区间风井兼做轨排井中肋柱及环框梁体系设计应用

区间风井兼做轨排井中肋柱及环框梁体系设计应用

韩悦

广州地铁设计研究院股份有限公司

摘要：文章以北京地铁17号线望京西站~勇士营站区间风井项目为依托，介绍了该区间风井采用肋柱+环框梁为轨排井支撑体系的设计方案。从结构受力、结合周边环境及地质状况对设计方案进行论证、施工风险及控制等方面进行进行探讨，并结合有限元软件Midas GEN进行三维数值模拟分析。介绍本工程在无法采用锚索支护体系情况下，采用肋柱+环框梁结构体系，在轨排施工阶段拆除围护结构支撑的情况下，达到增加轨排井处的结构刚度，控制结构内力及变形的效果。

关键词：轨排井 环框梁 扶壁柱

在地铁建设过程中，无法避免因为轨排井设置问题对结构板进行大尺寸开洞，地铁轨排孔一般按照能吊入25 m长钢轨的标准进行设计。按照轨道专业的要求,轨排孔内净空一般为长28~30m、宽5m。通常设置轨排井开口路部位的围护结构需采用锚索+围护桩或地下连续墙等形式，用以在轨排施工期间抵消轨排井开孔部位水土压力。本工程由于周边环境及地质问题无法设置锚索，采用肋柱+环框梁结构体系，在轨排施工阶段拆除围护结构支撑的情况下，达到增加轨排井处的结构刚度，控制结构内力及变形的效果。

一、工程概况

区间风井（兼5号联络通道）位于北湖九号高尔夫球场东北侧，现状为土坡，地面起伏较大，标高41.1m~50.02m,需对现状场地进行整平，施工期间整平标高约为41.5m.风井临近北五环匝道，风井基坑距匝道最近6.0m。

风井明挖段采用3层钢筋混凝土框架结构，采用地连墙堵水，围护结构采用地连墙+内支撑体系，围护结构基坑平面尺寸54.8m×24m，按场平标高为41.5m，基坑深约24.86m。风井两端接盾构区间，盾构于风井大里程端接收，并空推过风井，于小里程端进行二次始发。

风井主体结构为3层钢筋混凝土框架结构，结构厚度分别为：顶板900mm，负一、负二层侧墙800mm及1000mm，负三层侧墙900mm及1000mm，中板400mm，夹层板200mm，底板1200mm。风井兼做区间轨排井，轨排井尺寸28m×5m。

风井总平面图

水文地质情况：

自上至下主要土层为：填土①1、杂填土①1，厚8m~10.5m；黏质粉土③层，厚2.6m~4.8m；粉质粘土③1层，厚3.2m~5.3m；粉细砂④3层，厚3.6m~6.4m ；粉质粘土⑤4层，厚约12m 。

地下水(五层水，观测时间2019年6月)：上层滞水（一）38.12m；潜水(二) 35.87m；承压水（三）30.07m，水头约5m；承压水（四）18.57m，水头约0.5m；承压水（五） 9.11m ，水头约3.5m。

    图2 地质纵剖面图

二、重难点分析及研究意义

1、本工程由于周边存在既有高速路匝道桥风险较大，且风井埋深较深，土层为粉土居多，不利于打设锚索作为围护结构，采取肋柱+环框梁形式达到增加轨排井处的结构刚度，控制结构内力及变形的效果。随着地铁建设的发展，对地铁建设制约因素也在增多，对今后类似工程具有较强的借鉴意义；

三、计算分析

1、主体结构（包括顶板、中板、底板及侧墙）按作用在弹性地基上的等代闭合框架结构计算（断面计算），地层的作用仿真为一系列弹簧，采用Midas gen有限元结构分析通用程序进行计算分析，结构计算按永久荷载、可变荷载、施工荷载和偶然荷载的各种组合工况进行。其中围护结构作为安全储备考虑侧墙承受侧向水土压力。

2、各层板纵梁按连续梁模型计算，柱子根据实际情况按轴压或者偏压构件计算。各层板和侧墙按纯弯构件构件计算，抗剪计算按板考虑。

3、控制截面选取

各主要结构构件的控制截面计算（包括强度计算、裂缝验算等）按照以下原则取用：

板：取侧墙边截面或者梁边截面作为控制截面；

梁：取柱边截面或者墙边截面作为控制截面；

墙：取各层板边截面作为控制截面。

4、计算工况

望勇区间风井兼做轨排井，分两个工况计算风井主体结构，分别为铺轨阶段施工工况及封顶后永久使用工况，各构件取包络设计。

其中使用工况重要性系数去1.0，使用年限调整系数1.0，裂缝按0.3mm控制；依据《城市轨道交通工程设计规范》（DB11/995-2013）第11.3.3节2-1）条规定：铺轨施工阶段风井侧墙土压力取主动土压力。

永久使用工况负二层板考虑列车荷载，按直接承受重复荷载的构件进行裂缝计算，取裂缝间纵向受拉钢筋不均匀系数ψ=1.0。车站重要性系数取1.1，使用年限调整系数1.1，对于列车荷载动力系数取1.4后按静力工况计算。

铺轨施工阶段及使用阶段风井三维模型图

计算结果：

铺轨施工阶段环框梁弯矩图

铺轨施工阶段肋柱弯矩图

铺轨阶段环框梁最大弯矩29339kN·m，剪力最大值8295kN在负一层环框梁出现；肋柱最大弯矩8040kN·m，剪力最大值2179kN。

使用阶段肋柱弯矩图

使用阶段由于中板封孔环框梁内存在中板及顶板，受力不大；肋柱最大弯矩10428kN·m，剪力最大值1828kN。

主要尺寸：

轨排井28m×5m,盾构出土孔8m×5m（结合轨排井设置）

底板厚1200mm,顶板800mm,侧墙厚800mm,900mm,1000mm(端墙、负一~二层轨排区域),1200mm（负三层轨排区域）;

圈梁：QL1:1300×2000；QL2\QL3:1400×2500；肋柱：1000×2000（负三层）、1000×1500（负一~二层）.

四、施工监测结果：

施工监测结果图

五、结语：

在地质和周边环境受制约情况下，可采用肋柱+环框梁结构体系，在轨排施工阶段拆除围护结构支撑的情况下，达到增加轨排井处的结构刚度，控制结构内力及变形的效果。

参考文献：

［1］ 张昆.地铁轨排井段结构设计与分析[J].都市快轨交通,2012(4):79-82..
［2］ 薛建阳, 王亚辉, 黄小刚, 等. 预留大尺寸洞口的地铁地下车站结构受力分析[J]. 广西大学学报(自然科学版),2018,43(1):1-7.

［3］ 何启平. 地铁车站轨排井结构型式研究及分析[J]. 建设科技,2018(8):112-113.