黄河，方伟 （机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710043）

0 前言

随着我国社会经济的不断发展，城市轨道交通的建设进入了快速发展时期。国内轨道交通车站以明挖法施工为主，为满足盾构设备使用要求，通常在车站两端设置端头工作井。施工期间，端头井因吊装设备，难以设置内撑，在车站端头井设置一圈框架梁提高端部结构水平抗弯刚度，可保证结构安全稳定。目前国内轨道交通行业工程师结合工程实践进行了大量的施工仿真模拟及分析，验证施工方案的可行性[1-5]。本文以合肥市地铁3号线界首路站为例，采用三维有限元模型和二维模型进行数值模拟计算，结合工程经验总结端头井环框梁的数值计算方法和构件设计经验。

1 工程概况

该车站主体为地下二层单柱双跨（局部双柱三跨）岛式站台车站，主体结构采用钢筋混凝土箱形框架结构。车站采用明挖顺做法施工，主体围护结构采用钻孔灌注桩+内支撑支护体系，标准段基坑平均深度约17m（西侧盾构井段17.95～18.18m，东侧盾构井段 21.93～22.06m），覆土厚度2.75～4.42m。车站两端均为盾构区间，大里程端左线盾构井为盾构始发提供条件，右线盾构井为盾构接收提供条件，小里程端盾构井为盾构调头提供条件。

根据地勘报告，场地范围内土层自上而下分别为人工填土、黏土、粉砂、粉土、全风化泥质砂岩、强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩。拟建工程区内地下水主要为上层滞水，地下水资源较贫乏。

根据地铁设计规范、混凝土设计规范及全线技术要求，两端盾构井开孔尺寸均为11.5m×7.5m，结构尺寸顶板厚900mm，中板厚400mm，底板厚1000mm，混凝土等级为C40（中板、中板梁C35），主筋选用HRB400级。盾构井平面、横剖面见图1～图2。

图1 端头井顶板平面图

图2 端头井剖面图

2 模型建立

计算采用施工工况，侧墙主要承受的水平荷载主要是①侧向土压力②水压力③路面超载引起的侧压力。计算时，土体侧压力系数根据勘察报告取加权平均值0.47。

模型以东端头井为例，采用有限元分析软件SAP84建立端头井环框梁的平面二维模型，施工阶段，侧墙、环框梁先施工，端头井顶板、中板暂不浇筑。模型中不考虑环框梁与标准段各层板的相互作用，将环框梁作为受力构件单独研究，且模型中不考虑侧墙作用。二维模型边界条件：①环框梁沿车站纵、横向交接处为刚性连接，梁与扶壁柱交接处为刚性连接；②端部约束为固定约束；③施工阶段侧向土压力及地面超载形成的侧向压力全部由环框梁承担。

侧向土压力计算时，按照板带划分的理论，顶板梁、中板梁各自承担邻近板带一半的荷载。地面超载按照实际作用宽度折算成单宽线荷载，再乘以其铅锤方向作用高度，作用于车站侧墙。因施工期间降水后水位位于底板以下，故环框梁计算不考虑水压力。端头井临时环梁二维计算模型见图3。

图3 二维模型示意图

采用M idas Gen建立车站端头井三维模型，边界条件为：①车站侧墙、端墙及底板均设置正方向仅受压弹簧；②标准段板墙端部设置XY方向平动约束。

平面框架结构主要依靠梁柱体系承担荷载，而三维模型整个受力体系中，端头井段由侧墙、环框梁承担荷载，标准段由墙、板承担荷载。M idas模型中，将墙、板构件进行网格划分，面荷载采用均布荷载的形式作用在板、墙构件上，使其与梁、柱体系共同受力。

图4 三维建模示意图

3 结果分析

车站端头井段结构强度应按承载能力极限状态计算，参照施工阶段工况，按荷载基本组合的效应设计验算。二维计算结果中，框架结构的端部弯矩，考虑板、柱支撑宽度的影响，通常设计人员会采用削峰公式M=M 0-V*b/2计算后的结果弯矩M进行截面设计。

两种维度的计算模型下，弯矩和配筋结果对比见下表。

图5 环框梁三维模型内力云图

由数值模拟结果对比可见，二维模型通常比三维整体模型计算得出的内力更大，构件配筋增加较为明显。笔者认为有以下两方面原因：①二维模型假定的是梁交接处为刚性连接，剩余端部支座也均为固支，这就造成固端弯矩计算结果偏大，三维模型计算结果表明，梁与壁柱端节点、和标准段交接节点处均产生位移，对比固端节点其弯矩大幅降低，构件配筋更经济；②三维模型考虑侧墙刚度，墙与框梁协同受力，而二维模型则不考虑侧墙作用，荷载全部由环框梁承担。

端头井环框梁计算模型结果对比

4 结论及建议

本文以合肥地铁3号线车站为实例，对端头井环框梁进行数值模型计算，得出如下结论。

①二维模型中，地面超载按照实际作用宽度折算成单宽线荷载，再乘以其铅锤方向作用高度，作用于车站侧墙，模型偏保守。三维模型将地面超载以面荷载的形式直接作用于侧墙上，相对合理。实际盾构施工过程中，极易产生竖向裂缝，建议设计时应适当加强侧墙分布钢筋。

②三维计算结果显示，端头井扩大处存在水平位移，在二维计算中，此处假定为固定支座，无位移。工程师在实际设计时应加强端头扩大端转角处结构措施并设置转角暗柱，注意此处构件的受力分析，做好裂缝控制措施。

③计算结果表明，三维受力模型中，端头井环框梁的实际弯矩小于二维计算结果。二维计算方法下，环框梁的尺寸及配筋结果较大，仅从本次计算结果看，二维计算仍有约30%优化余地。但在实际工程应用中，综合考虑构件经济配筋率及工程安全经验，仍需在三维计算的基础上预留一定安全储备。