悬臂式地铁轨排井结构设计

摘要：在地铁轨排井周围埋置大量管线或者存在含水量丰富的深厚砂土的情况下，锚索支护结构存在着难以施工，止水困难的缺点。针对上述情况下，悬臂式轨排井结构可作为一种更加合理的设计思路。通过工程实例较系统地阐述了悬臂式轨排井结构设计方法，分析了不同施工状态下支护结构的受力性状，提出了施工应注意的事项。最后，将悬臂式轨排井与锚索支护轨排井进行对比，表明了悬臂式轨排井的适用性。

关键词： 地铁轨排井结构; 悬臂式; 主体结构和支护结构; 共同受力

0 引言

在轨道交通建设中，隧道内轨道施工之前，先在地面场地内把轨道安装成轨排，每节轨排长为25m，待隧道土建施工完时，将轨排通过土建施工预留的孔洞吊入隧道，在隧道内向前延伸安装。预留的孔洞即为“轨排井”。每隔约6～8公里预留一处。为满足铺轨施工需要，轨排井结构需考虑满足下轨排工况受力需要，轨道施工完后还需满足线路运营工况受力需要。轨排井一般在车站、中间风井、盾构井等结构上预留，单个洞口尺寸长约30m，宽约5m，洞口个数根据排轨施工确定。

1 工程概况

广州市轨道交通三号线北延段龙归站～人和站区间起讫里程YDK-18-017.7～YDK-23-273.9，右线全长：5232.323m，左线全长：5234.346m，线路呈南北走向。本区间较长，兼顾盾构始发需要，在区间总长度两个三分点的位置各设置一处中间风机房。

南端风井里程为YDK-19-830～YDK-19-909.6，总长度79.6米，沿纵向可分成三个区段，两端兼作盾构始发井，中间兼作轨排井，结构平面布置如图1所示。场地位于龙归镇北村境内106国道西侧。风井东侧为106国道，西侧为空地，北侧有少量C类建筑，南侧为鱼塘。等盾构和轨排施工完成后，二次浇筑封闭顶板及中板，主体结构可作为中间风机房使用。

在盾构和轨排施工的工况，考虑主体和支护结构共同承受荷载。盾构井主体结构按环框梁设计，轨排井按悬臂结构设计。明挖井开口部位施工状态下按环框梁设计，已是很常规的做法，本文不再作介绍，下面主要介绍轨排井施工工况的设计，根据地质条件及周边环境对本轨排井采用悬臂式结构设计。

图1 中间风井平面示意图

2 地质水文概况

2.1地质概况

岩土层分布从上至下分别为：人工填土层，冲积―洪积粉细砂层、中粗砂层、砾砂层、土层，残积土层，碎屑岩岩石全风化带、强风化带、中等风化带、微风化带。土层力学主要参数如表1所示。

岩土分层 岩土名称 天然密度 粘聚力 内摩擦角

×103kg/m3 kPa °

1 素填土 1.89 15 15

粉细砂层 1.80 0 29.0

中细砂层 1.85 0 30.0

砾砂层 1.90 0 32.0

粉质粘土层 1.88 25.5 17.2

全风化泥质粉砂岩、砂砾岩 1.91 34 22.5

强风化泥质粉砂岩、砂砾岩 2.27 60 28

中风化含砾砂岩 2.36 120 29

微风化含砾砂岩 2.4 1000 30

表1 龙归--人和区间岩土层力学主要参数建议值

2.2水文概况

地下水稳定水位埋深为-2.15～8.50m，标高为3.61～17.53m，每年5～10月水位会明显上升，地下水对混凝土结构及其内部钢筋无腐蚀性；对钢结构具弱腐蚀性。

3 结构设计

3.1支护结构设计

3.1.1支护结构型式

基坑安全等级为一级，其重要性系数1.1。支护结构采用地下连续墙+内支撑的方式，连续墙兼做止水。连续墙采用工字钢接头，嵌固深度最小按粘土层5.5米，强风化层4米，中风化层2.5米，微风化层1.5米。横断面布置如图2。

基坑采用三道支撑，其中第一道采用800x1000钢筋砼支撑。第二道直撑均采用φ600、t=14钢支撑，斜撑采用600x800钢筋混凝土撑。第三道直撑均采用φ600、t=12钢支撑，斜撑采用φ600、t=14钢支撑。

支护结构材料：连续墙顶冠梁、墙身、导墙及腰梁采用C30混凝土；钢筋为HRB335、HPB235；钢管、钢围檩为Q235钢材。

图2 支护结构剖面

3.1.2支护结构计算

计算荷载按照以下值选取：

（1）结构自重：钢筋砼自重按25kN/m3计。

（2）水土侧压力：按朗金主动土压力进行计算，砂土水土分算，其余土层水土合算。

（3）地面超载：轨排井按20kPa计。

对于该模型，计算模型为：

支护结构施工计算工序：连续墙施工、开挖并设置内支撑（当超挖至支撑面下50cm时施工本道支撑）、回筑主体结构并拆撑（和开挖的顺序相反）。

针对地质钻孔资料，采用理正深基坑软件分别采用弹性法（m法）土压力模型和经典法土压力模型对开挖和回筑的各个工况计算，计算结果包络如图3所示：

图3 地下连续墙计算结果包络图

根据计算结果，基坑水平位移最大值6.31mm＜30mm，满足规范要求，连续墙截面配筋满足截面受力要求，支撑受力亦满足要求。基坑抗倾覆、抗隆起等计算亦满足要求(计算过程略)。

3.2主体结构设计

3.2.1主体结构型式

轨排井段结构断面：顶板厚700、底板厚1800、中板厚400、外侧墙负一层厚1200mm，负二层厚1800mm。见图4。

顶板、顶梁、底板、边墙采用C30防水混凝土，抗渗等级为S8，中板、中梁、暗柱等盾构井内砼结构采用C30混凝土。中柱采用C50砼。底板下垫层采用C15混凝土。钢筋级别采用HPB235级和HRB335级。

施工中板和顶板时，需要在隧道左右线位置各预留一个30x5米的孔洞，孔洞内部设置临时支撑，支撑间距5米，支撑截面400x1000mm。轨排施工时，打开支撑，施工后封闭孔洞。

图4 轨排井剖面

3.2.2主体结构计算

该工程主体结构的计算荷载，按如下原则计算：

（1）永久荷载

① 结构自重：按实际重量计算，其中钢筋混凝土自重按25kN/m3，素混凝土按22kN/m3。

② 覆土重：按竖向全土重计，覆土容重20kN/m3。

③ 水土压（浮）力：土压力按朗金主动土压力计算，砂土水土分算，其余土层水土合算，水压力根据使用阶段最不利地下水位时的全部压力计算。

④ 地层反力。

⑤ 设备荷载：设备区按8kPa设计。

⑥ 混凝土收缩作用：根据《铁路隧道设计规范》及《铁路桥涵设计规范》的规定,混凝土收缩的影响可假定用降低温度的方法计算。对整体浇筑的混凝土结构相当于降低20℃；对整体浇筑的钢筋混凝土结构相当于降低15℃：对分段浇注的混凝土或钢筋混凝土结构相当于降低10℃。

（2）可变荷载

① 施工荷载：根据施工的实际情况和机具摆放情况考虑施工过程按5kPa地面超载。

② 人群荷载；风机房等部位的人群荷载按4kPa的活荷载标准值计。

③ 地面超载：地面超载按20kPa计，并考虑扩散后作用在主体结构上。

④ 列车荷载：根据所采用的轨排车辆轴重、排列和制动力计算。

⑤ 温度作用力：根据广州地区温度情况及施工条件,分别按用阶段温度变化范围及施工期间混凝土内部峰值温度计。

（3）偶然荷载

① 地震荷载：地震基本烈度为七度，按七度抗震设防烈度进行抗震验算。

② 人防荷载：盾构井结构人防按6级抗力计。

轨排井断面采用平面杆系结构分析，按底板支承于弹性地基上的平面框架进行内力分析，沿轨排井纵向取一延米为计算单元。结构计算模式按结构的实际工作条件并反映结构与周围地层的相互作用共同工作原理考虑。假定施工阶段，围护和主体结构共同承受水土压力。采用sap2000有限元分析软件，建立计算模型，计算结果见图5a～图5e：

图5a 计算模型 图5b弯矩图

图5c轴力图 图5d剪力图

图5e变形图 图5f 验算截面(图形清晰度不够)

如图5f所示，取A、B、C截面为主体结构侧墙根部、中板位置、顶板位置，取D、E、F为围护结构最不利位置，A～F截面计算结果如表2所示：

表2截面验算表

位置 弯矩 剪力 位移 强度 裂缝

kN•m kN mm mm

A 4621 670 - 满足 0.195

B 465 336 满足 -

C - - 24 - -

D 32 - -

E 91 69 13 满足 -

F 661 328 - 满足 0.197

基坑顶面D截面水平位移32mm＞30mm，考虑轨排为短暂工况，持续时间约为3～6个月，可行。

支护结构F截面弯矩标准值661kN•m，支护结构截面配筋为25@200+22@200。考虑剪力削减后满足围护结构截面极限承载力要求，裂缝计算宽度0.197mm＜0.2mm，满足规范要求。

主体结构A截面最大弯矩标准值为4621kN•m，截面配筋为三排32@100。考虑剪力削减弯矩未超出截面承载能力极限。裂缝计算宽度0.195mm＜0.2mm，满足规范要求。

根据结构计算内力值，除按强度进行截面配筋计算外，还须按最大裂缝宽度控制在迎水面不大于0.2mm，背水面不大于0.3mm的要求验算，以确定各截面的配筋。计算结果表明结构构件均为裂缝宽度验算控制。

3.3施工注意事项

采用悬臂式轨排井结构，施工时候必须注意：

1、严格按照设计要求工序施工，保证结构实际受力和设计计算的工况相符。完成主体结构后，再拆除支护结构内支撑和施工轨排井。轨排井施工之前不得拆除内部临时支撑，轨排施工完成后封闭轨排井。如果只施工完成中板即施工盾构，计算结果将为表3所示：

表3 不同施工顺序下截面验算表

位置 弯矩 剪力 位移 强度 裂缝

kN•m kN mm mm

A 4233 342 - 满足 -

B - - 18 - -

C - - - - -

D - - 48 - -

E 555 268 - -

F 1049 447 - 不满足 -

由表3可见，如果不按照设计的工序严格进行施工，在F截面的弯矩将从按照设计工序下的661kN•m增长到1049kN•m，增加幅度约为58.7％，并且F截面的承载能力将不满足要求，发生正截面强度破坏。因此，在实际工程中应严格按照设计要求的的工序进行施工。

2、施工过程中，必须保证连续墙止水效果，防止在顶板和中板闭合前，侧墙悬臂结构承受过大的水压力。保证底板泄水孔通畅，侧墙与支护结构之间若有积水，应通过底板泄水孔排泄。

3.4不同结构类型的对比分析

本工程地质条件特殊，砂层较厚且含水丰富，基坑厚3.8～6米，若采用锚索支护，支护结构止水较困难。基坑东侧为国道公路，沿路两侧埋置大量管线，锚索支护场地不足。经过合理区间布置，轨排井结构可以节省工程造价。

悬臂式轨排井结构和锚索支护轨排井作比较，见表4：

表4 悬臂式轨排井和锚索式支护轨排井比选表

项目 悬臂式轨排井 锚索支护轨排井

主体防水效果 较好 一般

主体结构施工 施工方便快捷 主体与围护存在空隙，侧墙施工不方便，锚索施工麻烦

围护结构支护 与整个基坑协调，变形小 锚索耐久性不好

施工工期 短 较长

基坑安全 安全性有保证 基坑需长期抽排水，主体结构最后施工，安全性差

工程造价 造价相当

4 结论

1.对于地质条件较差，含水量丰富，若有场地条件限制的轨排井结构，采用悬臂式结构可以降低施工风险和缩短施工周期。

2. 悬臂式结构在设计中，若充分考虑施工阶段工况，在适当阶段由悬臂式和支护结构共同受力，可满足结构安全要求。

3.悬臂式轨排结构施工过程中必须严格按照设计要求的工序施工，才能保证结构安全可靠。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。