膨胀土地区地铁车站轨排井设计与分析

田贺卿

膨胀土地区地铁车站轨排井设计与分析

田贺卿

摘 要：地铁车站轨排井通常情况下采用传统的悬臂围护结构、围护结构+锚索等基坑支护方式，然而膨胀土地区的独特岩土特性导致不能使用锚索，因而需要采用车站主体结构承担全部水、土荷载。文章通过对成都地铁2号线保安村站轨排井设计方案进行优化调整和有限元分析，提出膨胀土地区车站轨排井设计采用主体结构受力方案，轨排井使用和监测结果表明优化调整后的轨排井满足设计要求。

关键字：地铁；膨胀土地区；车站轨排井；设计与分析

田贺卿：中铁成都轨道交通设计院，工程师，四川成都 610031

1　工程概述

在地铁建设后期，轨排均需通过轨排井由地面吊入隧道内，每节轨排长度为25 m，一般需要在车站、隧道结构上预留轨排井吊装轨排，单个轨排井洞口尺寸长约30 m，宽约4.5 m。成都地铁2号线东延伸线原有轨排基地均设置在区间U型槽敞口段，为满足东延线全线通车要求，需要在保安村车站增设轨排井。保安村车站为地下2层岛式站台车站，采用现浇钢筋混凝土框架结构，车站主体围护结构采用桩+钢管内支撑支护体系，车站东端设置轨排井，围护结构采用桩+锚索支护体系。

保安村车站位于成都市东部台地，根据钻探揭示，地表多为杂填土和素填土，其下依次为黏土、粉质黏土、粉土、细砂及泥岩。其中，黏土及全风化泥岩属于膨胀土，膨胀土具有遇水软化、膨胀、崩解，失水开裂、收缩的特点，属特殊性岩土，车站基坑及主体结构设计中需考虑膨胀土特殊属性。车站场地地下水主要有上层滞水、黏土中的裂隙水、松散土层（粉土、细砂）的孔隙水以及基岩裂隙水。

2　车站轨排井设计

2.1车站轨排井原设计方案

车站轨排井原设计方案为围护结构承担全部水平荷载的支护方案。围护结构采用Φ1 200 mm间距2 000 mm钻孔桩+预应力锚索支护体系。基坑深度为17.6 m，竖向设置5道锚索，1桩1锚，设计倾角为15°，纵向设置双拼I40a钢围檩，锚索锚固段锚固体钻孔直径为Φ300 mm，锚索自由段长度7 m，锚固段长度17 m。围护结构外放550 mm以满足锚索所需空间，外放空间采用页岩实心砖回筑。基坑采用基坑外管井降水结合坑内明排水降水。本方案的主要优势是车站主体结构所需承受的土压力均由围护桩及锚索承担，车站主体结构受力不受轨排井开洞影响，不需要采取特殊结构措施（图1）。

2.2车站轨排井设计方案调整

车站于2012年3月开始进行围护结构施工，围护桩施工顺利，基坑于4月份进行开挖，并准备进行锚索施工。根据现场施工情况及过程中外部条件的变化，发现轨排井施工存在以下3个问题：①锚索试成孔中发现车站轨排井区域原为鱼塘区域，回填土质很差，不能作为锚索承载力地层；②车站轨排井与盾构始发井结合设计，受盾构始发工期影响，施工单位对此处采用了桩+钢管内支撑体系进行施作；③成都市建设工程施工安全监督站于2012年5 月31日下发了《关于进一步强化我市深基坑施工安全管理的通知》，其中规定“（二）、处于膨胀土分布区域基坑，场地属三级阶地的，不得使用锚索（杆）作为基坑支护体系受力构件。”因此，需对车站轨排井处的围护结构及相应主体结构进行设计调整。

图1　车站轨排井围护结构断面图 （单位：mm）

根据工程地质情况及车站围护桩已施作完毕的现状，本文从车站围护结构及主体结构2个方面进行研究分析，对车站轨排井设计方案做出调整。

2.2.1轨排井设计调整1（围护结构方案）

针对目前车站围护桩已经施作完毕的现场情况，为满足远期轨排井使用期间的围护结构承载能力及变形控制的要求，需要在现有围护桩外侧增设围护桩，采用双排桩悬臂支护体系。本站基坑深度17.6 m，经过计算分析发现存在2个问题：①原有围护桩已施作完毕，嵌固深度较深浅，不满足整体稳定性要求；②悬臂支护体系桩顶位移太大，不满足一级基坑变形控制要求。故，本次实施方案不采用围护结构方案。

2.2.2轨排井设计调整2（主体结构方案）

在围护结构方案不能解决既有问题的情况下，车站轨排井设计考虑采用主体结构方案。为同时满足轨排井（28 m×5 m）和盾构始发井（11.5 m×7.5 m）净空尺寸要求，二者需结合设置。根据受力要求以及外轮廓限制条件，拟定采用的环框梁结构尺寸：第1道环框梁1，2 050 mm×800 mm，第1道环框梁2，3 900 mm×800 mm；第2道环框梁1，2 050 mm×800 mm，第2道环框梁2，3 900 mm×1 000 mm；第3道环框梁1，2 050 mm×1 000 mm，第3道环框梁2，3 900 mm× 1 000 mm；站台层根据盾构始发净空要求不允许设置环框梁；站厅层中部设置第2道环框梁1、2，由于其侵入车站主体结构侧墙内部800 mm，因此，需在轨排井施作完毕后将其人工破除。在环框梁尺寸受限的情况下，为充分利用侧墙的承载能力，设计中将侧墙厚度由700 mm加厚至1 250 mm。车站轨排井布置图详见图2。

图2　车站轨排井主体结构图 （单位：mm）

3　车站轨排井有限元分析

计算采用MIDAS/GEN软件进行三维有限元整体建模，车站各层板、墙采用厚板单元进行模拟，车站梁、柱采用梁单元进行模拟；土体对墙体（底板）水平位移和垂直位移的约束采用水平弹簧、竖向弹簧模拟，车站与土体之间的作用采用仅受压弹簧进行模拟，弹簧刚度=地基土基床系数×结构单元面积，考虑膨胀土的弱化效应对受压弹簧刚度进行折减；有限元模型共计4 968个单元，9 196个节点，单元体按照1 m进行网格划分；膨胀土地区除一般水土压力荷载外，还考虑膨胀土产生的膨胀力荷载。三维有限元模型见图3。

对车站轨排井主体结构进行三维有限元分析，其计算结果见图4 ～9，根据图4～9计算结果可知：第1道环框梁支座弯矩8 210 kN.m，跨中弯矩5 632 kN.m，支座剪力8 519 k N；第2道环框梁支座弯矩7 493 kN.m，跨中弯矩3 529 k N.m，支座剪力7 518 k N；第3道环框梁支座弯矩10 458 k N. m，跨中弯矩5 243 kN.m，支座剪力10 458 kN。轨排井侧墙弯矩2 513 kN.m，剪力1 677 kN，轴力1 647 kN。沿车站横向最大位移19.9 mm，沿车站纵向最大位移6 mm。车站轨排井主体结构满足受力、变形要求。

4　车站轨排井使用和检测

车站轨排井主体结构已于2012年12月施作完毕（图10），为盾构始发提供了条件。施工过程中及轨排井孔洞使用期间对轨排井环框梁受力及挠度进行监测，实际监测结果满足设计要求。

5　结论及建议

(1）车站轨排井在膨胀土地区受到地质条件的限制，采用锚索结构从施工角度及工程安全角度存在较大风险，建议通过车站主体结构设置环框梁形式来满足承载力要求。

图3　车站轨排井三维有限元模型

图4　车站轨排井环框梁弯矩云图（单位：kN.m）　

图5　车站轨排井环框梁剪力云图（单位：kN）

图6　车站轨排井板、墙弯矩云图（单位：kN.m）

图7　车站轨排井板、墙主轴力云图（单位：kN）

图8　车站轨排井板、墙剪力云图（单位：kN）　

图9　车站轨排井位移云图（单位：mm）

图10　轨排井结构现场照片

(2）本站采用的环框梁支护形式受到已完成车站围护桩的限制，车站主体结构无法外放，部分环框梁已侵入主体结构内部空间，后期需要凿除，施工难度较大，建议采用围护结构和主体结构同时外放，避免后期凿除。

参考文献

[1] 施仲衡, 张弥, 宋敏华, 等，地下铁道设计与施工[M]. 陕西西安:山西科学技术出版社, 2006.

[2] JGJ 120-2012 建筑基坑支护技术规程[S]. 北京: 中国建筑工程出版社, 1999.

[3] 张昆. 地铁轨排井段结构设计与分析[J]. 都市快轨交通, 2012(4).

[4] 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).

责任编辑 朱开明

Design and Analysis of Track Panel Well at Metro Station in Bentonite Area

Tian Heqing

Abstract:Metro station track panel wells usually adopt traditional cantilever retaining structure, the enclosure structure and cable and other foundation pit support. However due to the geotechnical properties of bentonite area, cable cannot be used, and thus it requires the use of station main body structure to bear total load of water and soil. This paper makes optimization adjustment and finite element analysis on the track panel well design at Baoanchun station of Chengdu metro line 2, and puts forward the scheme for track panel well design by using the force of station main body structure in the bentonite area. The use of track panel wells and the monitoring results show that track panel well meets design requirements after optimization and adjustment.

Keywords:metro, bentonite area, station track panel well, design and analysis

收稿日期2014-09-17

中图分类号：TU921