复杂结构体系明挖地铁区间中轨排井设计方案研究

蒋军军

浙江数智交院科技股份有限公司 浙江 杭州 310013

在地铁施工过程中，为满足铺轨需要，通常会安排在某些车站或区间预留轨排井。宁波地铁3号线拟在外漕村站～客运北站区间北明挖段设置轨排井。北明挖段为正线、配线、联络线交会区，结构梁柱体系布置不规则，设置轨排井对结构体系影响很大。本文对三种不同的轨排井方案从铺轨便捷性、结构施工难易程度等方面进行对比，再通过三维有限元计算分析研究结构在铺轨阶段的受力和变形情况，提出了设置轨排井的最佳设计方案，既能满足铺轨线路的功能要求，又能保证施工阶段结构的自身安全[1]。

1 车站设计概况

宁波地铁3号线外漕村站～客运北站区间北明挖段位于现状农田里，周围无管线和建构筑物。北明挖段为远期3号线外漕村站的一部分，沿3号线车站纵向长度为207.6m，正线、联络线和双存车线在这里交会，导致结构梁柱体系布置不规则。本明挖区间为地下两层双柱三跨至四柱五跨钢筋混凝土框架，结构宽度为22.7～52.9m，底板埋深约为15.3～20m，覆土为2.15～3.19m，顶板厚、中板和底板厚度分别为900mm、 400 mm和1000 mm，外侧墙厚700mm。

2 三种轨排井结构方案对比分析

2.1 轨排井结构方案介绍

轨排井方案1在顶板和中板均预留 30m×3m 的孔洞，但不在正线上方。采用对称道岔，临时铺轨施工便线通过拨线分别与左右线相接。此方案对于铺轨施工而言，施工便线长度短，左右线均通过道岔一次扳动即可过渡，铺轨效率均衡；同时，施工便线不占用永久线路，对铺轨影响小，铺轨完成后拆除施工便线即可。对结构体系而言，不需改变轨排井附近的梁柱布置，但施工便线上的梁柱体系在铺轨施工工况与正常使用工况需进行一次梁柱体系转换。为了避让施工便线，在铺轨施工期间需要布置8根临时钢筋混凝土立柱。铺轨完成后浇筑永久立柱，再凿除临时立柱。且临时梁与永久梁相交处钢筋较难绑扎，增加了结构施工难度[2]。

轨排井方案2在右线正线上方预留 30m×3m 的孔洞（图1）。后端设单渡线与左线相接，左线铺轨需通过两次扳动道岔，右线铺轨无需经过单渡线，左线铺轨效率低于右线。施工便线位于正线上，在便线拆除前，该段线路无法铺轨，需拆除后散铺，施工工期较方案1长。对结构体系而言，轨排井设置在左线上方，孔洞周围的梁柱需要重新布置。同时，施工便线上的梁柱体系在铺轨施工工况与正常使用工况也需进行一次梁柱体系转换。需要布置4根临时钢筋混凝土立柱。铺轨完成后浇筑永久立柱，再凿除临时立柱。且临时梁与永久梁相交处钢筋较难绑扎，增加了结构施工难度。此外，洞口左侧与框架柱和框架梁的距离为8.4m，导致顶板和中板悬挑长度过大，因此需要在洞边增3根柱子并布置孔边梁。铺轨完成后再凿除临时柱，给施工增加了不便。

图1 方案2结构布置图

轨排井方案3中的铺轨施工便线与方案2相同，但将开洞宽度由原来的3m增加到9.7m，洞边紧靠结构纵梁（图2），解决了方案2中顶板、中板悬挑过长的问题，且施工过程中做好底板泄水孔可满足结构抗浮要求。此外，调整永久结构梁柱布置，使其既能满足铺轨施工限界要求，又能满足正线行车限界要求。这样方案3只需要设置1根临时立柱即可，非常便于结构施工。

图2 方案3结构布置图

2.2 三种结构方案对比

从结构施工难易程度来看，方案3最优。从铺轨便捷性来看，方案1最优。结合全线铺轨工筹分析，本线路全长9.05km，线路较短，共设置2个轨排井，能够接受方案2和3的铺轨效率。因此，综合考虑铺轨便捷性、结构施工难易程度，决定选择方案2或方案3。

方案3，施工最便利，一次浇筑，框架梁柱的刚度有保障，安全性好。只是由于开洞比较大，框架梁也由原来的平直布置改为弯曲布置，因此方案3和方案2相比较，构件内力和配筋是否相差很多，原有的构件截面能否满足要求，需要通过有限元软件计算进一步验证。因此对方案2和方案3用有限元软件分别进行三维建模计算[3]。

3 轨排井整体计算及结果

方案3和方案2相比较，构件内力和配筋是否相差很多，原有的构件截面能否满足要求，需要通过有限元软件计算进一步验证。因此对方案2和方案3用有限元软件分别进行三维建模计算。

3.1 整体建模

轨排井结构构件主要有钻孔灌注桩，侧墙、以及梁板柱。本文中轨排井为复杂结构体系，因此采用midas civil（2020（v1.1））结构有限元分析软件进行内力分析，并采用MorGain 结构快速设计软件进行构件的配筋计算。三维计算模型选取轨排井洞口左侧3跨和右侧6跨进行有限元分析计算。有限元分析中，地基采用文克尔地基模型，土体对结构的弹性反力用弹簧代替，弹簧刚度依据详勘资料中的垂直基床系数和水平基床系数选取; 未考虑围护桩的作用。

图3 方案2三维有限元计算模型

图4 方案3三维有限元计算模型

3.2 荷载取值

对结构有影响的荷载主要有:水土压力、地面超载20kPa、中板的施工荷载，顶板洞口的孔边荷载。

3.3 整体计算结果对比

(1) 车站顶板最大位移 (图5～图6) 。

图5 方案2顶板位移（单位mm）

图6 方案3顶板位移（单位mm）

表1 整体计算结果对比

结论：两种方案对比，方案3比方案2的各构件位移都有增大，底板竖向位移增大较多，这是由于车站主体结构顶板、中板轨排井开洞尺寸较大( 30 m × 9.7 m) ，板的平面内刚度大幅度减弱，顶板开洞增大使顶板的水土压力减小，所以开洞处对应的底板位置竖向位移较大。

方案3和方案2对比，顶中板的最大弯矩相差不大，侧墙和底板的最大弯矩相差较大，由于顶板和中板开洞尺寸较大，板的平面内刚度被大幅度减弱，导致侧墙和底板相交处弯矩增大很多，底板的跨中弯矩也增大很多，因此侧墙底部和洞口位置底板的支座和跨中需要加大配筋。经过有限元计算，方案3和方案2相比，不需增大构件截面，只需增加部分构件配筋[4]。

3.4 构件计算结果对比

轨排井结构受力体系中，框架梁为主要的受力构件，顶板梁是最主要受力构件。因此把顶板、中板以及底板的框架梁分为三个部分，第一部分是洞口周围及洞口左右各1跨框架梁，代表洞口增大后对周围构件内力的影响；第二部分是洞口右侧5跨框架梁，代表框架梁由平直布置改为曲线布置框架梁内力的改变；第三部分是洞口左侧2跨框架梁，代表第一二部分的变化对左边框架梁内力的影响。三个部分内力对比见表2。

表2 顶底板框架梁内力结果对比

通过上述表中结果可见顶板以及底板的框架梁大部分内力增长小于10%，不需要增大构件截面，只需适当增大配筋即可；方案3中，顶板框架梁中由于洞口边梁的集中荷载，洞口右侧边梁弯矩较大，需加强配筋。

4 结语

(1) 随着我国地铁建设事业的迅猛发展，车站土建结构为设备、铺轨等工序留设大的洞口待后期封堵的情况也会越来越多出现，但目前进行系统分析研究复杂结构体系大开洞时的受力变形还比较少，因此进行复杂结构体系轨排井设计分析对今后类似工程有现实指导意义。

(2) 本文通过3种结构方案对比分析和空间整体模型的有限元计算，确定了在复杂结构体系中，轨排井设计的最佳结构设计方案，既满足了铺轨路线的要求，同时也保证了所有构件在施工阶段和使用阶段的安全性能。

复杂结构体系轨排井通过对结构自身构件的加强避免了与外部环境的冲突，施工上简单便捷且易于保证质量，对缩短地铁建设周期有很大作用。