孫 璕 何肖健

(北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司上海分院，上海200233)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)城市軌道交通進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)階段，設(shè)置軌排孔的地下車(chē)站也不斷增多，國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)了一些的工程實(shí)踐與研究。胡云峰［1］論述了地鐵車(chē)站在圍護(hù)結(jié)構(gòu)已實(shí)施的情況下，增設(shè)軌排孔的方案比選，簡(jiǎn)述了軌排孔的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。高杰［2］使用Midas對(duì)北京某地鐵車(chē)站軌排孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維分析，使用Sap2000進(jìn)行了橫斷面分析，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。馮云［3］針對(duì)上海某單一墻地鐵車(chē)站，通過(guò)增量法計(jì)算得到了施工階段和使用階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡(luò)，給出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的措施。張昆［4］分析比選了軌排井段的圍護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)方案，根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出了優(yōu)化意見(jiàn)。熊永華等［5］介紹了蘇州某地鐵車(chē)站軌排孔段的拱形咬合樁圍護(hù)方案。

本文結(jié)合蘇州4號(hào)線(xiàn)某地鐵車(chē)站工程，分析了軌排孔設(shè)置對(duì)土建專(zhuān)業(yè)的要求，對(duì)雙柱車(chē)站軌排孔設(shè)置形式進(jìn)行了比選，并通過(guò)三維建模計(jì)算對(duì)其結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，指出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，總結(jié)了兩種方案優(yōu)缺點(diǎn)。

2 鋪軌基地的選址與軌排孔的設(shè)置要求

在地鐵土建工程規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中，為滿(mǎn)足鋪軌施工的要求，需要在車(chē)站或區(qū)間結(jié)構(gòu)中設(shè)置軌排孔，通過(guò)軌排孔吊裝軌排放置于線(xiàn)路上方。通常由總體院工籌專(zhuān)業(yè)在全線(xiàn)的所有車(chē)站中確定數(shù)個(gè)滿(mǎn)足相關(guān)要求的車(chē)站設(shè)置軌排孔，并在附近設(shè)置鋪軌基地。鋪軌基地及軌排孔車(chē)站的主要要求如下:

(1)一般一條軌交線(xiàn)路設(shè)置兩個(gè)鋪軌基地，鋪軌基地在整條線(xiàn)路中的位置盡量滿(mǎn)足總運(yùn)輸距離最短的原則。

(2)車(chē)站附近的鋪軌基地的面積不小于100 m×30 m，凈高不小于15 m，應(yīng)方便鋼軌運(yùn)輸車(chē)輛進(jìn)出(鋼軌長(zhǎng)25 m)。

(3)軌排孔應(yīng)優(yōu)先設(shè)置在有配線(xiàn)的車(chē)站，可利用配線(xiàn)作為臨時(shí)軌排線(xiàn)路。

(4)若鋪軌基地設(shè)置在區(qū)間段，應(yīng)優(yōu)先設(shè)置在區(qū)間敞開(kāi)段，方便吊裝。

對(duì)于結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)，軌排孔的影響主要在于大范圍開(kāi)孔。常規(guī)軌排孔尺寸不小于30 m(沿線(xiàn)路方向)×5 m(垂直線(xiàn)路方向)，左、右線(xiàn)各設(shè)一個(gè)，下料口的中心線(xiàn)應(yīng)與線(xiàn)路中心線(xiàn)對(duì)齊，軌道施工完成后再封堵軌排孔。施工工況中，軌排孔的存在使得結(jié)構(gòu)的局部?jī)?nèi)力大大增加，需設(shè)置臨時(shí)構(gòu)件，增加局部構(gòu)件配筋，鋪軌完成后需切除多余的構(gòu)件。施工材料堆放引起的超載，可按照3層軌排豎向堆放考慮，約2 t/m2，滿(mǎn)足地表超載不超過(guò)20 kPa的限制。

3 軌排孔設(shè)置方案比選

地下車(chē)站以雙柱三跨、單柱雙跨形式最為常見(jiàn)，單柱車(chē)站軌排孔布置形式單一，本文不再贅述;雙柱車(chē)站的兩種常見(jiàn)布置形式則各有特點(diǎn)。故本文以雙柱車(chē)站為例，進(jìn)行軌排孔方案的比選，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 軌排孔設(shè)置方案比選表Table 1 Comparison of setup plans

方案一(居中設(shè)置):軌排從孔洞吊放至底板后，需水平移動(dòng)至線(xiàn)路上，故需抽掉下二層每排兩根立柱(共四根)，縱梁跨度由一跨變?yōu)槿?，為減少頂、中縱梁的內(nèi)力，需設(shè)置臨時(shí)斜撐(圖1)，軌排施工完成后，切除斜撐、后澆立柱。此方案中跨頂、中板缺失，單側(cè)形成P字形框架，結(jié)構(gòu)橫向剛度受到一定程度的削弱，側(cè)墻內(nèi)力較標(biāo)準(zhǔn)斷面有所增加。

圖1 居中設(shè)置方案結(jié)構(gòu)橫、縱斷面Fig．1 Cross and vertical section of the centered layout

從軌排施工的角度看，此方案僅有一個(gè)軌排孔，孔寬度較小，且軌排被吊放至底板中跨后，需從臨時(shí)軌道運(yùn)輸至兩側(cè)線(xiàn)路上，施工效率低。

方案二(兩側(cè)設(shè)置):其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于側(cè)墻的上支點(diǎn)、中支點(diǎn)側(cè)向剛度很小，類(lèi)似于懸臂結(jié)構(gòu)(圖2)。軌排孔一般長(zhǎng)達(dá)30 m，空間效應(yīng)不明顯，即使設(shè)置大尺寸的孔邊梁，側(cè)墻內(nèi)力仍會(huì)很大。若車(chē)站埋深大，水土壓力大，會(huì)出現(xiàn)側(cè)墻配筋過(guò)密的情況。車(chē)站豎向受力體系與常規(guī)情況相同。

圖2 兩側(cè)設(shè)置方案結(jié)構(gòu)橫斷面Fig．2 Cross and vertical section of the sided layout

從軌排施工的角度看，兩個(gè)孔洞可同時(shí)吊放軌排，且軌排直接吊放至線(xiàn)路上方，施工便利。

總的來(lái)看，方案一的結(jié)構(gòu)分析重點(diǎn)在縱斷面，重點(diǎn)是中縱梁、底縱梁以及下二層的立柱(處于壓彎剪復(fù)合受力狀態(tài));方案二的結(jié)構(gòu)分析重點(diǎn)在橫斷面，重點(diǎn)是側(cè)墻、孔邊梁的內(nèi)力。方案選擇時(shí)，應(yīng)綜合結(jié)構(gòu)計(jì)算、施工要求等因素確定。

無(wú)論采用上述何種方案，都應(yīng)在軌排孔中增加橫向混凝土臨時(shí)短撐，與內(nèi)部結(jié)構(gòu)同期施工，待軌排孔啟用時(shí)鑿除，以盡量減短結(jié)構(gòu)大跨度暴露的時(shí)間。

4 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

本文以筆者參與的某地鐵車(chē)站為例，對(duì)軌排孔段的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。

4．1 工程概況

蘇州軌道交通4號(hào)線(xiàn)某地鐵車(chē)站為地下兩層雙柱三跨島式站臺(tái)車(chē)站。車(chē)站結(jié)構(gòu)外包全長(zhǎng)202 m，標(biāo)準(zhǔn)段外包寬度為21．2 m，端頭井外包寬度為25．3 m，頂板埋深3．0 m。標(biāo)準(zhǔn)段基坑開(kāi)挖深度17 m，端頭井開(kāi)挖深度19 m。車(chē)站主體圍護(hù)形式采用800 mm厚地連墻加5道內(nèi)支撐體系，工字鋼接頭，地墻與內(nèi)襯采用復(fù)合墻設(shè)計(jì)，全包防水，明挖順作法施工。根據(jù)總體及工程籌劃專(zhuān)業(yè)的要求，車(chē)站中段設(shè)置臨時(shí)軌排孔。

車(chē)站開(kāi)挖范圍內(nèi)的土層為①2雜填土、①3素填土、③1黏土、③2粉質(zhì)黏土、③3粉土、④2粉砂夾粉土、⑤1粉質(zhì)黏土、⑤2粉土夾粉砂。潛水位于地表以下0～2 m處;③3粉土及④2粉砂夾粉土層為微承壓水層被地墻隔斷，對(duì)基坑影響不大;第Ⅰ承壓水含水層為⑤2粉土夾粉砂層，基坑開(kāi)挖需要降低承壓水水頭5．2m左右。降水方案采用坑內(nèi)降潛水、承壓水措施［6］。表2為土層物理力學(xué)參數(shù)。

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of soil layers

4．2 計(jì)算程序及原則

采用SAP2000 V14．0有限元軟件計(jì)算，選取包含軌排孔的標(biāo)準(zhǔn)段，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維分析［7］，計(jì)算模型見(jiàn)圖3，圖4。

圖3 計(jì)算模型(中間設(shè)置)Fig．3 Calculation model(middle position)

圖4 計(jì)算模型(兩側(cè)設(shè)置)Fig．4 Calculation model(Both-side position )

因軌排孔為臨時(shí)孔洞，故考慮頂板已覆土工況下的荷載:頂板承受覆土恒載、超載，中板無(wú)超載，底板下用彈簧模擬地基反力，側(cè)墻承受側(cè)向水土壓力。

4．3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

1)中間設(shè)置軌排孔計(jì)算結(jié)果

中間設(shè)置的方案中，梁柱體系的分析重點(diǎn)在縱斷面，由圖5可知，中縱梁、底縱梁的支座內(nèi)力較大，支座彎矩分別達(dá)到了達(dá)到了1 050 kN·m，6 598 kN·m(未削峰)，較使用工況增加50%;而兩側(cè)設(shè)置方案中，中縱梁、底縱梁的跨中彎矩僅為563 kN·m，2 807 kN·m。由圖6可知，由于下二層立柱減少，引起了臨近立柱的軸力增加，軌排孔邊立柱軸力較正常立柱增加25%左右。立柱同時(shí)還承受臨時(shí)斜撐傳遞的彎矩1 401 kN·m、剪力842 kN。

中間設(shè)置的方案中，斜撐承受了下一層柱傳遞下來(lái)的軸力，并將其傳遞至下二層柱的中部，下二層立柱處于壓彎剪復(fù)合受力狀態(tài)，受力狀態(tài)較為復(fù)雜，構(gòu)件的截面及配筋驗(yàn)算亦是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

圖5 縱框架軸力圖(基本組合，單位:kN)Fig．5 Axial force diagram of the longitudinal framework(Unit:kN)

圖6 縱框架彎矩圖(基本組合，單位:kN·m)Fig．6 Bending moment diagram of the longitudinal frame(Unit:kN·m)

2)兩側(cè)設(shè)置軌排孔計(jì)算結(jié)果

從上述計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，兩種設(shè)置方案對(duì)各層結(jié)構(gòu)樓板內(nèi)力區(qū)別不大，側(cè)墻彎矩差別較明顯。

由圖7和圖8可知，兩側(cè)設(shè)置的方案中，即使設(shè)置了較大尺寸的孔邊梁(0．8 m×3．2 m)，開(kāi)孔對(duì)中板剛度的削弱仍非常明顯。兩側(cè)設(shè)置方案中，側(cè)墻的最大正彎矩達(dá)到了1 030 kN·m;中間設(shè)置方案中，側(cè)墻最大正彎矩僅479 kN·m。

圖7 側(cè)墻主彎矩云圖Fig．7 Main bending moment distribution of the side wall

圖8 側(cè)墻主彎矩云圖Fig．8 Main bending moment cloud of the side wall

兩側(cè)設(shè)置的方案中，梁柱體系的分析重點(diǎn)在平面，由圖9和圖10可知，頂、中板水平框架梁的內(nèi)力較大:本算例中，中板孔邊梁彎矩達(dá)到21 481 kN·m，剪力達(dá)到5 507 kN。

圖9 中板水平框架梁彎矩圖Fig．9 Bending moment diagram of the horizontal forced beam on middle plate

圖10 中板水平框架梁剪力圖Fig．10 Shearing force diagram of the horizontal forced beam on middle plate

5 結(jié)論

(1)本文總結(jié)了軌排基地選址的基本原則及軌排孔設(shè)置對(duì)車(chē)站結(jié)構(gòu)的一般要求，常規(guī)軌排孔尺寸不小于30 m×5 m。

(2)從軌道、結(jié)構(gòu)施工角度分析了雙柱三跨車(chē)站兩種布置形式的優(yōu)缺點(diǎn):兩側(cè)設(shè)置方案孔洞總面積大、運(yùn)輸便捷，對(duì)軌排施工最為有利;中間設(shè)置方案可降低側(cè)墻內(nèi)力、無(wú)須設(shè)置大尺寸孔邊梁，對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力較為有利。兩種方案均需設(shè)置臨時(shí)構(gòu)件，后期拆除。方案選擇時(shí)，應(yīng)綜合結(jié)構(gòu)計(jì)算、施工要求等確定。

(3)根據(jù)有限元空間計(jì)算結(jié)果對(duì)比，可知兩種方案中各層結(jié)構(gòu)樓板內(nèi)力的區(qū)別不大，兩側(cè)設(shè)置方案的側(cè)墻彎矩明顯大于中間設(shè)置方案。兩側(cè)設(shè)置方案的梁柱內(nèi)力分析重點(diǎn)是孔邊梁，中間設(shè)置方案的梁柱內(nèi)力分析重點(diǎn)是縱梁、下二層立柱。

(4)目前該站的已完成內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工，移交鋪軌施工單位使用。監(jiān)測(cè)資料顯示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形處于安全范圍內(nèi)。本站的軌排孔設(shè)計(jì)思路和計(jì)算方法，可為以后類(lèi)似車(chē)站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可行的參考。

［1］ 胡云峰．地鐵車(chē)站增設(shè)軌排孔方案比選及實(shí)施［J］．地下工程與隧道，2011(3):42-45．Hu Yunfeng．Comparition and implementation of subway track panel scheme［J］．Underground Engineering and Tunnels，2011(3):42-45．(in Chinese)

［2］ 高杰．地鐵明挖車(chē)站軌排井段結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)實(shí)踐［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(6):106-108．Gao Jie．Structure analysis and design practice for the segment with track panel shaft in open-cut metro station［J］．Railway Standard Design，2012(6):106-108．(in Chinese)

［3］ 馮云．上海軌道交通2號(hào)線(xiàn)淞虹路站增設(shè)軌排孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討［J］．地下工程與隧道，2008(2):16-19．Feng Yun．Structural discussion on track panel shaft of Shanghai rail transit line 2 song-hong road station［J］．Underground Engineering and Tunnels，2008(2):16-19．(in Chinese)

［4］ 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(25):78-81．Zhang Kun．Design and analysis of metro track panel well section structure［J］．Urban Rapid Rail Transit，2012(25):78-81．(in Chinese)

［5］ 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):76-79．Xiong Yonghua，Yang Weixing，Yan Yong．Design on enclosure structure for track panel well at metro station［J］．Railway Standard Design，2009(9):76-79．(in Chinese)

［6］ 江蘇蘇州地質(zhì)工程勘察院．蘇州軌道交通4號(hào)線(xiàn)(主線(xiàn))南門(mén)路站巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告［R］．蘇州，2012．Detailed geotechnical investigation report of Suzhou rail transit line 4(main line)south gate road station［R］．Suzhou:Suzhou Institute of Geological Engineering Investigation，2012．(in Chinese)

［7］ 李鐵生，周生華，徐正良．地鐵車(chē)站蓋挖法豎向支承構(gòu)件設(shè)計(jì)方法研究［J］．結(jié)構(gòu)工程師，2007，23(1):78-81．Li Tiesheng，Zhou Shenghua，Xu Zhengliang．Study on design method of vertical components in covered excavation of metro station［J］．Structural Engineers，2007，23(1):78-81．(in Chinese)