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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。
关键词：轨排井 锚索 等效弹性支点刚度 平面应变模型
Abstract: in the urban rail transit construction, the structure design is often involves large size distributions of the structure stress issues, such as the shield tunnel shaft, GuiPai work well. This kind of structure, due to the special requirements of hoisting component, the supporting form to have certain restriction, namely in the long range cannot set in support, the structure design have preferred foundation pit supporting force independent design scheme. But pipes, built by surrounding structures, formation conditions and other factors, such as the design scheme limit, often have to take some GuiPai well foundation pit supporting independent force design scheme. This article on the Beijing subway line no. 7 son stood GuiPai well bay for an example, GuiPai well supporting structure selection and points are analyzed, and the design for similar project provides some reference and basis.
Key words: well GuiPai equivalent elastic fulcrum stiffness anchor cable plane strain model
中圖分类号： U455.7+1 文献标识码：A文章编号：
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。
北京地铁7号线湾子站轨排井支护结构设计
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）。
工程地质与水位地质
车站主体结构位于卵石⑤层和卵石⑦层，根据人工探井资料场地存在粒径大于200mm的漂石，连续分布，含量约占65%，其中卵石⑤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
由于本站较一般标准站层高高且埋深大，基坑宽度为24.6m。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φ800@1400钻孔灌注桩，竖向设置四道φ600钢管内支撑，纵向间距3m。
图2围护结构横剖面图
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。
计算模型简化
分析轨排井开洞结构的受力和变形可知：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。
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=24EI/（l2x2(1-ξ)2）,其中EI为纵梁弯曲截面刚度，l为纵梁长度，ξ=x/l。
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（Kx），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計算，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（Fx）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，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型是合理的。
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。
⑴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。
⑵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（JGJ 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07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。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：轨排井 锚索 等效弹性支点刚度 平面应变模型
Abstract: in the urban rail transit construction, the structure design is often involves large size distributions of the structure stress issues, such as the shield tunnel shaft, GuiPai work well. This kind of structure, due to the special requirements of hoisting component, the supporting form to have certain restriction, namely in the long range cannot set in support, the structure design have preferred foundation pit supporting force independent design scheme. But pipes, built by surrounding structures, formation conditions and other factors, such as the design scheme limit, often have to take some GuiPai well foundation pit supporting independent force design scheme. This article on the Beijing subway line no. 7 son stood GuiPai well bay for an example, GuiPai well supporting structure selection and points are analyzed, and the design for similar project provides some reference and basis.
Key words: well GuiPai equivalent elastic fulcrum stiffness anchor cable plane strain model
中圖分类号： U455.7+1 文献标识码：A文章编号：
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。
北京地铁7号线湾子站轨排井支护结构设计
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）。
工程地质与水位地质
车站主体结构位于卵石⑤层和卵石⑦层，根据人工探井资料场地存在粒径大于200mm的漂石，连续分布，含量约占65%，其中卵石⑤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
由于本站较一般标准站层高高且埋深大，基坑宽度为24.6m。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φ800@1400钻孔灌注桩，竖向设置四道φ600钢管内支撑，纵向间距3m。
图2围护结构横剖面图
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。
计算模型简化
分析轨排井开洞结构的受力和变形可知：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。
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=24EI/（l2x2(1-ξ)2）,其中EI为纵梁弯曲截面刚度，l为纵梁长度，ξ=x/l。
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（Kx），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計算，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（Fx）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，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型是合理的。
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。
⑴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。
⑵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（JGJ 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07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。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。