吳毓超，梁旭燕

（宏潤(rùn)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司宏潤(rùn)建設(shè)設(shè)計(jì)研究院，上海 201200）

近年來(lái)，中國(guó)各大城市都在發(fā)展地鐵建設(shè)。在地鐵車(chē)站中，盾構(gòu)端頭井的中板及頂板一般會(huì)設(shè)置8 m×11 m的盾構(gòu)吊裝孔，而軌排井范圍的中板及頂板一般會(huì)設(shè)置5 m×28 m的鋪軌孔，這類(lèi)大孔洞附近板墻的受力計(jì)算往往是車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

文章以海寧市某車(chē)站為分析對(duì)象，比較分析端頭井及軌排井的二維建模計(jì)算與三維建模計(jì)算結(jié)果。

1 工程概況

海寧市某地鐵車(chē)站位于某交叉路口，呈東西向布置。路口東北側(cè)為在建別墅區(qū)，西北側(cè)為別墅小區(qū)，東南側(cè)為在建樓盤(pán)，西南側(cè)為某教育園區(qū)。車(chē)站小里程端設(shè)置盾構(gòu)始發(fā)井，大里程端按照遠(yuǎn)期規(guī)劃設(shè)置盾構(gòu)接收井，端頭井處左右線(xiàn)均設(shè)置8 m×11.4 m盾構(gòu)吊裝孔，底板深17.7～18.6 m，頂板覆土2.9～4.2 m。在車(chē)站東段35-39軸附近設(shè)置8.5 m×28 m的鋪軌孔（左右線(xiàn)合設(shè)），結(jié)構(gòu)斷面為地下兩層單柱雙跨結(jié)構(gòu)，位于中軸處的框架柱與鋪軌臨時(shí)軌道沖突，需待鋪軌施工完成后與頂、中板鋪軌孔同期后澆，在孔邊布置橫框梁，并設(shè)置10根臨時(shí)格構(gòu)柱作為施工期橫框梁豎向支撐，鋪軌施工完成后割除回收，此處結(jié)構(gòu)外包寬度為19.7 m，底板埋深16 m，頂板覆土約3 m。

該站土層主要為軟弱土層：黏土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土，坑底位于⑥黏土層。本工程永久性抗浮設(shè)防水位為地表以下0.5 m。

2 設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)荷載

2.1 設(shè)計(jì)原則

車(chē)站主體結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件設(shè)計(jì)使用年限為100年，構(gòu)件的安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。

車(chē)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需進(jìn)行抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算，抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)施工期不小于1.05，使用期不小于1.1。

最大計(jì)算裂縫寬度允許值按荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合，裂縫允許值迎土面為0.2 mm，背土面為0.3 mm。

土壓力可由地下連續(xù)墻及車(chē)站側(cè)墻共同承擔(dān)，此時(shí)地墻剛度需折減0.3～0.4；地下側(cè)水壓力由車(chē)站側(cè)墻獨(dú)立承擔(dān)。

2.2 設(shè)計(jì)荷載

2.2.1 永久荷載

（1）結(jié)構(gòu)自重①：鋼筋混凝土自重γ=25 kN/m3。

（2）覆土荷載②：取地勘提供的實(shí)際土層重度。

（3）浮力③：按照地勘資料顯示本工程抗浮設(shè)防水位按地表以下0.5 m考慮。

（4）側(cè)向水土荷載④：采用靜止土壓力，使用階段水土分算，施工期按降水考慮。

2.2.2 可變荷載

（1）人群荷載⑤：4 kPa。

（2）設(shè)備荷載⑥：8 kPa，重型設(shè)備需專(zhuān)門(mén)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。設(shè)備區(qū)隔墻荷載、懸吊荷載分項(xiàng)計(jì)入。

（3）地面超載⑦：20 kPa。

（4）側(cè)面超載⑧：地面超載乘以側(cè)土壓力系數(shù)。

（5）施工荷載⑨：8 kPa；場(chǎng)地堆載20 kPa；端頭井管片堆載30 kPa，盾構(gòu)吊裝荷載70 kPa；鋪軌期間軌排井前后200 m范圍內(nèi)頂板上方施工荷載24 kPa，車(chē)站兩側(cè)10 m范圍內(nèi)32 kPa。

偶然荷載文章不涉及。

2.2.3 荷載組合

荷載組合分項(xiàng)系數(shù)見(jiàn)表1：

表1 荷載組合分項(xiàng)系數(shù)

設(shè)計(jì)中控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的是基本組合。荷載組合考慮車(chē)站正常運(yùn)營(yíng)后的最不利組合，具體包括運(yùn)行工況組合和浮托工況組合。

2.2.3.1 運(yùn)行工況組合

承載能力極限狀態(tài)組合：

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

正常使用極限狀態(tài)組合：

①+②+③+④+⑤+⑥+⑦+⑧+⑨

2.2.3.2 浮托工況組合

承載能力極限狀態(tài)組合：

1.1×（1.3×（①+②+③+④）+1.1×1.5×（⑧））

正常使用極限狀態(tài)組合：

①+②+③+④+⑧

取用各工況組合條件下的內(nèi)力包絡(luò)值作為結(jié)構(gòu)配筋并驗(yàn)算裂縫開(kāi)展寬度的依據(jù)。

3 計(jì)算分析

3.1 端頭井計(jì)算

端頭井計(jì)算考慮端頭井的兩個(gè)不同工況：施工期、使用期。

施工期：頂、中板盾構(gòu)吊裝孔未封閉，端頭井未覆土，考慮施工機(jī)械荷載，基坑坑內(nèi)降水，盾構(gòu)吊裝區(qū)域超載按70 kPa施工荷載考慮。

使用期：吊裝孔封閉，端頭井覆土，主體投入運(yùn)營(yíng)。

使用有限元分析軟件建立橫向框架二維模型及端頭井范圍50 m長(zhǎng)車(chē)站（包含20 m標(biāo)準(zhǔn)段）三維模型，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1～圖4。

圖1 三維計(jì)算使用期豎向彎矩設(shè)計(jì)值

圖2 三維計(jì)算使用期橫向彎矩設(shè)計(jì)值

圖3 三維計(jì)算橫框梁施工期彎矩設(shè)計(jì)值

圖4 二維計(jì)算使用期彎矩設(shè)計(jì)值

計(jì)算結(jié)果顯示二維模型計(jì)算得出的彎矩值要大于三維模型計(jì)算結(jié)果，是因?yàn)槎S模型計(jì)算中荷載完全由車(chē)站縱梁及側(cè)墻承擔(dān)，忽略了端墻的作用，而端頭井的板、墻長(zhǎng)寬比為1.75和1.1，按照雙向板考慮，由三面?zhèn)葔岸祟^橫梁共同分擔(dān)荷載，才是更加符合實(shí)際情況的，所以應(yīng)采用三維模型計(jì)算的結(jié)果來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而且在二維模型中無(wú)法模擬施工期橫框梁的作用，若單獨(dú)建模計(jì)算橫框梁得到的結(jié)果又過(guò)于保守，配筋不經(jīng)濟(jì)。

3.2 軌排井計(jì)算

軌排井計(jì)算需考慮兩個(gè)不同工況：施工期、使用期。

施工期：頂、中板盾構(gòu)軌排井未封閉，孔頂板兩側(cè)未覆土，沿線(xiàn)路方向前后頂板已覆土，基坑坑內(nèi)泄水孔未封閉，沿線(xiàn)路方向前后頂板超載按24 kPa考慮，兩側(cè)超載按32 kPa考慮。

使用期：鋪軌孔封閉，頂板覆土，主體投入運(yùn)營(yíng)。

使用有限元分析軟件建立橫向框架二維模型及軌排井范圍50 m長(zhǎng)車(chē)站三維模型：

施工期在頂中板分別設(shè)置孔邊梁，頂板橫框梁尺寸為6.8m×0.8m，中板橫框梁尺寸為6.8 m×0.6 m，在三維模型中考慮橫框梁作用，計(jì)算模型及結(jié)果見(jiàn)圖5～圖8。

圖5 三維模型

圖6 橫框梁施工期彎矩設(shè)計(jì)值

圖7 施工期豎向彎矩設(shè)計(jì)值

圖8 施工期縱向彎矩設(shè)計(jì)值

使用期不考慮橫框梁作用，以二維模型計(jì)算結(jié)果為主，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 二維模型使用期彎矩設(shè)計(jì)值

圖10 二維模型使用期彎矩標(biāo)準(zhǔn)值

由于軌排井附近結(jié)構(gòu)框架更符合單向板的特點(diǎn)，因此可以采用橫向框架的二維模型計(jì)算結(jié)果來(lái)配置鋼筋，以滿(mǎn)足正常使用期的受力。而三維模型計(jì)算的結(jié)果顯示，由于軌排井的大開(kāi)孔，側(cè)墻在頂中板處的約束減弱，支座彎矩往跨中轉(zhuǎn)移，跨中正彎矩增大；另由于孔范圍內(nèi)的框架柱需后澆，各層板的縱向跨度變大，縱向正彎矩也相應(yīng)增大。用三維模型計(jì)算結(jié)果復(fù)核配筋，需加強(qiáng)側(cè)墻豎向跨中及墻、板縱向鋼筋（原墻、板縱向鋼筋按照二維模型計(jì)算時(shí)為非主受力方向的分布筋，僅需按照構(gòu)造配置）。橫框梁采用三維模型計(jì)算結(jié)果配筋，頂板橫框梁及中板橫框梁跨高比為4.12，應(yīng)按照深受彎構(gòu)件計(jì)算配筋。

4 結(jié)論

端頭井的墻板長(zhǎng)寬比一般小于2，應(yīng)按照雙向板考慮，采用三維模型計(jì)算結(jié)果來(lái)設(shè)計(jì)。軌排井的墻板設(shè)計(jì)應(yīng)先按照使用期二維模型計(jì)算的結(jié)果來(lái)配筋，再用施工期三維模型的計(jì)算結(jié)果復(fù)核，需注意側(cè)墻豎向跨中及墻、板縱向配筋能否滿(mǎn)足施工期的強(qiáng)度配筋要求。橫框梁應(yīng)采用三維模型計(jì)算結(jié)果配筋，計(jì)算時(shí)需考慮若端部約束不強(qiáng)時(shí)，可在支座處修改為鉸接約束，來(lái)放大一部分的跨中彎矩，并用兩端固結(jié)的計(jì)算結(jié)果來(lái)包絡(luò)設(shè)計(jì)。單柱雙跨結(jié)構(gòu)的車(chē)站，若軌排孔位于中部，則孔邊橫框梁跨高比較小，應(yīng)按深受彎構(gòu)件計(jì)算配筋。