軌排井與盾構始發井合建的整體結構設計分析

蔣國亮

（廣東省建科建筑設計院有限公司 廣東廣州 510000）

1 引言

隨著地鐵建設速度的加快，建設的各個環節工期都非常緊張，特別是軌道鋪設施工這個環節，該施工環節是在土建施工結束后以及線路通車之間的關鍵環節。一個地鐵工程的軌道鋪設施工根據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置軌排井用于軌排施工，當車站建設用地較大時，軌排井可以與車站合并設置，而車站端部一般都設置盾構始發井或者盾構接收井，因而會出現軌排井與盾構始發井或盾構接收井合建的情況。針對該問題，本文介紹地下車站軌排井與盾構始發井合建的整體結構設計分析及其如何進行工況轉換。

2 工程概況

馬鞍山公園站呈一字型設置于迎賓大道下方，馬鞍山公園北側。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，標準段寬18.70m，站臺中心里程處頂板埋深為2.550m。本站為盾構始發站，站后接軌排兼盾構始發井。

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＞礫砂層和微風化灰巖，礫砂層地基承載力為250kPa，可以作為天然地基使用。

3 結構設計

3.1 設計條件

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

車站末端在左、右線路分別設置一個5.5m×30m的軌排工作井，同時在左、右線路分別設置一個7.5m×11.5m的盾構始發井，軌排井與盾構始發井在端部對齊，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。在盾構始發井范圍，盾構井外邊3.5m有較多基礎較差的民房，無多余空間調整結構外輪廓，只能在有限的空間內通過結構合理設計滿足功能需求，因而盾構始發井邊與結構側墻外邊距離僅1.6m，該寬度的環梁無法滿足30m長軌排井的側向抗水土壓力的能力，而加大結構外輪廓尺寸將較大地增加造價，故需要在此范圍內完成該結構的設計。

圖1 軌排井及盾構始發井平面圖

結構計算時，地面活荷載一般按20kN/m2計，盾構始發端端頭墻由于盾構拼裝引起的臨時地面超載按70kN/m2考慮。車站頂板由于設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 結構特點

從結構功能上看，軌排井為整體框架結構，應采用midas Civil進行整體模型計算，采用梁、板單元進行建模，側土壓力及水壓力以梯形線荷載的形式作用于周邊的圍護結構上。結構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，所有受拉應力作用的彈簧在計算中應予以拆除，直至全部彈簧單元受壓，且注意彈簧的計算反力不應大于地基的承載力。

結構的計算模式，應充分考慮結構的實際工作情況，并反映結構與周圍地層的相互作用；圍護結構與內襯墻靠在一起但不連接，形成復合式地下墻，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度設防。結構按核6級抗力等級的人防荷載進行強度驗算，并做到抗力協調。根據實際計算，地震組合及人防組合不是車站主體結構的控制性組合，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準組合按承載力極限狀態和正常使用極限狀態兩種情況進行計算分析。

3.3 結構設計方案

經研究分析，在盾構始發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，可在盾構始發期間在盾構始發井靠車站一端設置一根鋼筋混凝土支撐，該支撐在盾構始發施工結束并完成盾構井范圍的框梁及框柱封堵施工后拆除，故本結構需要按盾構始發井封堵前后兩個工況進行計算分析，結構分析比較如下。

3.3.1 盾構始發井封堵前結構工況分析

在盾構始發井使用期間，在盾構始發期間在盾構始發井靠車站一端設置一根尺寸為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，滿足盾構始發的要求。該洞口采用框架鋼筋混凝土結構，主要由1.6m寬水平環梁和豎向框柱組成，并沿基坑周邊設置0.7m厚的側墻，側墻外側為0.8m厚的地下連續墻，側土壓力及水壓力以梯形線荷載的形式作用于地下連續墻上，然后傳遞給由水平環梁、豎向框柱及側墻組成框架結構上，地下連續墻與該框架結構共同受力，該結構形式與常規單獨設置的盾構始發井類似。由于該工況時水平環梁跨度大大減少，1.6m寬的環梁已滿足受力要求，不必因為要設置30m長的軌排井而加大盾構井范圍的環梁寬度。

盾構始發井的環梁及框柱需要預留后澆范圍的鋼筋接駁器，用于在盾構始發施工完畢后，該盾構工作井轉換成軌排井而需要加大環梁及框柱尺寸，詳見圖1。

該工況的盾構始發井結構受力較簡單，環梁與框柱的受力較小，與一般僅設置盾構始發井時的相近。

3.3.2 盾構始發井封堵后結構工況分析

在盾構始發施工后，利用在盾構始發井范圍的環梁和框柱上預留的鋼筋接駁器，把該范圍的環梁及框柱截面由1.6m寬加大至3.6m寬，與軌排井其他范圍的環梁及框柱寬度一致，待混凝土強度達到設計要求后，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的標準軌排井，滿足軌排施工的要求。該洞口采用框架鋼筋混凝土結構，主要由3.6m寬水平環梁和豎向框柱組成，并沿基坑周邊設置0.7m厚的側墻，側墻外側為0.8m厚的地下連續墻，該結構形式與常規單獨設置的軌排井類似，詳見圖2。

圖2 軌排井整體模型實體

3.4 軌排井及盾構始發井結構計算

軌排井及盾構始發井采用Midas Civil軟件，以梁單元模擬環梁及框柱，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，力求真實反映結構實際受力狀態。對軌排井及盾構始發井結構進行整體的空間分析，使得模型能反映軌排井及盾構始發井整體的協同作用。

荷載方面，考慮軌排井及盾構始發井應有的各種的恒載、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行整體結構分析。

經計算，可直接得出軌排井及盾構始發井的各種應力狀況及變形，如圖3，從而直接判斷軌排井及盾構始發井在各種荷載組合下的工作狀態及控制指標，也可得出各結構構件在各種荷載組合下的內力及變形。而水平環梁無疑是承擔軌排井及盾構始發井各種荷載的主要受力構件，構件內力詳見表1。

圖3 軌排井整體模型彎矩

表1 結構內力計算結果統計表（軌排井梁柱）

4 軌排井及盾構始發井結構施工注意事項

（1）用于工況轉換的鋼筋混凝土支撐必須在盾構始發井范圍的環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，并需要加強養護，建議采用麻布覆蓋或者蓄水的方式進行養護。

（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裂縫，裂縫以橫向裂縫為主，該裂縫的出現會導致頂板有滲漏水到軌行區，必須對裂縫進行處理，可采用環氧樹脂進行封堵。

5 結論

本工程的軌排井及盾構始發井合建方案具有結構合理、節省空間，節約投資等優點，且對周邊環境的影響較小，可為其他同類形工程提供一個經驗借鑒。

[1]中華人民共和國行業標準.《建筑結構荷載規范》（GB50009-2001）.

[2]中華人民共和國行業標準.《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）.

[3]中華人民共和國行業標準.《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）.

[4]中華人民共和國行業標準.《鐵路橋涵設計基本規范》（TB10002.1-2005）.