地铁深埋轨排孔受力分析及措施研究

汤友生， 孙海明， 鲜少华， 应卫超， 卢 正

（1.中国联合工程有限公司，杭州 310052； 2.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，武汉 430023；3.中国科学院武汉岩土力学研究所，岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071；4.环境岩土工程湖北省重点实验室，武汉 430071）

随着城市人口增长，我国城市交通问题日益突出，主要大中型城市都在进行地铁建设. 在地铁等轨道交通工程中，为保证轨道铺设工作的顺利进行，一般会在地下车站、区间风井、暗埋段等处设置轨排孔以使钢轨从地面吊入. 由于钢轨长度一般为25 m，为满足铺轨需要，一般需设置净长约27～30 m，净宽约3.5～5 m的轨排井开孔［1-2］.

轨排孔的设置将使楼板大开孔，导致其刚度大大削弱［3］. 针对轨排孔设置位置，黄小平［4］对地下车站轨排井设置案例进行了统计，认为轨排孔设置在地下二层车站跨中，可保证建设的可靠性和经济性. 孙璕［5］总结了铺轨基地轨排井的布置原则，从施工的便捷性和受力上发现轨排孔设置在中间跨可降低侧墙内力，对结构整体受力较为有利. 现有工程案例中，轨排井多设置在地下二层车站跨中位置.

目前已有学者对于地铁结构开孔计算方法、运算模型、受力及变形特点等做了较为深入的研究，并提出了大尺寸开洞结构的简化计算模型并应用在地铁轨排井受力分析中［6-10］. 结合相关工程实例的分析计算，提出结构设计及加强或优化方案以控制结构的内力和变形［11-16］. 支护结构与主体结构间计算应用已有很多学者做了深入研究［17-21］. 针对轨排井与围护相结合设计，贾兆平［22］、熊永华等［23］通过与围护结构相结合的设计施工方法，给轨排井设计提供了新思路. 对于在建车站轨排井改造，也有较为成功的工程实践案例［24-26］.

在地铁建设过程中，面临复杂的边界条件，对于长大盾构区间，由于建设环境的限制，同时为保证铺轨效率，会在埋深较大的地下三层区间风井设置轨排井，但由于区间风井尺寸较短，无设置渡线条件，故只能将轨排孔设置在边跨. 大跨度的边跨开孔将使孔边环梁直接受到侧向水土压力作用，特别是对于埋深较大的车站或区间风井，其受力及变形控制成为设计重点和难点. 目前国内在此方面尚无成熟的建设经验. 本文依据在建工程项目，对埋深超过24 m的地下三层区间风井轨排孔结构受力特征进行分析，并提出相关结构措施，为今后类似项目建设提供参考.

1 工程概况

该地铁项目站间距较大（超过10 km），故对于长大区间设置了多个区间风井. 为满足工期要求，将其中的区间风井作为盾构始发及接收井，并设置轨排铺设基地. 为保证该盾构顺利穿过河道及建筑物等，风井埋深不具备上抬条件，风井底板埋深达到24.75 m，风井结构尺寸42 m×30 m×22.33 m，为地下三层双柱三跨箱型结构. 风井围护结构采用1000 mm地下连续墙，风井侧墙采用复合墙形式，全包防水.

本工程确定轨排孔长度为28 m，考虑实际施工功效，结合盾构始发及接收要求，最终确定大开孔尺寸为28 m×7.9 m，由于风井尺寸限制，无法设置渡线转换，楼板开孔布置在边跨，结构布置如图1、2所示. 相关开孔及孔边梁尺寸布置见表1.

图1 结构平面布置图（单位：mm）Fig.1 Plane layout of the structure

图2 结构剖面布置（单位：mm）Fig.2 Section layout of the structure

表1 构件尺寸表Tab.1 Component size table

2 计算分析及结构措施

2.1 计算模型

采用有限元进行三维整体结构建模，主要结构构件采用梁单元（B3）、板单元（S4R）. 结构计算时材料简化为线弹性. 三维网格模型如图3所示. 采用荷载-结构模型进行计算，且考虑轨排井最不利工况，即轨排吊装期，顶、中、底板开孔尺寸为28 m×7.9 m.外部荷载考虑水土压力及周边施工荷载，其中侧土压力及水压力以梯形线荷载的形式作用于侧墙上.

图3 网格模型Fig.3 The grid model

2.2 内力及变形分析

轨排孔导致的楼板大开孔将大大削弱楼板刚度，特别对于边跨设置时，对结构受力和变形影响较大. 如图4、图5分别为模型计算得到的结构体系变形及侧面框架变形. 计算结果可知，变形最大位置出现在侧墙中上部，最大侧向位移为11.2 mm. 由于壁柱及环框梁的设置，结构刚度得到加强，变形相对较小，由于下部土压力以及上部水平环梁跨度较大，与竖向扶壁柱间的相互约束较低，导致结构变形最大位置出现在侧墙中上部.

图4 整体结构变形云图Fig.4 Deformation cloud map of the whole structure

图5 侧向框架结构变形云图Fig.5 Deformation cloud map of the lateral frame structure

根据受力分析结果绘制侧向框架结构弯矩图（图6），最大正弯矩主要位于侧墙上部负一、二层开孔处的扶壁柱和环梁上，负弯矩主要位于扶壁柱底部，受力特征基本与结构布置与外荷载分布一致. 环梁负弯矩仅出现在两端，扶壁柱最大负弯矩则出现在底板位置，可见中间扶壁柱（BZ1）与环梁间彼此提供的约束偏小，端部扶壁柱（BZ2）作为支座可对环梁产生较大约束. 故在设计时，应加强两端扶壁柱的刚度，同时根据扶壁柱与环梁的受力特点加强对应跨中或支座的配筋.

根据图6、图7可知，由于侧向及扶壁柱与底板连接处受力较大，故设计时可对此处进行加强，如设置加强梁（DHL），同时加大底板配筋以提高底板刚度，避免大开孔期间结构由于受力过大而产生损伤.

图6 侧向框架结构弯矩云图Fig.6 Bending moment cloud map of the lateral frame structure

图7 底板弯矩云图Fig.7 Bending moment cloud map of the bottom plate

2.3 结构措施

考虑明挖顺作法实际施工情况及工序，基坑开挖至基底后，将进入结构回筑阶段，随着围护体系中支撑的拆除，水土压力将由基坑开挖阶段的围护结构体系逐步转移至结构楼板上，而楼板的大开孔将大大削弱楼板换撑刚度，因此在基坑回筑时，楼板换撑刚度的选取需格外注意，避免由于刚度选取不当导致围护结构变形过大. 此外实际施工中，常常因为赶工使得围护结构中的支撑很难在结构墙板养护28 d 后强度达到100%时再进行拆除. 这些因素将会给结构安全带来风险，因此采取一定的临时措施十分必要.

在区间风井或车站施工完毕后，一般先进行盾构施工再进行铺轨作业. 盾构施工阶段需考虑盾构机吊装及盾构时出土，盾构吊装孔及出土孔要求最大长度均小于12 m，远小于轨排铺设需要的28 m. 故可在结构回筑施工时，在轨排井环框梁上设置临时支撑以减少开孔跨度，可增加楼板的刚度，减少回筑阶段的围护结构变形及结构损伤风险，如图8所示. 经计算，临时支撑施工期结构受力变形可起到较大作用，相对于不设置临时支撑，结构变形大幅降低，环梁弯矩也降低明显，如图9、图10所示. 由此可见临时支撑设置的必要性. 盾构施工完毕后，进行铺设轨道前，再对临时支撑进行拆除，可保证预留孔洞的使用功能.

图8 轨排孔临时支撑布置（单位：mm）Fig.8 Temporary support layout for track panel hole

图9 侧向框架结构弯矩云图（临时支撑）Fig.9 Bending moment cloud map of the lateral frame structure with temporary support

图10 侧向结构变形云图（临时支撑）Fig.10 Deformation cloud map of the lateral frame structure with temporary support

此外，实际最不利大开孔工况下，结构整体自重减少，需在抗浮设计时对结构大开孔工况进行充分考虑，可增设抗浮桩，进行持续性坑外降水或增加结构顶板负重等措施，避免结构上浮. 此外，由于过大的水反力作用，也应适当加强底板及纵梁刚度，降低结构损伤开裂风险.

3 结构布置分析计算

结合相关工程特点及设计经验，对轨排孔设计过程中常用措施进行分析. 根据相关学者研究［2-3，9］，环框梁+壁柱为现今轨排井设计施工时采取的主要措施. 基于此，对地铁设计中壁柱+环梁布置进行参数化分析. 结合实际工程特点，共设置如表2 计算算例，相关计算结果如图11所示.

表2 算例表Tab.2 The table of calculation example

图11算例1、3、5计算结果表明，随着侧向环梁（腰梁）数量的增加，侧向水土压力作用下侧向变形不断减少，横向环梁整体刚度增大，也使得环梁所受弯矩逐步增加；算例1、4和算例2、3同样表明，扶壁柱数量的增加，可减少侧向变形，但同样增加了结构的整体刚度，扶壁柱弯矩有所增大. 故在环梁（腰梁）及扶壁柱组成的结构体系共同承担外侧的水土压力时，随着环梁或扶壁柱数量的增加，可减少结构侧向变形，增加了工程的可靠性，但可能导致部分结构弯矩增加，同时也增加了工程造价. 因此应考虑扶壁柱与横向环梁（腰梁）间的刚度协调，过多地设置环梁或扶壁柱对结构刚度改善不甚显著，故实际设计时，在保证结构安全的同时，也需适当控制工程造价.

图11 结构弯矩及侧向位移Fig.11 Structural bending moment and lateral displacement

4 结论

1）结合地铁轨排井相关工程实践及研究现状，建议轨排井尽量设置在地下二层车站跨中位置，以尽量保证工程的可靠性和经济性.

2）依据在建工程，采用荷载-结构模型建立地下三层轨排井结构计算模型，对结构受力及变形进行分析，总结轨排井受力变形特点，计算得到的变形与受力基本与实际受力情况相符.

3）基于计算结果的分析，建议在设计时应充分考虑环梁和扶壁柱受力特点及正负弯矩分布区域，对作为环梁支座的端部壁柱进行加强，对扶壁柱与底板交界处，可考虑设置加强梁.

4）在轨排孔等大开孔结构物设计时，需综合考虑结构各个施工工序，特别是对于围护结构体系与主体结构受力转换过程中，对楼板换撑刚度需进行折减，可结合施工工序设置临时支撑以增加楼板刚度，并避免因现场赶工带来的潜在风险. 此外需重视最不利工况下水浮力等因素对结构产生的影响.

5）针对实践中采用较多的环梁+扶壁柱措施，对其布置进行参数分析，运算结果发现，扶壁柱+环梁在受力过程中存在刚度协调，实际设计中应根据需要，合理布置环梁及扶壁柱数量，在保证安全的同时，降低工程造价.