地铁车站端头井及轨排井受力计算与分析

吴毓超，梁旭燕

（宏润建设集团股份有限公司宏润建设设计研究院，上海 201200）

近年来，中国各大城市都在发展地铁建设。在地铁车站中，盾构端头井的中板及顶板一般会设置8 m×11 m的盾构吊装孔，而轨排井范围的中板及顶板一般会设置5 m×28 m的铺轨孔，这类大孔洞附近板墙的受力计算往往是车站结构设计过程中的重点与难点。

文章以海宁市某车站为分析对象，比较分析端头井及轨排井的二维建模计算与三维建模计算结果。

1 工程概况

海宁市某地铁车站位于某交叉路口，呈东西向布置。路口东北侧为在建别墅区，西北侧为别墅小区，东南侧为在建楼盘，西南侧为某教育园区。车站小里程端设置盾构始发井，大里程端按照远期规划设置盾构接收井，端头井处左右线均设置8 m×11.4 m盾构吊装孔，底板深17.7～18.6 m，顶板覆土2.9～4.2 m。在车站东段35-39轴附近设置8.5 m×28 m的铺轨孔（左右线合设），结构断面为地下两层单柱双跨结构，位于中轴处的框架柱与铺轨临时轨道冲突，需待铺轨施工完成后与顶、中板铺轨孔同期后浇，在孔边布置横框梁，并设置10根临时格构柱作为施工期横框梁竖向支撑，铺轨施工完成后割除回收，此处结构外包宽度为19.7 m，底板埋深16 m，顶板覆土约3 m。

该站土层主要为软弱土层：黏土、粉质黏土、黏质粉土，坑底位于⑥黏土层。本工程永久性抗浮设防水位为地表以下0.5 m。

2 设计原则与设计荷载

2.1 设计原则

车站主体结构主要构件设计使用年限为100年，构件的安全等级为一级，结构重要性系数为1.1。

车站结构设计需进行抗浮稳定验算，抗浮稳定安全系数施工期不小于1.05，使用期不小于1.1。

最大计算裂缝宽度允许值按荷载效应准永久组合，裂缝允许值迎土面为0.2 mm，背土面为0.3 mm。

土压力可由地下连续墙及车站侧墙共同承担，此时地墙刚度需折减0.3～0.4；地下侧水压力由车站侧墙独立承担。

2.2 设计荷载

2.2.1 永久荷载

（1）结构自重①：钢筋混凝土自重γ=25 kN/m3。

（2）覆土荷载②：取地勘提供的实际土层重度。

（3）浮力③：按照地勘资料显示本工程抗浮设防水位按地表以下0.5 m考虑。

（4）侧向水土荷载④：采用静止土压力，使用阶段水土分算，施工期按降水考虑。

2.2.2 可变荷载

（1）人群荷载⑤：4 kPa。

（2）设备荷载⑥：8 kPa，重型设备需专门进行结构计算。设备区隔墙荷载、悬吊荷载分项计入。

（3）地面超载⑦：20 kPa。

（4）侧面超载⑧：地面超载乘以侧土压力系数。

（5）施工荷载⑨：8 kPa；场地堆载20 kPa；端头井管片堆载30 kPa，盾构吊装荷载70 kPa；铺轨期间轨排井前后200 m范围内顶板上方施工荷载24 kPa，车站两侧10 m范围内32 kPa。

偶然荷载文章不涉及。

2.2.3 荷载组合

荷载组合分项系数见表1：

表1 荷载组合分项系数

设计中控制结构设计的是基本组合。荷载组合考虑车站正常运营后的最不利组合，具体包括运行工况组合和浮托工况组合。

2.2.3.1 运行工况组合

承载能力极限状态组合：

1.1×（1.3×（① +②+③+④）+1.1×1.5×（⑤+⑥+⑦+⑧+⑨））

正常使用极限状态组合：

①+②+③+④+⑤+⑥+⑦+⑧+⑨

2.2.3.2 浮托工况组合

承载能力极限状态组合：

1.1×（1.3×（①+②+③+④）+1.1×1.5×（⑧））

正常使用极限状态组合：

①+②+③+④+⑧

取用各工况组合条件下的内力包络值作为结构配筋并验算裂缝开展宽度的依据。

3 计算分析

3.1 端头井计算

端头井计算考虑端头井的两个不同工况：施工期、使用期。

施工期：顶、中板盾构吊装孔未封闭，端头井未覆土，考虑施工机械荷载，基坑坑内降水，盾构吊装区域超载按70 kPa施工荷载考虑。

使用期：吊装孔封闭，端头井覆土，主体投入运营。

使用有限元分析软件建立横向框架二维模型及端头井范围50 m长车站（包含20 m标准段）三维模型，计算结果见图1～图4。

图1 三维计算使用期竖向弯矩设计值

图2 三维计算使用期横向弯矩设计值

图3 三维计算横框梁施工期弯矩设计值

图4 二维计算使用期弯矩设计值

计算结果显示二维模型计算得出的弯矩值要大于三维模型计算结果，是因为二维模型计算中荷载完全由车站纵梁及侧墙承担，忽略了端墙的作用，而端头井的板、墙长宽比为1.75和1.1，按照双向板考虑，由三面侧墙及端头横梁共同分担荷载，才是更加符合实际情况的，所以应采用三维模型计算的结果来进行结构设计。而且在二维模型中无法模拟施工期横框梁的作用，若单独建模计算横框梁得到的结果又过于保守，配筋不经济。

3.2 轨排井计算

轨排井计算需考虑两个不同工况：施工期、使用期。

施工期：顶、中板盾构轨排井未封闭，孔顶板两侧未覆土，沿线路方向前后顶板已覆土，基坑坑内泄水孔未封闭，沿线路方向前后顶板超载按24 kPa考虑，两侧超载按32 kPa考虑。

使用期：铺轨孔封闭，顶板覆土，主体投入运营。

使用有限元分析软件建立横向框架二维模型及轨排井范围50 m长车站三维模型：

施工期在顶中板分别设置孔边梁，顶板横框梁尺寸为6.8m×0.8m，中板横框梁尺寸为6.8 m×0.6 m，在三维模型中考虑横框梁作用，计算模型及结果见图5～图8。

图5 三维模型

图6 横框梁施工期弯矩设计值

图7 施工期竖向弯矩设计值

图8 施工期纵向弯矩设计值

使用期不考虑横框梁作用，以二维模型计算结果为主，计算结果见图9、图10。

图9 二维模型使用期弯矩设计值

图10 二维模型使用期弯矩标准值

由于轨排井附近结构框架更符合单向板的特点，因此可以采用横向框架的二维模型计算结果来配置钢筋，以满足正常使用期的受力。而三维模型计算的结果显示，由于轨排井的大开孔，侧墙在顶中板处的约束减弱，支座弯矩往跨中转移，跨中正弯矩增大；另由于孔范围内的框架柱需后浇，各层板的纵向跨度变大，纵向正弯矩也相应增大。用三维模型计算结果复核配筋，需加强侧墙竖向跨中及墙、板纵向钢筋（原墙、板纵向钢筋按照二维模型计算时为非主受力方向的分布筋，仅需按照构造配置）。横框梁采用三维模型计算结果配筋，顶板横框梁及中板横框梁跨高比为4.12，应按照深受弯构件计算配筋。

4 结论

端头井的墙板长宽比一般小于2，应按照双向板考虑，采用三维模型计算结果来设计。轨排井的墙板设计应先按照使用期二维模型计算的结果来配筋，再用施工期三维模型的计算结果复核，需注意侧墙竖向跨中及墙、板纵向配筋能否满足施工期的强度配筋要求。横框梁应采用三维模型计算结果配筋，计算时需考虑若端部约束不强时，可在支座处修改为铰接约束，来放大一部分的跨中弯矩，并用两端固结的计算结果来包络设计。单柱双跨结构的车站，若轨排孔位于中部，则孔边横框梁跨高比较小，应按深受弯构件计算配筋。