宁波轨道交通2号线异型端头井结构有限元分析与设计

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摘要：结合已建成的宁波轨道交通2号线环城西站（云霞路站）的工程实践，对地下车站异型端头井的设计计算方法进行了探讨。针对该车站端头井结构的特殊性，对结构的内力位移进行了分析与比对。对地下车站的有限元分析方法进行了介绍并提出了若干建议。

关键词：地铁车站端头井设计；端头井内力分析；建议

中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：1674-9944（2013）10-0245-04

1引言

随着国内地铁建设的快速发展，由于受到周边复杂环境的影响，地铁车站越来越多的出现了不同于常规的异型地下结构，给结构的内力分析及设计带来了一定的难度。因此如何在设计过程中采取合理的设计方法来进行结构的内力分析，优化完善设计则十分重要。本文结合宁波轨道交通2号线环城西站（云霞路站）的结构设计，对地铁车站异型端头井的设计计算方法进行了探讨。

2工程概况

宁波市轨道交通2号线一期工程环城西路站（云霞路站）位于宁波市环城西路以东，沿恒春街东西向布置，骑跨云霞路。本站为地下二层车站，车站净宽17.8m，长185m，标准段基坑开挖深度约16.9m，端头井基坑开挖深度约18.1m，车站顶板覆土约2.65m。按照盾构过站考虑。车站内衬墙与地下墙为叠合墙体系，钢筋混凝土结构自防水为主。

车站沿宁波市恒春街东西向布置，位于环城西路与云霞路之间。车站所在的恒春街现状为双向四车道，西侧的环城西路为宁波市环城主干道西段，双向四车道，交通十分繁忙。场地内地下管线众多，排布复杂。车站西南角为宁波市电视台；东南角为南都花城茶花园小区民居及沿街裙房；东北角为南都花城22号楼；西北角为南都单身公寓，有一层地下室。车站北侧地下墙距南都单身公寓裙房仅7.8m；东端头井地下墙距南都花城桂花园22号楼仅9.3m，距南都花城茶花园小区混2沿街裙房约18.7m，车站平面布置及周边环境详见图1。

3工程地质条件

本项目场地地势平坦，地貌类型属冲湖积平原。根据场地工程地质条件，车站埋深范围内涉及到①1、①2、①3、②2c、③2、④1层土，其物理力学性质详见表1。本场地广泛分布厚层状软土，潜水水位较高，具有压缩性高，强度低，灵敏度高，透水性低等特点；且宁波的地基土与上海的相比，具有亚层多、互层多，各层土分布不均匀，浅层土起伏大的特点。

4结构设计难点

地下车站端头井一般是三面封墙、一面和标准段连接形成“井”的空间结构，理论上可按空间结构计算，但是一般地下墙采用锁口管柔性结头，无法传递拉力和弯矩；而内衬主体结构是整体结构，二者横、竖两个方向是不同刚度的各向异型板。行业内部技术标准规定回筑阶段侧墙按一次加荷四边简支的各向同性板计算，顶底板及各层中板连接成空间框架计算，板与侧墙的连接模拟为竖向弹簧支座或简支支座。这种计算方法的弱点在于侧墙与顶底板的协调变形被人为限制了，且实际计算时板与侧墙的连接处竖向支座刚度很难确定，并由此造成端头井顶底板负弯矩仅为构造配筋，角点处开裂严重，钢筋锈蚀现在普遍。

在初步设计阶段，环城西路站西侧端头井结构局部侵入环城西路东侧的人行道上。在本工程开工后发现，因车站西北角的电力、通讯管线改移将严重影响该处道路交通，交通疏解无法实施，因此根据业主要求对西侧端头井结构进行了调整。调整后环城西路站下行线西侧端头井内缩约5.5m，形成了非常规的异型端头井结构。按上述模式计算后发现内力分布情况极为不均衡。

而且本端头井为异型端头井，端板呈Z字形，按上述模式计算后发现内力分布情况极为不均衡。如何优化结构设计，成为了一个关键性的技术难题。经过反复探讨后，我们认为端头井以诱导缝为界做整体空间结构计算不是不可行的。

5车站端头井有限元分析

本文采用有限元软件SAP2000，通过优化的三维模型对西侧异型端头井进行了计算分析。

模型结构墙、板采用板壳单元进行模拟，梁柱采用杆件/索单元模拟，并通过单元面荷载模拟地下结构在土中荷载效应。本文针对西端头井在施工阶段和使用阶段的各荷载组合工况分别进行了三维有限元分析。

5.1模型尺寸及边界

结构三维模型平面及竖向尺寸均按照实际的设计尺寸进行建模，并以诱导缝为界建立模型。由于内衬墙与地下墙采用叠合墙型式共同受力，所以建模时侧墙厚度按照叠合墙考虑。为了更好的模拟地下连续墙分幅的特性，建模时根据设计图纸，对地下墙接缝位置及墙体的转角处分别进行了截面弱化处理，仅以内衬断面考虑。

施工阶段由于附属结构尚未施工，与附属结构连接的门洞及盾构圆洞门处采用800厚单向板单元模拟地下墙结构。根据总体工筹，本站按照盾构过站设计，因此不同于常规车站端头井，本站在顶、中板上不设盾构吊装孔。

根据现有工程经验，底板以下地下连续墙对端头井内部结构计算结果影响不大，为方便建模，底板以下的地下连续墙不再建立单元网格，采用等效连接单元模拟地墙支座。同时采用仅能承受压力的面弹簧模拟基底土层，面弹簧刚度取10000kPa。诱导缝处考虑车站的纵向支撑作用，节点处设置垂直于端头井方向的支座。模型及边界设置详见图2。

5.2荷载工况

施工阶段荷载工况仅考虑超载工况；使用阶段荷载需划分为超载工况及水反力工况进行最不利荷载工况的包络计算。其中超载工况下的荷载除考虑了结构自重外，顶板还计入了覆土荷载及地面超载，中板超载，底板荷载考虑盾构过站荷载（施工阶段）及列车运营荷载（使用阶段）；水反力工况下的荷载仅考虑结构自重、覆土荷载及底板水反力，不计地面及各层板的超载。水头标高按地面以下0.5m进行计算。施工阶段侧墙外侧施加主动水土压力，使用阶段侧墙外侧施加静止水土压力。

5.3计算结果分析

通过三维有限元模型计算，可得到端头井结构在不同阶段的内力及位移值，主要计算结果见图4、图5（弯矩值云图等值线范围为-800～800kN·m/m，位移值单位为m）。经对计算结果分析后，可以得出以下几点。

（1）端头井结构受力，除端墙为施工阶段受力较大外，其余板墙在使用阶段内力较大。结构各部位内力控制值及对应工况归纳如表2所示。根据计算结果可知，底板的内力值由使用阶段水反力工况控制，顶板、中板内力值由使用阶段超载工况控制。端墙处结构内力由施工阶段超载工况控制，而其他侧墙内力主要由使用阶段控制。

（2）端墙内力值除竖向弯矩M22较大外，由剪切应力产生的M12弯矩值也较大。考虑到工程安全和重要性，设计时在此处的M11、M22基础上叠加M12弯矩效应分别进行了配筋。

（3）通过三维模型内力等值云图显示，转角及墙体分缝处采用弱化后的板壳单元进行模拟能较合理的反应结构的内力状态，也部分释放了侧墙结构水平向的内力值，有利于结构设计时优化水平方向的弯矩配筋值。

（4）为了了解异型端头井相对于常规端头井结构内力分布的区别，笔者对环城西路站（云霞路站）西端头井的有限元分析结果与常规做法的东端头井计算结果进行了比对后发现，西端头井的端墙内力分布与东端头井有一定的差别。两个端头井各层板及侧墙的内力值相差不大，但是端墙的内力值有较为明显的不同，对比计算结果见表3。

6结语

（1）采用三维有限元模拟异型端头井结构进行内力分析能取得较为合理的计算结果。经总结，建模时需注意如下几点：①锁口管处应进行地墙弱化；②圆洞门内地下墙在施工阶段以各向异性板考虑；③地下墙转角幅也弱化为内衬断面考虑，否则角部类似钢域，侧墙横向负弯矩过大，而地下墙外侧横向钢筋仅为构造钢筋，无法与计算结果匹配；④端头井坑底以下地下墙可不进行建模，以等效弹簧支座模拟，底板下土的反力以只受压的等效面弹簧模拟；⑤诱导缝处加以只可承受压缩变形的外界支座条件。

（2）通过西侧异型端头井与东侧常规端头井计算结果比较我们可以发现，车站端头井局部内缩造成了端板结构型式的变化，引起了内力的重新分布，由计算结果可看出其空间效应更加明显，也在一定程度上对于可以适当优化局部的结构配筋。本文通过对异型端头井结构数值分析研究，为工程的安全、顺利实施提供了保障，也为今后同类工程的设计提供了可以借鉴的实例。

（3）端头井结构由于其受力的空间效应的特点，采用常规的四边简支的各向同性板+内部空间框架的计算方法，往往难以较好的反应结构真实的内力分布，因为对于此类结构的设计建议采用更为合理的三维结构受力分析来优化设计。本端头井于2012年5月开挖到底，目前顶板覆土完毕，结构状态良好，待全部完工后，再根据监测数据对其进行分析，可为三维有限元分析端头井结构提供重要的旁证。

参考文献：

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