地鐵車站端頭井及軌排井受力計算與分析

吳毓超，梁旭燕

（宏潤建設(shè)集團股份有限公司宏潤建設(shè)設(shè)計研究院，上海 201200）

近年來，中國各大城市都在發(fā)展地鐵建設(shè)。在地鐵車站中，盾構(gòu)端頭井的中板及頂板一般會設(shè)置8 m×11 m的盾構(gòu)吊裝孔，而軌排井范圍的中板及頂板一般會設(shè)置5 m×28 m的鋪軌孔，這類大孔洞附近板墻的受力計算往往是車站結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的重點與難點。

文章以海寧市某車站為分析對象，比較分析端頭井及軌排井的二維建模計算與三維建模計算結(jié)果。

1 工程概況

海寧市某地鐵車站位于某交叉路口，呈東西向布置。路口東北側(cè)為在建別墅區(qū)，西北側(cè)為別墅小區(qū)，東南側(cè)為在建樓盤，西南側(cè)為某教育園區(qū)。車站小里程端設(shè)置盾構(gòu)始發(fā)井，大里程端按照遠期規(guī)劃設(shè)置盾構(gòu)接收井，端頭井處左右線均設(shè)置8 m×11.4 m盾構(gòu)吊裝孔，底板深17.7～18.6 m，頂板覆土2.9～4.2 m。在車站東段35-39軸附近設(shè)置8.5 m×28 m的鋪軌孔（左右線合設(shè)），結(jié)構(gòu)斷面為地下兩層單柱雙跨結(jié)構(gòu)，位于中軸處的框架柱與鋪軌臨時軌道沖突，需待鋪軌施工完成后與頂、中板鋪軌孔同期后澆，在孔邊布置橫框梁，并設(shè)置10根臨時格構(gòu)柱作為施工期橫框梁豎向支撐，鋪軌施工完成后割除回收，此處結(jié)構(gòu)外包寬度為19.7 m，底板埋深16 m，頂板覆土約3 m。

該站土層主要為軟弱土層：黏土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土，坑底位于⑥黏土層。本工程永久性抗浮設(shè)防水位為地表以下0.5 m。

2 設(shè)計原則與設(shè)計荷載

2.1 設(shè)計原則

車站主體結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件設(shè)計使用年限為100年，構(gòu)件的安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。

車站結(jié)構(gòu)設(shè)計需進行抗浮穩(wěn)定驗算，抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)施工期不小于1.05，使用期不小于1.1。

最大計算裂縫寬度允許值按荷載效應(yīng)準永久組合，裂縫允許值迎土面為0.2 mm，背土面為0.3 mm。

土壓力可由地下連續(xù)墻及車站側(cè)墻共同承擔，此時地墻剛度需折減0.3～0.4；地下側(cè)水壓力由車站側(cè)墻獨立承擔。

2.2 設(shè)計荷載

2.2.1 永久荷載

（1）結(jié)構(gòu)自重①：鋼筋混凝土自重γ=25 kN/m3。

（2）覆土荷載②：取地勘提供的實際土層重度。

（3）浮力③：按照地勘資料顯示本工程抗浮設(shè)防水位按地表以下0.5 m考慮。

（4）側(cè)向水土荷載④：采用靜止土壓力，使用階段水土分算，施工期按降水考慮。

2.2.2 可變荷載

（1）人群荷載⑤：4 kPa。

（2）設(shè)備荷載⑥：8 kPa，重型設(shè)備需專門進行結(jié)構(gòu)計算。設(shè)備區(qū)隔墻荷載、懸吊荷載分項計入。

（3）地面超載⑦：20 kPa。

（4）側(cè)面超載⑧：地面超載乘以側(cè)土壓力系數(shù)。

（5）施工荷載⑨：8 kPa；場地堆載20 kPa；端頭井管片堆載30 kPa，盾構(gòu)吊裝荷載70 kPa；鋪軌期間軌排井前后200 m范圍內(nèi)頂板上方施工荷載24 kPa，車站兩側(cè)10 m范圍內(nèi)32 kPa。

偶然荷載文章不涉及。

2.2.3 荷載組合

荷載組合分項系數(shù)見表1：

表1 荷載組合分項系數(shù)

設(shè)計中控制結(jié)構(gòu)設(shè)計的是基本組合。荷載組合考慮車站正常運營后的最不利組合，具體包括運行工況組合和浮托工況組合。

2.2.3.1 運行工況組合

承載能力極限狀態(tài)組合：

1.1×（1.3×（① +②+③+④）+1.1×1.5×（⑤+⑥+⑦+⑧+⑨））

正常使用極限狀態(tài)組合：

①+②+③+④+⑤+⑥+⑦+⑧+⑨

2.2.3.2 浮托工況組合

承載能力極限狀態(tài)組合：

1.1×（1.3×（①+②+③+④）+1.1×1.5×（⑧））

正常使用極限狀態(tài)組合：

①+②+③+④+⑧

取用各工況組合條件下的內(nèi)力包絡(luò)值作為結(jié)構(gòu)配筋并驗算裂縫開展寬度的依據(jù)。

3 計算分析

3.1 端頭井計算

端頭井計算考慮端頭井的兩個不同工況：施工期、使用期。

施工期：頂、中板盾構(gòu)吊裝孔未封閉，端頭井未覆土，考慮施工機械荷載，基坑坑內(nèi)降水，盾構(gòu)吊裝區(qū)域超載按70 kPa施工荷載考慮。

使用期：吊裝孔封閉，端頭井覆土，主體投入運營。

使用有限元分析軟件建立橫向框架二維模型及端頭井范圍50 m長車站（包含20 m標準段）三維模型，計算結(jié)果見圖1～圖4。

圖1 三維計算使用期豎向彎矩設(shè)計值

圖2 三維計算使用期橫向彎矩設(shè)計值

圖3 三維計算橫框梁施工期彎矩設(shè)計值

圖4 二維計算使用期彎矩設(shè)計值

計算結(jié)果顯示二維模型計算得出的彎矩值要大于三維模型計算結(jié)果，是因為二維模型計算中荷載完全由車站縱梁及側(cè)墻承擔，忽略了端墻的作用，而端頭井的板、墻長寬比為1.75和1.1，按照雙向板考慮，由三面?zhèn)葔岸祟^橫梁共同分擔荷載，才是更加符合實際情況的，所以應(yīng)采用三維模型計算的結(jié)果來進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。而且在二維模型中無法模擬施工期橫框梁的作用，若單獨建模計算橫框梁得到的結(jié)果又過于保守，配筋不經(jīng)濟。

3.2 軌排井計算

軌排井計算需考慮兩個不同工況：施工期、使用期。

施工期：頂、中板盾構(gòu)軌排井未封閉，孔頂板兩側(cè)未覆土，沿線路方向前后頂板已覆土，基坑坑內(nèi)泄水孔未封閉，沿線路方向前后頂板超載按24 kPa考慮，兩側(cè)超載按32 kPa考慮。

使用期：鋪軌孔封閉，頂板覆土，主體投入運營。

使用有限元分析軟件建立橫向框架二維模型及軌排井范圍50 m長車站三維模型：

施工期在頂中板分別設(shè)置孔邊梁，頂板橫框梁尺寸為6.8m×0.8m，中板橫框梁尺寸為6.8 m×0.6 m，在三維模型中考慮橫框梁作用，計算模型及結(jié)果見圖5～圖8。

圖5 三維模型

圖6 橫框梁施工期彎矩設(shè)計值

圖7 施工期豎向彎矩設(shè)計值

圖8 施工期縱向彎矩設(shè)計值

使用期不考慮橫框梁作用，以二維模型計算結(jié)果為主，計算結(jié)果見圖9、圖10。

圖9 二維模型使用期彎矩設(shè)計值

圖10 二維模型使用期彎矩標準值

由于軌排井附近結(jié)構(gòu)框架更符合單向板的特點，因此可以采用橫向框架的二維模型計算結(jié)果來配置鋼筋，以滿足正常使用期的受力。而三維模型計算的結(jié)果顯示，由于軌排井的大開孔，側(cè)墻在頂中板處的約束減弱，支座彎矩往跨中轉(zhuǎn)移，跨中正彎矩增大；另由于孔范圍內(nèi)的框架柱需后澆，各層板的縱向跨度變大，縱向正彎矩也相應(yīng)增大。用三維模型計算結(jié)果復(fù)核配筋，需加強側(cè)墻豎向跨中及墻、板縱向鋼筋（原墻、板縱向鋼筋按照二維模型計算時為非主受力方向的分布筋，僅需按照構(gòu)造配置）。橫框梁采用三維模型計算結(jié)果配筋，頂板橫框梁及中板橫框梁跨高比為4.12，應(yīng)按照深受彎構(gòu)件計算配筋。

4 結(jié)論

端頭井的墻板長寬比一般小于2，應(yīng)按照雙向板考慮，采用三維模型計算結(jié)果來設(shè)計。軌排井的墻板設(shè)計應(yīng)先按照使用期二維模型計算的結(jié)果來配筋，再用施工期三維模型的計算結(jié)果復(fù)核，需注意側(cè)墻豎向跨中及墻、板縱向配筋能否滿足施工期的強度配筋要求。橫框梁應(yīng)采用三維模型計算結(jié)果配筋，計算時需考慮若端部約束不強時，可在支座處修改為鉸接約束，來放大一部分的跨中彎矩，并用兩端固結(jié)的計算結(jié)果來包絡(luò)設(shè)計。單柱雙跨結(jié)構(gòu)的車站，若軌排孔位于中部，則孔邊橫框梁跨高比較小，應(yīng)按深受彎構(gòu)件計算配筋。