地鐵深埋軌排孔受力分析及措施研究

湯友生， 孫海明， 鮮少華， 應(yīng)衛(wèi)超， 盧 正

（1.中國(guó)聯(lián)合工程有限公司，杭州 310052； 2.武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，武漢 430023；3.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071；4.環(huán)境巖土工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071）

隨著城市人口增長(zhǎng)，我國(guó)城市交通問題日益突出，主要大中型城市都在進(jìn)行地鐵建設(shè). 在地鐵等軌道交通工程中，為保證軌道鋪設(shè)工作的順利進(jìn)行，一般會(huì)在地下車站、區(qū)間風(fēng)井、暗埋段等處設(shè)置軌排孔以使鋼軌從地面吊入. 由于鋼軌長(zhǎng)度一般為25 m，為滿足鋪軌需要，一般需設(shè)置凈長(zhǎng)約27～30 m，凈寬約3.5～5 m的軌排井開孔［1-2］.

軌排孔的設(shè)置將使樓板大開孔，導(dǎo)致其剛度大大削弱［3］. 針對(duì)軌排孔設(shè)置位置，黃小平［4］對(duì)地下車站軌排井設(shè)置案例進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為軌排孔設(shè)置在地下二層車站跨中，可保證建設(shè)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性. 孫璕［5］總結(jié)了鋪軌基地軌排井的布置原則，從施工的便捷性和受力上發(fā)現(xiàn)軌排孔設(shè)置在中間跨可降低側(cè)墻內(nèi)力，對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力較為有利. 現(xiàn)有工程案例中，軌排井多設(shè)置在地下二層車站跨中位置.

目前已有學(xué)者對(duì)于地鐵結(jié)構(gòu)開孔計(jì)算方法、運(yùn)算模型、受力及變形特點(diǎn)等做了較為深入的研究，并提出了大尺寸開洞結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化計(jì)算模型并應(yīng)用在地鐵軌排井受力分析中［6-10］. 結(jié)合相關(guān)工程實(shí)例的分析計(jì)算，提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加強(qiáng)或優(yōu)化方案以控制結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形［11-16］. 支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)間計(jì)算應(yīng)用已有很多學(xué)者做了深入研究［17-21］. 針對(duì)軌排井與圍護(hù)相結(jié)合設(shè)計(jì)，賈兆平［22］、熊永華等［23］通過與圍護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計(jì)施工方法，給軌排井設(shè)計(jì)提供了新思路. 對(duì)于在建車站軌排井改造，也有較為成功的工程實(shí)踐案例［24-26］.

在地鐵建設(shè)過程中，面臨復(fù)雜的邊界條件，對(duì)于長(zhǎng)大盾構(gòu)區(qū)間，由于建設(shè)環(huán)境的限制，同時(shí)為保證鋪軌效率，會(huì)在埋深較大的地下三層區(qū)間風(fēng)井設(shè)置軌排井，但由于區(qū)間風(fēng)井尺寸較短，無設(shè)置渡線條件，故只能將軌排孔設(shè)置在邊跨. 大跨度的邊跨開孔將使孔邊環(huán)梁直接受到側(cè)向水土壓力作用，特別是對(duì)于埋深較大的車站或區(qū)間風(fēng)井，其受力及變形控制成為設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn). 目前國(guó)內(nèi)在此方面尚無成熟的建設(shè)經(jīng)驗(yàn). 本文依據(jù)在建工程項(xiàng)目，對(duì)埋深超過24 m的地下三層區(qū)間風(fēng)井軌排孔結(jié)構(gòu)受力特征進(jìn)行分析，并提出相關(guān)結(jié)構(gòu)措施，為今后類似項(xiàng)目建設(shè)提供參考.

1 工程概況

該地鐵項(xiàng)目站間距較大（超過10 km），故對(duì)于長(zhǎng)大區(qū)間設(shè)置了多個(gè)區(qū)間風(fēng)井. 為滿足工期要求，將其中的區(qū)間風(fēng)井作為盾構(gòu)始發(fā)及接收井，并設(shè)置軌排鋪設(shè)基地. 為保證該盾構(gòu)順利穿過河道及建筑物等，風(fēng)井埋深不具備上抬條件，風(fēng)井底板埋深達(dá)到24.75 m，風(fēng)井結(jié)構(gòu)尺寸42 m×30 m×22.33 m，為地下三層雙柱三跨箱型結(jié)構(gòu). 風(fēng)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1000 mm地下連續(xù)墻，風(fēng)井側(cè)墻采用復(fù)合墻形式，全包防水.

本工程確定軌排孔長(zhǎng)度為28 m，考慮實(shí)際施工功效，結(jié)合盾構(gòu)始發(fā)及接收要求，最終確定大開孔尺寸為28 m×7.9 m，由于風(fēng)井尺寸限制，無法設(shè)置渡線轉(zhuǎn)換，樓板開孔布置在邊跨，結(jié)構(gòu)布置如圖1、2所示. 相關(guān)開孔及孔邊梁尺寸布置見表1.

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖（單位：mm）Fig.1 Plane layout of the structure

圖2 結(jié)構(gòu)剖面布置（單位：mm）Fig.2 Section layout of the structure

表1 構(gòu)件尺寸表Tab.1 Component size table

2 計(jì)算分析及結(jié)構(gòu)措施

2.1 計(jì)算模型

采用有限元進(jìn)行三維整體結(jié)構(gòu)建模，主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧˙3）、板單元（S4R）. 結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)材料簡(jiǎn)化為線彈性. 三維網(wǎng)格模型如圖3所示. 采用荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，且考慮軌排井最不利工況，即軌排吊裝期，頂、中、底板開孔尺寸為28 m×7.9 m.外部荷載考慮水土壓力及周邊施工荷載，其中側(cè)土壓力及水壓力以梯形線荷載的形式作用于側(cè)墻上.

圖3 網(wǎng)格模型Fig.3 The grid model

2.2 內(nèi)力及變形分析

軌排孔導(dǎo)致的樓板大開孔將大大削弱樓板剛度，特別對(duì)于邊跨設(shè)置時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)受力和變形影響較大. 如圖4、圖5分別為模型計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)體系變形及側(cè)面框架變形. 計(jì)算結(jié)果可知，變形最大位置出現(xiàn)在側(cè)墻中上部，最大側(cè)向位移為11.2 mm. 由于壁柱及環(huán)框梁的設(shè)置，結(jié)構(gòu)剛度得到加強(qiáng)，變形相對(duì)較小，由于下部土壓力以及上部水平環(huán)梁跨度較大，與豎向扶壁柱間的相互約束較低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形最大位置出現(xiàn)在側(cè)墻中上部.

圖4 整體結(jié)構(gòu)變形云圖Fig.4 Deformation cloud map of the whole structure

圖5 側(cè)向框架結(jié)構(gòu)變形云圖Fig.5 Deformation cloud map of the lateral frame structure

根據(jù)受力分析結(jié)果繪制側(cè)向框架結(jié)構(gòu)彎矩圖（圖6），最大正彎矩主要位于側(cè)墻上部負(fù)一、二層開孔處的扶壁柱和環(huán)梁上，負(fù)彎矩主要位于扶壁柱底部，受力特征基本與結(jié)構(gòu)布置與外荷載分布一致. 環(huán)梁負(fù)彎矩僅出現(xiàn)在兩端，扶壁柱最大負(fù)彎矩則出現(xiàn)在底板位置，可見中間扶壁柱（BZ1）與環(huán)梁間彼此提供的約束偏小，端部扶壁柱（BZ2）作為支座可對(duì)環(huán)梁產(chǎn)生較大約束. 故在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)兩端扶壁柱的剛度，同時(shí)根據(jù)扶壁柱與環(huán)梁的受力特點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)應(yīng)跨中或支座的配筋.

根據(jù)圖6、圖7可知，由于側(cè)向及扶壁柱與底板連接處受力較大，故設(shè)計(jì)時(shí)可對(duì)此處進(jìn)行加強(qiáng)，如設(shè)置加強(qiáng)梁（DHL），同時(shí)加大底板配筋以提高底板剛度，避免大開孔期間結(jié)構(gòu)由于受力過大而產(chǎn)生損傷.

圖6 側(cè)向框架結(jié)構(gòu)彎矩云圖Fig.6 Bending moment cloud map of the lateral frame structure

圖7 底板彎矩云圖Fig.7 Bending moment cloud map of the bottom plate

2.3 結(jié)構(gòu)措施

考慮明挖順作法實(shí)際施工情況及工序，基坑開挖至基底后，將進(jìn)入結(jié)構(gòu)回筑階段，隨著圍護(hù)體系中支撐的拆除，水土壓力將由基坑開挖階段的圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系逐步轉(zhuǎn)移至結(jié)構(gòu)樓板上，而樓板的大開孔將大大削弱樓板換撐剛度，因此在基坑回筑時(shí)，樓板換撐剛度的選取需格外注意，避免由于剛度選取不當(dāng)導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大. 此外實(shí)際施工中，常常因?yàn)橼s工使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的支撐很難在結(jié)構(gòu)墻板養(yǎng)護(hù)28 d 后強(qiáng)度達(dá)到100%時(shí)再進(jìn)行拆除. 這些因素將會(huì)給結(jié)構(gòu)安全帶來風(fēng)險(xiǎn)，因此采取一定的臨時(shí)措施十分必要.

在區(qū)間風(fēng)井或車站施工完畢后，一般先進(jìn)行盾構(gòu)施工再進(jìn)行鋪軌作業(yè). 盾構(gòu)施工階段需考慮盾構(gòu)機(jī)吊裝及盾構(gòu)時(shí)出土，盾構(gòu)吊裝孔及出土孔要求最大長(zhǎng)度均小于12 m，遠(yuǎn)小于軌排鋪設(shè)需要的28 m. 故可在結(jié)構(gòu)回筑施工時(shí)，在軌排井環(huán)框梁上設(shè)置臨時(shí)支撐以減少開孔跨度，可增加樓板的剛度，減少回筑階段的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及結(jié)構(gòu)損傷風(fēng)險(xiǎn)，如圖8所示. 經(jīng)計(jì)算，臨時(shí)支撐施工期結(jié)構(gòu)受力變形可起到較大作用，相對(duì)于不設(shè)置臨時(shí)支撐，結(jié)構(gòu)變形大幅降低，環(huán)梁彎矩也降低明顯，如圖9、圖10所示. 由此可見臨時(shí)支撐設(shè)置的必要性. 盾構(gòu)施工完畢后，進(jìn)行鋪設(shè)軌道前，再對(duì)臨時(shí)支撐進(jìn)行拆除，可保證預(yù)留孔洞的使用功能.

圖8 軌排孔臨時(shí)支撐布置（單位：mm）Fig.8 Temporary support layout for track panel hole

圖9 側(cè)向框架結(jié)構(gòu)彎矩云圖（臨時(shí)支撐）Fig.9 Bending moment cloud map of the lateral frame structure with temporary support

圖10 側(cè)向結(jié)構(gòu)變形云圖（臨時(shí)支撐）Fig.10 Deformation cloud map of the lateral frame structure with temporary support

此外，實(shí)際最不利大開孔工況下，結(jié)構(gòu)整體自重減少，需在抗浮設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)大開孔工況進(jìn)行充分考慮，可增設(shè)抗浮樁，進(jìn)行持續(xù)性坑外降水或增加結(jié)構(gòu)頂板負(fù)重等措施，避免結(jié)構(gòu)上浮. 此外，由于過大的水反力作用，也應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)底板及縱梁剛度，降低結(jié)構(gòu)損傷開裂風(fēng)險(xiǎn).

3 結(jié)構(gòu)布置分析計(jì)算

結(jié)合相關(guān)工程特點(diǎn)及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)軌排孔設(shè)計(jì)過程中常用措施進(jìn)行分析. 根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究［2-3，9］，環(huán)框梁+壁柱為現(xiàn)今軌排井設(shè)計(jì)施工時(shí)采取的主要措施. 基于此，對(duì)地鐵設(shè)計(jì)中壁柱+環(huán)梁布置進(jìn)行參數(shù)化分析. 結(jié)合實(shí)際工程特點(diǎn)，共設(shè)置如表2 計(jì)算算例，相關(guān)計(jì)算結(jié)果如圖11所示.

表2 算例表Tab.2 The table of calculation example

圖11算例1、3、5計(jì)算結(jié)果表明，隨著側(cè)向環(huán)梁（腰梁）數(shù)量的增加，側(cè)向水土壓力作用下側(cè)向變形不斷減少，橫向環(huán)梁整體剛度增大，也使得環(huán)梁所受彎矩逐步增加；算例1、4和算例2、3同樣表明，扶壁柱數(shù)量的增加，可減少側(cè)向變形，但同樣增加了結(jié)構(gòu)的整體剛度，扶壁柱彎矩有所增大. 故在環(huán)梁（腰梁）及扶壁柱組成的結(jié)構(gòu)體系共同承擔(dān)外側(cè)的水土壓力時(shí)，隨著環(huán)梁或扶壁柱數(shù)量的增加，可減少結(jié)構(gòu)側(cè)向變形，增加了工程的可靠性，但可能導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)彎矩增加，同時(shí)也增加了工程造價(jià). 因此應(yīng)考慮扶壁柱與橫向環(huán)梁（腰梁）間的剛度協(xié)調(diào)，過多地設(shè)置環(huán)梁或扶壁柱對(duì)結(jié)構(gòu)剛度改善不甚顯著，故實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，在保證結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)，也需適當(dāng)控制工程造價(jià).

圖11 結(jié)構(gòu)彎矩及側(cè)向位移Fig.11 Structural bending moment and lateral displacement

4 結(jié)論

1）結(jié)合地鐵軌排井相關(guān)工程實(shí)踐及研究現(xiàn)狀，建議軌排井盡量設(shè)置在地下二層車站跨中位置，以盡量保證工程的可靠性和經(jīng)濟(jì)性.

2）依據(jù)在建工程，采用荷載-結(jié)構(gòu)模型建立地下三層軌排井結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，對(duì)結(jié)構(gòu)受力及變形進(jìn)行分析，總結(jié)軌排井受力變形特點(diǎn)，計(jì)算得到的變形與受力基本與實(shí)際受力情況相符.

3）基于計(jì)算結(jié)果的分析，建議在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮環(huán)梁和扶壁柱受力特點(diǎn)及正負(fù)彎矩分布區(qū)域，對(duì)作為環(huán)梁支座的端部壁柱進(jìn)行加強(qiáng)，對(duì)扶壁柱與底板交界處，可考慮設(shè)置加強(qiáng)梁.

4）在軌排孔等大開孔結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮結(jié)構(gòu)各個(gè)施工工序，特別是對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系與主體結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換過程中，對(duì)樓板換撐剛度需進(jìn)行折減，可結(jié)合施工工序設(shè)置臨時(shí)支撐以增加樓板剛度，并避免因現(xiàn)場(chǎng)趕工帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn). 此外需重視最不利工況下水浮力等因素對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響.

5）針對(duì)實(shí)踐中采用較多的環(huán)梁+扶壁柱措施，對(duì)其布置進(jìn)行參數(shù)分析，運(yùn)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，扶壁柱+環(huán)梁在受力過程中存在剛度協(xié)調(diào)，實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)需要，合理布置環(huán)梁及扶壁柱數(shù)量，在保證安全的同時(shí)，降低工程造價(jià).