地鐵車站端頭井及軌排井受力計算與分析

吳毓超，梁旭燕

（宏潤建設集團股份有限公司宏潤建設設計研究院，上海 201200）

近年來，中國各大城市都在發展地鐵建設。在地鐵車站中，盾構端頭井的中板及頂板一般會設置8 m×11 m的盾構吊裝孔，而軌排井范圍的中板及頂板一般會設置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構設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。路口東北側為在建別墅區，西北側為別墅小區，東南側為在建樓盤，西南側為某教育園區。車站小里程端設置盾構始發井，大里程端按照遠期規劃設置盾構接收井，端頭井處左右線均設置8 m×11.4 m盾構吊裝孔，底板深17.7～18.6 m，頂板覆土2.9～4.2 m。在車站東段35-39軸附近設置8.5 m×28 m的鋪軌孔（左右線合設），結構斷面為地下兩層單柱雙跨結構，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，并設置10根臨時格構柱作為施工期橫框梁豎向支撐，鋪軌施工完成后割除回收，此處結構外包寬度為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、粉質黏土、黏質粉土，坑底位于⑥黏土層。本工程永久性抗浮設防水位為地表以下0.5 m。

2 設計原則與設計荷載

2.1 設計原則

車站主體結構主要構件設計使用年限為100年，構件的安全等級為一級，結構重要性系數為1.1。

車站結構設計需進行抗浮穩定驗算，抗浮穩定安全系數施工期不小于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墻及車站側墻共同承擔，此時地墻剛度需折減0.3～0.4；地下側水壓力由車站側墻獨立承擔。

2.2 設計荷載

2.2.1 永久荷載

（1）結構自重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防水位按地表以下0.5 m考慮。

（4）側向水土荷載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）設備荷載⑥：8 kPa，重型設備需專門進行結構計算。設備區隔墻荷載、懸吊荷載分項計入。

（3）地面超載⑦：20 kPa。

（4）側面超載⑧：地面超載乘以側土壓力系數。

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

偶然荷載文章不涉及。

2.2.3 荷載組合

荷載組合分項系數見表1：

表1 荷載組合分項系數

設計中控制結構設計的是基本組合。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

承載能力極限狀態組合：

1.1×（1.3×（①+②+③+④）+1.1×1.5×（⑧））

正常使用極限狀態組合：

①+②+③+④+⑧

取用各工況組合條件下的內力包絡值作為結構配筋并驗算裂縫開展寬度的依據。

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、中板盾構吊裝孔未封閉，端頭井未覆土，考慮施工機械荷載，基坑坑內降水，盾構吊裝區域超載按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，計算結果見圖1～圖4。

圖1 三維計算使用期豎向彎矩設計值

圖2 三維計算使用期橫向彎矩設計值

圖3 三維計算橫框梁施工期彎矩設計值

圖4 二維計算使用期彎矩設計值

計算結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果，是因為二維模型計算中荷載完全由車站縱梁及側墻承擔，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，由三面側墻及端頭橫梁共同分擔荷載，才是更加符合實際情況的，所以應采用三維模型計算的結果來進行結構設計。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果又過于保守，配筋不經濟。

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、中板盾構軌排井未封閉，孔頂板兩側未覆土，沿線路方向前后頂板已覆土，基坑坑內泄水孔未封閉，沿線路方向前后頂板超載按24 kPa考慮，兩側超載按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，計算模型及結果見圖5～圖8。

圖5 三維模型

圖6 橫框梁施工期彎矩設計值

圖7 施工期豎向彎矩設計值

圖8 施工期縱向彎矩設計值

使用期不考慮橫框梁作用，以二維模型計算結果為主，計算結果見圖9、圖10。

圖9 二維模型使用期彎矩設計值

圖10 二維模型使用期彎矩標準值

由于軌排井附近結構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果顯示，由于軌排井的大開孔，側墻在頂中板處的約束減弱，支座彎矩往跨中轉移，跨中正彎矩增大；另由于孔范圍內的框架柱需后澆，各層板的縱向跨度變大，縱向正彎矩也相應增大。用三維模型計算結果復核配筋，需加強側墻豎向跨中及墻、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，僅需按照構造配置）。橫框梁采用三維模型計算結果配筋，頂板橫框梁及中板橫框梁跨高比為4.12，應按照深受彎構件計算配筋。

4 結論

端頭井的墻板長寬比一般小于2，應按照雙向板考慮，采用三維模型計算結果來設計。軌排井的墻板設計應先按照使用期二維模型計算的結果來配筋，再用施工期三維模型的計算結果復核，需注意側墻豎向跨中及墻、板縱向配筋能否滿足施工期的強度配筋要求。橫框梁應采用三維模型計算結果配筋，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，并用兩端固結的計算結果來包絡設計。單柱雙跨結構的車站，若軌排孔位于中部，則孔邊橫框梁跨高比較小，應按深受彎構件計算配筋。