1、地铁轨排井支护结 构设计与分析张 鹏北京市中铁五院集团公司城市轨道交通设计院摘要 ： 在城市轨道交通建设中 ， 结构设计方案常涉及到大尺寸开洞结构的受力问题 ， 如盾构施工竖井 、 轨排工作井等 。 此类结构由于受吊装构件的特殊要求 ， 对其支护形式有一定的限制，即在较长的范围内不能设置内支撑，结构设计均优先考虑基坑支护独立受力设计方案 。但受到周边管线 、 建构筑物 、 地层条件以及设计方案其他因素等限制 ， 常有某些轨排井难以采取基坑支护独立受力的设计方案 。 本文以北京地铁 7 号线湾子站轨排井为例 ， 对轨排井支护结构的选择及其要点进行了分析，为类似工程设计提供了一定的参考和依据。关键
2、词 ： 轨排井 锚索 等效弹性支点刚度 平面应变模型A bs t r a c t : i n t he ur ba n r a i l t r a ns i t c o ns t r uc t i o n, t he s t r uc t ur e de s i gn i s o f t e n i nv o l v e s l a r ge s i z edi s t r i b ut i o ns o f t he s t r uc t ur e s t r e s s i s s ue s , s uc h a s t he s hi e l d t un ne l s ha f t ,
3、 Gu i P a i wo r k we l l .T hi s ki n d o f s t r uc t u r e , due t o t he s pe c i a l r e qui r e me n t s o f ho i s t i ng c o mpo n e nt , t he s upp o r t i n gf o r m t o ha v e c e r t a i n r e s t r i c t i o n , na me l y i n t he l o ng r a nge c a nno t s e t i n s uppo r t , t he s t
4、 r uc t ur ede s i gn ha v e pr e f e r r e d f o un da t i o n pi t s upp o r t i n g f o r c e i nde pe n de n t de s i gn s c he me . Bu t pi pe s ,bui l t by s ur r o und i ng s t r uc t ur e s , f o r ma t i o n c o ndi t i o n s a nd o t h e r f a c t o r s , s uc h a s t he de s i gns c he me
5、 l i mi t , o f t e n ha ve t o t a k e s o me Gu i P a i we l l f o un da t i o n pi t s upp o r t i n g i nde p e nd e nt f o r c ede s i gn s c he me . T hi s a r t i c l e o n t he Be i j i n g s ubwa y l i ne no . 7 s o n s t o o d Gu i P a i we l l ba y f o r a ne xa mp l e , Gu i P a i we l l
6、 s upp o r t i n g s t r uc t ur e s e l e c t i o n a nd po i nt s a r e a na l y z e d, a nd t he de s i gn f o rs i mi l a r pr o j e c t pr o v i de s s o me r e f e r e nc e a nd ba s i s .Ke y wo r ds : we l l Gu i P a i e qui v a l e nt e l a s t i c f ul c r u m s t i f f n e s s a nc h o r
7、c a bl e pl a ne s t r a i n mo de l中图分类号： U 455.7+1 文献标识码： A 文章编号：一、 引言在轨道交通建设中 ， 轨排均需通过轨排井由地面吊入位于一定深度的隧道内 ， 由于钢轨的单节标准长度为 25m，为满足铺轨需要，单个轨排井井口预留开洞的净长约 30m，净宽需 3.5m左右。目前对轨排井段的结构设计均优先考虑基坑支护独立受力设计方案，鉴于轨排井基地吊装构件的要求 ， 在较长的范围内不能设置支撑 ， 一般采用 “ 桁架式 ” 悬臂围护结构、围护墙 + 锚索结构形式等。然而，受到周边管线、建构筑物、地层条件以及设计方案其他因素等限制 ， 常有
8、某些轨排井难以采取基坑支护独立受力的设计方案 ， 必须考虑主体结构与之共同承担荷载 。 对于结构设计来说 ， 如何选取更加合理的设计方案和计算模型来解决诸如轨排井等大尺寸开洞结构的受力问题是至关重要的。二、 北京地铁 7 号线湾子站轨排井支护结构设计1 、 工程概况湾子站为侧式车站，采用明挖法施工，为单柱双层双跨矩形框架结构，车站顶板覆 土3.8m，主体结构宽 24.4m，高 16.4m，采用 C40混凝土。根据全线总体施工安排，在该站东端左右线各设轨排一处。最小净空为 3.8（宽） 28.2m（长）。2 、 工程地质与水位地质车站主体结构位于卵石 层和卵石 层，根据人工探井资料场地存在粒径大
9、于 200mm的漂石，连续分布，含量约占 65%，其中卵石 层砾石颗粒最大天然抗压强度达到 185Mpa。地下水位位于底板以下，施工无需采取降水措施。车站典型地质情况如下表。土层编号 土层名称土层厚度（ m ）容重(kN/m3 )内摩擦角( )静止侧压力系数 K0基床系数(MPa/m)水平 垂直 1 杂填土 0.75 16.0 8 粉土填土 3.9 16.5 8 5 圆砾 4.7 21 40 0.33 100 85 卵石 7 21.5 45 0.3 100 85 卵石 6.5 21.5 45 0.28 100 853 、 围护结构设计方案选择由于本站较一般标准站层高高且埋深大，基坑宽度为 24
10、.6m。车站主体基坑深度达 到20m， 属于深基坑设计 。 排桩支护为北京地区同类工程最常用的围护结构形式 ， 支护强度大 ，控制变形好 ， 是北京地区深大基坑的首选 。 轨排井的结构设计优先考虑基坑支护独立受力设计方案。基坑竖向采用四道锚索，围护结构横剖面图见图 1 。图 1 围护结构横剖面图大粒径漂石对围护结构的施工产生较大的影响，锚索成孔难度很大，且车站主体北侧有一条 5000 3000的热力管沟，管沟为暗挖马蹄形结构，结构埋深 13.3m。热力管沟结构外缘距主体结构外缘平面最近距离为 2.9m,竖向位置处于车站主体中下部 。 一方面热力管沟对锚索的竖向布置影响很大，另一方面在主体施工施
11、工中对热力管沟的安全也难以保证。基于上述原因本站最终未采用桩锚围护结构方案 ， 根据工程地质与水文地质条件特点 ，围护结构设计方案采用钻孔灌注桩 + 钢管内支撑支护体系。主体围护结构设计方案如图 2 ，采用 8001400钻孔灌注桩，竖向设置四道 600钢管内支撑，纵向间距 3m。图 2 围护结构横剖面图4 、 轨排井段受力核算根据轨排井施工吊装要求和车站围护结构设计方案 ， 轨排施工时 ， 洞口范围内不能有内支撑 ， 进行轨排井段核算时 ， 必须考虑主体结构与围护结构共同承受荷载 。 按照通常的设计思路 ， 由于轨排井预留口纵向长度达到 28m ， 一般考虑采用平面应变模型 ， 以底板作为侧
12、墙的固定端 ， 侧墙视为悬臂板进行核算 ， 计算模型简图如图 3 。 本站据此模型计算结果 ， 侧墙端部弯矩达到 5000kN. m , 侧墙设计厚度近 2. 0m （裂缝控制 ） ，即使考虑主体结构与围护结构共同受力，在满足受力、变形及裂缝要求的条件下侧墙设计厚度也许达到 1. 7m 以上，底板作为侧墙的固定端，设计厚度也需达到 1. 7m 以上。为了解决结构受力不合理与板厚过大设计不经济的问题，本站采用合理的假设条件 ， 将轨排井洞口纵梁的弯曲变形刚度转换为该点处的等效弹性支点刚度 ， 建立简化的平面应变模型，进行结构受力分析和结构设计。三、 计算模型简化分析轨排井开洞结构的受力和变形可知
13、 ： 在顶板和中板洞口加设大刚度的纵梁度侧墙的受力和变形有很大的改善 ， 且纵梁刚度越大侧墙内力和水平变形越小 ， 因此 ， 简化计算模型的关键在于如何考虑纵梁在平面应变模型中的应用。按照结构线弹性变形理论 ， 结构构件的变形与荷载条件 、 边界条件以及构件的刚度有关 ，对一定边界条件下结构的受力变形计算后 ， 反算该构件的变形刚度 ， 可将该构件视为原结构模型中的边界条件。1 、 计算模型假定假设洞口纵梁受均布荷载（ q ）作用，两端为固定支承。如图 4 。图 3 平面应变计算模型 图 4 纵梁假设模型根据 假设， 可得出 纵梁 x 点出 的等效 弹性支 点刚度 （ K ）为 ： K = 2
14、4EI / （ l 2 x 2 ( 1- ) 2 ） ,其中 E I 为纵梁弯曲截面刚度， l 为纵梁长度， = x/ l 。2 、 简化平面应变模型的建立按照以上假定条件 ， 可建立轨排井开洞结构沿纵梁方向任意点处的简化平面应变模型 ， 为了考虑顶板 、 中板及底板对侧墙内力分配的影响 ， 简化平面应变模型的顶板 、 中板留出的板长 （ 7. 5m ） 应与洞口至侧墙的板长一至 ， 底板板长取结构横断面两跨中部 （ 12.2m ） 。简化计算模型见图 5 、图 6 。图 5 纵 梁 x 点处结构简化计算模型 图 6 纵梁端部结构简化计算模型简化模型与原平面应变模型（图 3 ）的结构模型、荷载
15、条件基本一致，主要区别是 ： 简化模型在顶板 、 中板处加设了弹性支撑模拟洞口纵梁对侧墙作用 ， 根据洞口纵梁不同位置处等效弹性支点刚度（ K x ） ，能够分析计算洞口纵梁任意点（ x ）处的结构受力。将以上简化模型计算得出的等效弹性支点反力作为作用在洞口纵梁上的荷载 ， 按纵梁两端固定支撑条件可进行纵梁的内力计算，计算模型见图 8 。图 7 纵梁假设模型按照模型假设，纵梁各点处的等效弹性支点刚度是不相等的，简化计算模型按此条件计算所得的结构支点反力 （ F x ） 也是不相等 ， 即纵梁假设模型 （ 图 4 ） 与简化后纵梁计算模型的荷载条件有一定的偏差 ， 并非完全一致 。 对于本站设计
16、 ， 通过调整顶板和中板轨排井洞口纵梁弯曲刚度及适当加厚侧墙等方法减少模型假设与实际荷载条件不一致的影响。北京地铁 7 号线湾子站结构设计采用本文的简化平面应变模型进行受力和结构设计 ， 最终顶板和中板轨排井开洞处设置的纵梁尺寸为高 7. 5m ， 宽 1. 2m ， 车站主体结构侧墙设计厚度为地下一层 700mm 、 1100mm ， 底板设计厚度为 900mm 。 设计图纸已通过了强制性审查 。本文限于篇幅 ， 针对该工程未将空间板壳计算模型加于本文 。 通过两种模型的结果对比 ，两种模型侧墙在顶板 、 中板 、 底板处弯矩的分布趋势是一致的 ， 且数值很接近 ， 说明简化的平面应变计算模
17、型是合理的。四、 结论与建议本文以北京地铁 7 号线湾子站轨排井为例 ， 对轨排井支护结构的选择及对其结构要点进行了分析，可以得出一下结论。 本站采用主体结构与围护结构共同承受荷载 ， 并对洞口对大刚度梁简化平面应变模型假设是相对合理的。 在利用简化平面应变模型时 ， 纵梁需有足够的刚度 ， 否则平面模型的等效支点反力分布与条件假设相差较大，简化平面应变模型和空间板壳的计算结构也会偏差较大。参考文献 1 建筑基坑支护技术规程 （ J G J 120 99） . 北京： 中国建筑工业出版社出版 . 1999 2 地铁设计规范 M . 第一版 . 北京：中国计划出版社 . 2003 3施仲 衡，张 弥，宋 敏华等 。地下 铁道设 计与施 工 M 。陕 西科学 技术出 版社， 2006年 5月第二版。 4刘贵凤 ， 彭小林 ， 陈巨武 等。地铁隧道轨排井支护施工 。 广东土木与建筑 2007年 0 7期。 5马长涛 ， 金大春 ， 宋成辉 。深圳地铁 3 号线轨排井围护结构设计优化 。 都市快轨交通 2008年 01 期。
