＜3-3＞礫砂層和微風(fēng)化灰?guī)r，礫砂層地基承載力為250kPa，可以作為天然地基使用。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 設(shè)計條件

軌排井及盾構(gòu)始發(fā)井位于車站末端，通過分隔墻與車站功能用房區(qū)隔離，其功能僅限與軌道鋪設(shè)及盾構(gòu)始發(fā)，在軌道鋪設(shè)及盾構(gòu)始發(fā)施工結(jié)束后封堵頂板，施作防水層及頂板以上覆土回填。

車站末端在左、右線路分別設(shè)置一個5.5m×30m的軌排工作井，同時在左、右線路分別設(shè)置一個7.5m×11.5m的盾構(gòu)始發(fā)井，軌排井與盾構(gòu)始發(fā)井在端部對齊，由于孔洞凈寬尺寸要求不同，形成了一個變截面的工作井。詳見圖1。在盾構(gòu)始發(fā)井范圍，盾構(gòu)井外邊3.5m有較多基礎(chǔ)較差的民房，無多余空間調(diào)整結(jié)構(gòu)外輪廓，只能在有限的空間內(nèi)通過結(jié)構(gòu)合理設(shè)計滿足功能需求，因而盾構(gòu)始發(fā)井邊與結(jié)構(gòu)側(cè)墻外邊距離僅1.6m，該寬度的環(huán)梁無法滿足30m長軌排井的側(cè)向抗水土壓力的能力，而加大結(jié)構(gòu)外輪廓尺寸將較大地增加造價，故需要在此范圍內(nèi)完成該結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

圖1 軌排井及盾構(gòu)始發(fā)井平面圖

結(jié)構(gòu)計算時，地面活荷載一般按20kN/m2計，盾構(gòu)始發(fā)端端頭墻由于盾構(gòu)拼裝引起的臨時地面超載按70kN/m2考慮。車站頂板由于設(shè)置龍門吊及堆放管片引起的臨時地面超載按35kN/m2考慮。

3.2 結(jié)構(gòu)特點

從結(jié)構(gòu)功能上看，軌排井為整體框架結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用midas Civil進(jìn)行整體模型計算，采用梁、板單元進(jìn)行建模，側(cè)土壓力及水壓力以梯形線荷載的形式作用于周邊的圍護(hù)結(jié)構(gòu)上。結(jié)構(gòu)與周圍土體之間的相互作用采用接地彈簧模擬。計算時分別用水平彈簧來模擬土體對底板水平位移和垂直位移的約束作用，彈簧只能受壓，所有受拉應(yīng)力作用的彈簧在計算中應(yīng)予以拆除，直至全部彈簧單元受壓，且注意彈簧的計算反力不應(yīng)大于地基的承載力。

結(jié)構(gòu)的計算模式，應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)的實際工作情況，并反映結(jié)構(gòu)與周圍地層的相互作用；圍護(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)襯墻靠在一起但不連接，形成復(fù)合式地下墻，中間夾防水層，兩者之間傳遞壓力，但不能傳遞剪力、拉力和彎距。

車站抗震按Ⅶ度設(shè)防。結(jié)構(gòu)按核6級抗力等級的人防荷載進(jìn)行強(qiáng)度驗算，并做到抗力協(xié)調(diào)。根據(jù)實際計算，地震組合及人防組合不是車站主體結(jié)構(gòu)的控制性組合，故以下只針對車站在施工階段和使用階段中的荷載針對基本組合和標(biāo)準(zhǔn)組合按承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩種情況進(jìn)行計算分析。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

經(jīng)研究分析，在盾構(gòu)始發(fā)井使用期間軌排井暫不需要使用，軌排井范圍暫不需要5.5m×30m的凈空要求，因此，可在盾構(gòu)始發(fā)期間在盾構(gòu)始發(fā)井靠車站一端設(shè)置一根鋼筋混凝土支撐，該支撐在盾構(gòu)始發(fā)施工結(jié)束并完成盾構(gòu)井范圍的框梁及框柱封堵施工后拆除，故本結(jié)構(gòu)需要按盾構(gòu)始發(fā)井封堵前后兩個工況進(jìn)行計算分析，結(jié)構(gòu)分析比較如下。

3.3.1 盾構(gòu)始發(fā)井封堵前結(jié)構(gòu)工況分析

在盾構(gòu)始發(fā)井使用期間，在盾構(gòu)始發(fā)期間在盾構(gòu)始發(fā)井靠車站一端設(shè)置一根尺寸為1m×0.8m的鋼筋混凝土支撐，把30m長軌排井的洞口分割成一個長18.5m和長11.5m的洞口，其中長11.5m的洞口寬7.5m，滿足盾構(gòu)始發(fā)的要求。該洞口采用框架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主要由1.6m寬水平環(huán)梁和豎向框柱組成，并沿基坑周邊設(shè)置0.7m厚的側(cè)墻，側(cè)墻外側(cè)為0.8m厚的地下連續(xù)墻，側(cè)土壓力及水壓力以梯形線荷載的形式作用于地下連續(xù)墻上，然后傳遞給由水平環(huán)梁、豎向框柱及側(cè)墻組成框架結(jié)構(gòu)上，地下連續(xù)墻與該框架結(jié)構(gòu)共同受力，該結(jié)構(gòu)形式與常規(guī)單獨設(shè)置的盾構(gòu)始發(fā)井類似。由于該工況時水平環(huán)梁跨度大大減少，1.6m寬的環(huán)梁已滿足受力要求，不必因為要設(shè)置30m長的軌排井而加大盾構(gòu)井范圍的環(huán)梁寬度。

盾構(gòu)始發(fā)井的環(huán)梁及框柱需要預(yù)留后澆范圍的鋼筋接駁器，用于在盾構(gòu)始發(fā)施工完畢后，該盾構(gòu)工作井轉(zhuǎn)換成軌排井而需要加大環(huán)梁及框柱尺寸，詳見圖1。

該工況的盾構(gòu)始發(fā)井結(jié)構(gòu)受力較簡單，環(huán)梁與框柱的受力較小，與一般僅設(shè)置盾構(gòu)始發(fā)井時的相近。

3.3.2 盾構(gòu)始發(fā)井封堵后結(jié)構(gòu)工況分析

在盾構(gòu)始發(fā)施工后，利用在盾構(gòu)始發(fā)井范圍的環(huán)梁和框柱上預(yù)留的鋼筋接駁器，把該范圍的環(huán)梁及框柱截面由1.6m寬加大至3.6m寬，與軌排井其他范圍的環(huán)梁及框柱寬度一致，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后，鑿除軌排井洞口中間的鋼筋混凝土支撐，使其形成一個5.5m×30m的標(biāo)準(zhǔn)軌排井，滿足軌排施工的要求。該洞口采用框架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主要由3.6m寬水平環(huán)梁和豎向框柱組成，并沿基坑周邊設(shè)置0.7m厚的側(cè)墻，側(cè)墻外側(cè)為0.8m厚的地下連續(xù)墻，該結(jié)構(gòu)形式與常規(guī)單獨設(shè)置的軌排井類似，詳見圖2。

圖2 軌排井整體模型實體

3.4 軌排井及盾構(gòu)始發(fā)井結(jié)構(gòu)計算

軌排井及盾構(gòu)始發(fā)井采用Midas Civil軟件，以梁單元模擬環(huán)梁及框柱，用水平彈簧來模擬土體對底板水平位移和垂直位移的約束作用，彈簧只能受壓，力求真實反映結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)。對軌排井及盾構(gòu)始發(fā)井結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體的空間分析，使得模型能反映軌排井及盾構(gòu)始發(fā)井整體的協(xié)同作用。

荷載方面，考慮軌排井及盾構(gòu)始發(fā)井應(yīng)有的各種的恒載、活載、地震荷載和人防荷載，通過荷載組合計算比較，取荷載作用較大的組合進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析。

經(jīng)計算，可直接得出軌排井及盾構(gòu)始發(fā)井的各種應(yīng)力狀況及變形，如圖3，從而直接判斷軌排井及盾構(gòu)始發(fā)井在各種荷載組合下的工作狀態(tài)及控制指標(biāo)，也可得出各結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各種荷載組合下的內(nèi)力及變形。而水平環(huán)梁無疑是承擔(dān)軌排井及盾構(gòu)始發(fā)井各種荷載的主要受力構(gòu)件，構(gòu)件內(nèi)力詳見表1。

圖3 軌排井整體模型彎矩

表1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果統(tǒng)計表（軌排井梁柱）

4 軌排井及盾構(gòu)始發(fā)井結(jié)構(gòu)施工注意事項

（1）用于工況轉(zhuǎn)換的鋼筋混凝土支撐必須在盾構(gòu)始發(fā)井范圍的環(huán)梁及框柱后澆施工后方可鑿除，必須向施工管理人員交底清楚。

（2）軌排井頂板封堵的材料為微膨脹C35P8混凝土，注意控制混凝土的入模溫度，盡量避免在室外溫度較高的時候澆筑混凝土，并需要加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，建議采用麻布覆蓋或者蓄水的方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

（3）盡管采用多種措施，后澆的鋼筋混凝土頂板一般仍會出現(xiàn)裂縫，裂縫以橫向裂縫為主，該裂縫的出現(xiàn)會導(dǎo)致頂板有滲漏水到軌行區(qū)，必須對裂縫進(jìn)行處理，可采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封堵。

5 結(jié)論

本工程的軌排井及盾構(gòu)始發(fā)井合建方案具有結(jié)構(gòu)合理、節(jié)省空間，節(jié)約投資等優(yōu)點，且對周邊環(huán)境的影響較小，可為其他同類形工程提供一個經(jīng)驗借鑒。

[1]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001）.

[2]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001）.

[3]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）.

[4]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》（TB10002.1-2005）.