复杂类矩形盾构车站端头井受力分析研究

陈福旦 2 ， 1 曹杰 1

2.宁波市华铁工程技术有限公司，315100 浙江宁波//第一作者，工程师，工学硕士，一级注册结构工程师

摘要 本文以宁波市轨道交通5号线一期工程布政站为例，分析了复杂类矩形盾构车站端头井的结构方案和受力特点，从环框梁、侧墙、端墙、加强环梁等结构部位在盾构吊装的施工期间和类矩形盾构吊装孔封闭后的使用期间的内力、变形等方面进行对比分析。结果发现，施工期间端墙并未在中板环框梁附近形成明显的支座约束效应，且各结构部位表现出明显的三维受力形态。本文研究可为类似工程提供可参考的一般分析方法和可借鉴的一般结论。

关键词 类矩形盾构 端头井 环框梁 端墙 有限元分析

端头井结构（也称盾构工作井）是地铁车站结构中，为地铁区间隧道施工提供盾构拼装、拆卸或调头的地下空间，是典型的空间三维受力结构类型^【1-2】。端头井须满足“盾构施工净空、盾构吊装净尺寸”等盾构施工要求，且必须满足施工期间和使用期间结构体系的安全可靠。类矩形盾构由于其特殊的盾构结构类型，具有端墙开孔和预留吊装孔尺寸均大幅大于普通圆形盾构的特点，因此对类矩形盾构端头井各结构部位进行盾构吊装的施工期间和盾构吊装孔封闭后的使用期间进行受力分析显得尤为必要。

1 工程概况及端头井结构方案研究

1.1 工程概况

布政站是宁波市轨道交通5号线一期的起点车站，接轨车辆段，为地下两层岛式车站（有效站台宽度11m），车站全长285.1m。小里程端头井横向跨度最大为36.4m，顶板覆土约3m，底板底埋深约19.4m。布政站小里程端外接经堂庵跟出入段线，同时预留远期正线圆形盾构接收条件。根据宁波市轨道交通集团统一部署，布政站小里程端须具备出入段线类矩形盾构的始发条件。

国内类矩形盾构隧道在地铁中的应用是宁波轨道交通首创^【3】，其具有地下空间集约利用度高、对周边环境扰动小、经济效益好等优点，适用于城市核心区及老旧城区的地铁建设。目前类矩形盾构的成功应用案例有宁波轨道交通3号线、4号线以及2号线二期，已经积累一定的相关设计经验，但在车站端头井一端同时预留类矩形盾构和圆形盾构的复杂端头井案例尚未有先例。

1.2 端头井结构方案研究

类矩形盾构隧道断面较大，端墙开孔面积约77.8m²（长轴12.17m，短轴7.6m），相对于圆形盾构开孔（洞口直径6.7m，面积35.3m²），类矩形盾构端墙开洞单个洞口面积比圆形盾构增大约2.2倍，且端墙受力更为复杂。类矩形盾构施工机械较大，端头井始发吊装孔面积约227.8m²（延车站纵向长17m，宽13.4m），相对于圆形盾构吊装孔（开孔面积86.3m²，延车站纵向长11.5m，宽7.5m），类矩形盾构在车站顶板、中板预留盾构吊装孔面积是常规圆形盾构的2.6倍，且环框梁跨度更大，受力更大。同时，类矩形盾构要求的端头井坑边堆载更大，达到50kPa。端头井横剖面见图1所示，端头井平面图见图2所示。

由于类矩形盾构吊装孔尺寸较大，部分结构柱、纵梁须后浇。端头井结构最不利受力工况为主体结构施工完毕而吊装孔未封闭的状态，对于本端头井来说，最不利工况为类矩形盾构吊装孔和远期正线圆形盾构吊装孔均未封闭的状态，水平抗侧力构件（环框梁）的刚度相对较弱，侧墙和端墙在中板环框梁附近未必能起到有效的支座约束。同时，结构端墙盾构洞口开孔较大，受力较为复杂，结构侧墙、端墙须参照三维计算结果进行配筋。

远期正线圆形盾构吊装孔根据建设计划，近期不封闭，预留远期盾构吊装条件，故近期使用阶段考虑圆形盾构吊装孔不封闭、类矩形盾构吊装孔封闭的工况。

图1 端头井横剖面图

1. 顶板结构平面图

b.中板结构平面图

图2 端头井顶板、中板结构平面图

2 端头井受力分析

2.1 结构有限元模型

根据图1、图2实际的端头井尺寸，利用有限元分析软件MIDAS/GEN建立端头井结构三维模型，分别建立施工阶段和使用阶段的模型，以便进行对比分析。本端头井由于采用全包防水，即用防水措施将地连墙与内衬墙完全隔开的复合墙，在三维模型建立时，地墙与侧墙间用只受压单元进行弹性连接，在结构使用阶段，地连墙承受全部土压力，内衬墙承受全部水压力。

2.2 结构环框梁受力分析

根据环框梁内力分析可知，类矩形盾构处的环框梁（DQL-3、ZQL-3）由于梁支座约束较弱跨中弯矩明显大于支座弯矩；类矩形盾构处的中板环框梁（ZQL-3）在施工阶段内力较大，跨中弯矩比圆形盾构处跨中最大弯矩大约30%；圆形盾构环框梁（ZQL-2）跨中弯矩在类矩形盾构吊装孔封闭后的使用阶段，相比于施工阶段，跨中弯矩减少约10%，支座弯矩减少约5%。

3 结论

由于类矩形盾构的巨大优势，具备大规模推广应用的条件，本文从车站端头井结构设计角度，分析了复杂类矩形盾构端头井的受力特点，为类似工程提供可借鉴的参考设计经验。本文研究得出的主要结论如下：

类矩形盾构处的环框梁由于梁截面较大，而支座截面相对较小，支座约束相对较弱，同时梁跨度较大，故表现出环框梁跨中弯矩明显大于支座弯矩。

参考文献

［1］ 丁春林，地铁车站端头井受力计算模型研究[J]，同济大学学报（自然科学版），2007.05：621-625.

［2］ 陶勇，郑俊杰，漏晓明，地铁端头井的设计计算方法探讨[J]，华中科技大学学报（城市科学版），2005.03：73-77.

［3］ 朱瑶宏，宁波市轨道交通建设创新成果与展望[J]，城市轨道交通研究，2018.05：51-58.