双柱地铁车站轨排孔方案比选及其结构分析

孙 璕 何肖健

(北京城建设计研究总院有限责任公司上海分院，上海200233)

近年来，国内城市轨道交通进入大规模建设阶段，设置轨排孔的地下车站也不断增多，国内已出现了一些的工程实践与研究。胡云峰［1］论述了地铁车站在围护结构已实施的情况下，增设轨排孔的方案比选，简述了轨排孔的结构受力特点。高杰［2］使用Midas对北京某地铁车站轨排孔结构进行了三维分析，使用Sap2000进行了横断面分析，并对计算结果进行了对比。冯云［3］针对上海某单一墙地铁车站，通过增量法计算得到了施工阶段和使用阶段的结构内力包络，给出了结构设计的措施。张昆［4］分析比选了轨排井段的围护结构、内部结构方案，根据计算结果提出了优化意见。熊永华等［5］介绍了苏州某地铁车站轨排孔段的拱形咬合桩围护方案。

本文结合苏州4号线某地铁车站工程，分析了轨排孔设置对土建专业的要求，对双柱车站轨排孔设置形式进行了比选，并通过三维建模计算对其结构受力特点进行分析，指出了结构设计的重点，总结了两种方案优缺点。

2 铺轨基地的选址与轨排孔的设置要求

在地铁土建工程规划设计过程中，为满足铺轨施工的要求，需要在车站或区间结构中设置轨排孔，通过轨排孔吊装轨排放置于线路上方。通常由总体院工筹专业在全线的所有车站中确定数个满足相关要求的车站设置轨排孔，并在附近设置铺轨基地。铺轨基地及轨排孔车站的主要要求如下:

(1)一般一条轨交线路设置两个铺轨基地，铺轨基地在整条线路中的位置尽量满足总运输距离最短的原则。

(2)车站附近的铺轨基地的面积不小于100 m×30 m，净高不小于15 m，应方便钢轨运输车辆进出(钢轨长25 m)。

(3)轨排孔应优先设置在有配线的车站，可利用配线作为临时轨排线路。

(4)若铺轨基地设置在区间段，应优先设置在区间敞开段，方便吊装。

对于结构专业，轨排孔的影响主要在于大范围开孔。常规轨排孔尺寸不小于30 m(沿线路方向)×5 m(垂直线路方向)，左、右线各设一个，下料口的中心线应与线路中心线对齐，轨道施工完成后再封堵轨排孔。施工工况中，轨排孔的存在使得结构的局部内力大大增加，需设置临时构件，增加局部构件配筋，铺轨完成后需切除多余的构件。施工材料堆放引起的超载，可按照3层轨排竖向堆放考虑，约2 t/m2，满足地表超载不超过20 kPa的限制。

3 轨排孔设置方案比选

地下车站以双柱三跨、单柱双跨形式最为常见，单柱车站轨排孔布置形式单一，本文不再赘述;双柱车站的两种常见布置形式则各有特点。故本文以双柱车站为例，进行轨排孔方案的比选，结果见表1。

表1 轨排孔设置方案比选表Table 1 Comparison of setup plans

方案一(居中设置):轨排从孔洞吊放至底板后，需水平移动至线路上，故需抽掉下二层每排两根立柱(共四根)，纵梁跨度由一跨变为三跨，为减少顶、中纵梁的内力，需设置临时斜撑(图1)，轨排施工完成后，切除斜撑、后浇立柱。此方案中跨顶、中板缺失，单侧形成P字形框架，结构横向刚度受到一定程度的削弱，侧墙内力较标准断面有所增加。

图1 居中设置方案结构横、纵断面Fig．1 Cross and vertical section of the centered layout

从轨排施工的角度看，此方案仅有一个轨排孔，孔宽度较小，且轨排被吊放至底板中跨后，需从临时轨道运输至两侧线路上，施工效率低。

方案二(两侧设置):其结构特点在于侧墙的上支点、中支点侧向刚度很小，类似于悬臂结构(图2)。轨排孔一般长达30 m，空间效应不明显，即使设置大尺寸的孔边梁，侧墙内力仍会很大。若车站埋深大，水土压力大，会出现侧墙配筋过密的情况。车站竖向受力体系与常规情况相同。

图2 两侧设置方案结构横断面Fig．2 Cross and vertical section of the sided layout

从轨排施工的角度看，两个孔洞可同时吊放轨排，且轨排直接吊放至线路上方，施工便利。

总的来看，方案一的结构分析重点在纵断面，重点是中纵梁、底纵梁以及下二层的立柱(处于压弯剪复合受力状态);方案二的结构分析重点在横断面，重点是侧墙、孔边梁的内力。方案选择时，应综合结构计算、施工要求等因素确定。

无论采用上述何种方案，都应在轨排孔中增加横向混凝土临时短撑，与内部结构同期施工，待轨排孔启用时凿除，以尽量减短结构大跨度暴露的时间。

4 结构分析计算

本文以笔者参与的某地铁车站为例，对轨排孔段的内部结构进行受力分析。

4．1 工程概况

苏州轨道交通4号线某地铁车站为地下两层双柱三跨岛式站台车站。车站结构外包全长202 m，标准段外包宽度为21．2 m，端头井外包宽度为25．3 m，顶板埋深3．0 m。标准段基坑开挖深度17 m，端头井开挖深度19 m。车站主体围护形式采用800 mm厚地连墙加5道内支撑体系，工字钢接头，地墙与内衬采用复合墙设计，全包防水，明挖顺作法施工。根据总体及工程筹划专业的要求，车站中段设置临时轨排孔。

车站开挖范围内的土层为①2杂填土、①3素填土、③1黏土、③2粉质黏土、③3粉土、④2粉砂夹粉土、⑤1粉质黏土、⑤2粉土夹粉砂。潜水位于地表以下0～2 m处;③3粉土及④2粉砂夹粉土层为微承压水层被地墙隔断，对基坑影响不大;第Ⅰ承压水含水层为⑤2粉土夹粉砂层，基坑开挖需要降低承压水水头5．2m左右。降水方案采用坑内降潜水、承压水措施［6］。表2为土层物理力学参数。

表2 土层物理力学参数Table 2 Mechanical parameters of soil layers

4．2 计算程序及原则

采用SAP2000 V14．0有限元软件计算，选取包含轨排孔的标准段，对结构进行三维分析［7］，计算模型见图3，图4。

图3 计算模型(中间设置)Fig．3 Calculation model(middle position)

图4 计算模型(两侧设置)Fig．4 Calculation model(Both-side position )

因轨排孔为临时孔洞，故考虑顶板已覆土工况下的荷载:顶板承受覆土恒载、超载，中板无超载，底板下用弹簧模拟地基反力，侧墙承受侧向水土压力。

4．3 结构计算分析

1)中间设置轨排孔计算结果

中间设置的方案中，梁柱体系的分析重点在纵断面，由图5可知，中纵梁、底纵梁的支座内力较大，支座弯矩分别达到了达到了1 050 kN·m，6 598 kN·m(未削峰)，较使用工况增加50%;而两侧设置方案中，中纵梁、底纵梁的跨中弯矩仅为563 kN·m，2 807 kN·m。由图6可知，由于下二层立柱减少，引起了临近立柱的轴力增加，轨排孔边立柱轴力较正常立柱增加25%左右。立柱同时还承受临时斜撑传递的弯矩1 401 kN·m、剪力842 kN。

中间设置的方案中，斜撑承受了下一层柱传递下来的轴力，并将其传递至下二层柱的中部，下二层立柱处于压弯剪复合受力状态，受力状态较为复杂，构件的截面及配筋验算亦是结构设计的重点。

图5 纵框架轴力图(基本组合，单位:kN)Fig．5 Axial force diagram of the longitudinal framework(Unit:kN)

图6 纵框架弯矩图(基本组合，单位:kN·m)Fig．6 Bending moment diagram of the longitudinal frame(Unit:kN·m)

2)两侧设置轨排孔计算结果

从上述计算结果对比可知，两种设置方案对各层结构楼板内力区别不大，侧墙弯矩差别较明显。

由图7和图8可知，两侧设置的方案中，即使设置了较大尺寸的孔边梁(0．8 m×3．2 m)，开孔对中板刚度的削弱仍非常明显。两侧设置方案中，侧墙的最大正弯矩达到了1 030 kN·m;中间设置方案中，侧墙最大正弯矩仅479 kN·m。

图7 侧墙主弯矩云图Fig．7 Main bending moment distribution of the side wall

图8 侧墙主弯矩云图Fig．8 Main bending moment cloud of the side wall

两侧设置的方案中，梁柱体系的分析重点在平面，由图9和图10可知，顶、中板水平框架梁的内力较大:本算例中，中板孔边梁弯矩达到21 481 kN·m，剪力达到5 507 kN。

图9 中板水平框架梁弯矩图Fig．9 Bending moment diagram of the horizontal forced beam on middle plate

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

5 结论

(1)本文总结了轨排基地选址的基本原则及轨排孔设置对车站结构的一般要求，常规轨排孔尺寸不小于30 m×5 m。

(2)从轨道、结构施工角度分析了双柱三跨车站两种布置形式的优缺点:两侧设置方案孔洞总面积大、运输便捷，对轨排施工最为有利;中间设置方案可降低侧墙内力、无须设置大尺寸孔边梁，对结构整体受力较为有利。两种方案均需设置临时构件，后期拆除。方案选择时，应综合结构计算、施工要求等确定。

(3)根据有限元空间计算结果对比，可知两种方案中各层结构楼板内力的区别不大，两侧设置方案的侧墙弯矩明显大于中间设置方案。两侧设置方案的梁柱内力分析重点是孔边梁，中间设置方案的梁柱内力分析重点是纵梁、下二层立柱。

(4)目前该站的已完成内部结构施工，移交铺轨施工单位使用。监测资料显示，内部结构变形处于安全范围内。本站的轨排孔设计思路和计算方法，可为以后类似车站的结构设计提供可行的参考。

［1］ 胡云峰．地铁车站增设轨排孔方案比选及实施［J］．地下工程与隧道，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．地铁明挖车站轨排井段结构分析与设计实践［J］．铁道标准设计，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］ 冯云．上海轨道交通2号线淞虹路站增设轨排孔的结构设计探讨［J］．地下工程与隧道，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］ 张昆．地铁轨排井段结构设计与分析［J］．都市快轨交通，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］ 熊永华，杨卫星，颜勇．某地铁车站轨排井围护结构设计［J］．铁道标准设计，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］ 江苏苏州地质工程勘察院．苏州轨道交通4号线(主线)南门路站岩土工程详细勘察报告［R］．苏州，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］ 李铁生，周生华，徐正良．地铁车站盖挖法竖向支承构件设计方法研究［J］．结构工程师，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)