大型地鐵車站主體結構運營期安全分析與安全監測方案設計*

江中華

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢∥高級工程師)

隨著城市交通基礎設施的快速發展，大型地下交通樞紐不斷出現。由于其地下空間結構體系復雜，周圍工程環境變化較大，對于沉降和變形的要求較高，傳統的平面框架模型計算方法已不能精確反應結構的真實受力情況[1]，進而造成結構截面和配筋尺寸等參數不合理[2]，不同的工程之間由于工況不同又難以借鑒，因此需要針對相應的工況進行合理的數值模擬來得到結構的受力變形性能。

針對平面框架模型計算結果的缺陷，文獻[3-5]通過有限元軟件建立車站三維模型，分析發現車站二維模型的計算結果比車站三維模型的大，計算結果不符合結構的真實受力情況；文獻[6-8]詳細分析了車站端頭井、中庭等位置開孔對結構的影響；文獻[9-10]探討了結構受力改善的相關措施;文獻[11-13]結合車站的不利工況，研究車站梁板不同剛度比對結構的影響，并給出優化建議。城市的快速發展使得不同結構之間的近距作業日益頻繁，新建建筑不可避免地會對車站運營造成影響。在運營期，車站周邊地表堆載導致地鐵車站箱體結構沉降表現出非連續性，基底土體產生的塑性應變導致卸荷后結構仍存在不可恢復的殘余變形[14]。同時周邊地下水位的變化也會對車站結構產生不利影響，水位上升時，隧道會發生整體上浮，威脅行車安全，但對結構應力影響不大[15-17]。周圍基坑開挖深度大于車站深度時，車站會產生較大不均勻沉降[18-20]。

由于現有文獻的研究未全面考慮運營期可能發生的工程活動對地鐵車站結構的影響，并且地鐵車站結構形式存在差異，結構性能分析難以直接借鑒已有成果。因此，對于新建的大型地下空間工程，有必要針對其運營期可能存在的工程活動，開展不利工況下主體結構力學響應分析，研究結構受力薄弱區域，進而制定相應的健康監測方案，指導運營安全監測和診斷工作的開展。

1 車站主體結構受力性能精細化模擬方法

復興路地下車站為武漢市3條地鐵線路(新建5號線、11號線及既有4號線)的大型換乘樞紐站。5號線和11號線基本呈平行布置。5號線主體長786 m，采用兩層單柱雙跨和雙柱三跨結構；11號線主體長244 m，全部采用兩層單柱雙跨結構；既有4號線車站與5號線車站線路交角90°，4號線主體長157 m，為三層雙柱三跨結構。5號線和11號線換乘節點長約81 m、寬約50 m，采用地下兩層四柱五跨結構和縱梁體系，頂板厚1 000 mm，中板厚400 mm，底板厚1 000 mm。圖l為車站主體結構的標準段橫截面及全局剖面圖。車站主體結構總體上可劃分為11號線始發段、11號線標準段以及5號線和11號線合建段，這3段的結構形式各異。車站修建于長江一級階地巖溶塌陷區，基底埋深為20 m,頂板覆土埋深為3.8 m。揭露土層主要為雜填土、粉質黏土、粉質黏土夾粉土、粉砂粉土粉質黏土互層、粉細砂、中粗砂夾礫卵石及下覆基巖。

基底軟土承載力相對較低，且局部發育巖溶。結合周邊復雜的建構筑物環境及后期地塊規劃，運營期可能面臨施工期地基處理效果不佳、基底存在未處理的溶洞和地表超載等不利工況，危及運營安全。因此，有必要在考慮設計初始狀態的基礎上，分析潛在不利工況對運營安全的影響，探明主體結構的受力薄弱環節，針對性地設計并實施健康監測，以指導運營安全管控。

通過采用荷載結構法和構建三維精細化數值模型進行模擬計算。依據車站設計圖按全尺寸建立實體數值模型。在邊界條件方面，在圍護結構和底板四周施加垂直于表面的水土壓力，土體對墻體(底板)的約束作用采用水平、豎向的非線性彈簧模擬(僅受壓)。不同結構的材料及本構關系如表1所示。節點位置取結構中心點，單元平均尺度為1 m。

表1 不同結構的材料及本構關系

設計荷載包括永久荷載和標準可變荷載。通過組合工況確定結構自重、水土壓力、設備質量等，然后分析設計條件下的結構受力變形狀態。結合車站周邊環境，以及運營期車站結構及周邊可能存在的地基處理不佳、地表超載和底部溶洞發育等不利工況，進行模擬分析，模擬方法如表2所示。

表2 針對影響車站結構的不利工況的模擬方法

控制標準參照GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》和GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》相關規定，如表3所示。

表3 基于國家標準的車站結構變形控制表

2 運營期車站結構受力性能分析

2.1 設計荷載下的結構受力性能

考慮后續分析工況對圍護及外墻影響不大，且設計荷載最不利工況下圍護及主體外墻結構安全儲備較高，因此主要分析板、梁和柱等構件的變形和受力情況。

各層板最大主應力云圖如圖2所示。頂板應力水平最高，中板次之，底板最低；最大壓應力僅為7.6 MPa，而各層板受壓安全儲備較高，因此不受影響；11號線始發段變高處的頂板拉應力超過抗拉強度，驗算裂縫寬0.3 mm，其余部位拉應力均小于抗拉強度。豎向變形方面，同樣表現為:頂板沉降最大，底板沉降最小。頂板最大沉降量為35.1 mm，略小于允許的撓度值為37.0 mm；中層板沉降為32.1 mm；底板最大最大沉降6.6 mm。跨中處底板上浮6.9 mm。底板豎向位移云圖如圖3。

圖1 武漢地鐵復興路站車站主體結構剖面圖

圖2 各層板最大主應力云圖

圖3 底板豎向位移云圖

各層板下的縱梁、橫梁、縱梁的應力水平和變形幅度相對較大。頂層縱梁混凝土應力水平最高，局部拉應力達到抗拉強度，壓應力最大為11.2 MPa，如圖4所示。頂層縱梁豎向位移最大，約為14.0 mm，小于規范要求的34 mm。

圖4 頂層縱梁最小主應力云圖

相比各層板和梁，各區域立柱的應力水平最高，其中雙線合建段最大拉應力和壓應力分別為2.7 MPa和22.4 MPa，如圖5所示。11號線標準段立柱沉降值最大，為14 mm；相鄰立柱柱頂最大差異沉降為3.2 mm，小于規范要求的5‰l≈36.9 mm(l為立柱間水平距離)。

圖5 雙線合建段立柱軸向應力云圖

從應力、變形及裂縫控制要求來看，均滿足設計要求。11號線始發段、變高處及雙線合建段變截面處存在應力集中問題，而11號線標準段跨中處為整體變形最大處。上述區域可以認為是受力薄弱部位，運營期應加強關注。

2.2 地基處理效果不佳對主體結構的影響

從分析結果來看，地層抗力的削弱不會引起主體結構受力形態的顯著變化。具體表現為：

1)如圖6所示：頂板、中板和底板仍表現為:頂板應力水平最高，中層板次之，底板最低。隨地層抗力減小，底板拉應力水平增幅最大，極值從1.0 MPa增加至1.4 MPa，頂板拉應力也出現小幅度增加，而中板應力基本不變。如圖7和圖8所示：頂板沉降仍表現為橫向“W”型對稱分布的沉降槽和縱向跨中“深槽”型沉降槽；頂板沉降增幅較小，跨中最大處沉降僅增加2.5%，由35.1 mm增至36.0 mm；底板豎向變形最為顯著，跨中部位的底板隆起量從6.8 mm增加至13.1 mm，端部底板的沉降量從6.6 mm增加到9.2 mm，最大增幅93%。

圖6 頂板、中板和底板的最大拉應力變化規律

圖7 頂板沉降的橫向分布規律

圖8 頂板沉降的縱向分布規律

2)如圖9所示：頂層縱梁、中層縱梁和底層縱梁的最大拉應力基本不變；底層縱梁的最大壓應力增幅為14%，達到8 MPa；各層縱梁沉降近似線性增加，其中底層縱梁增幅最大，從6.83 mm擴大為9.66 mm。

圖9 梁的豎向位移變化規律

3)如圖10所示：立柱柱頂的沉降分布規律同樣沒有明顯變化，仍表現為跨中最大、兩側較小；地基處理不當、地層抗力折減至15 MPa/m時，引起的沉降量最大增加3.6 mm，增幅為25%；柱間的最大差異沉降值為4.6 mm，仍小于規范要求的5‰l≈36.9 mm。

圖10 立柱沉降的空間分布規律

由于側邊地層的約束及荷載水平未出現變化，基底地層抗力的削弱對底部結構(底板、底梁)的影響最為顯著，但并未引起差異沉降超限、出現新增裂縫等問題。確保坑底地基處理效果，可以有效控制結構的拉應力水平和變形程度。

2.3 地表超載對主體結構的影響

由設計荷載下的計算結果分析可知，地下車站結構始發段變截面和變高處存在應力集中，標準段頂板沉降值最大，合建段立柱壓應力最大。針對如圖11中的4個敏感區域，模擬每個區域局部堆載100 kPa對結構的影響。

為繪圖方便，以位置0代表設計荷載下的計算結果，橫軸1～4代表圖11中標識的4處堆載區域。局部超載作用下，車站結構不同區域的沉降差異較為顯著，11號線標準段(堆載區域三)增幅最大，頂板最大沉降值增加33%，總沉降達到51.9 mm，其他區域頂板沉降增幅控制在2 mm以內。地表局部超載導致堆載區域一、堆載區域二和堆載區域三立柱的最大壓應力增加2.1 MPa，堆載區域立柱的最大壓應力增加5.8 MPa，如圖12～14所示。

圖11 局部堆載位置示意圖

圖12 不同堆載區域下結構沉降值

綜合不同堆載狀態下的結構受力與變形結果分析，運營期需嚴格控制超載，特別是11號線標準段堆載區域三的地表超載不應超過設計超載值。

2.4 底部揭露溶洞對主體結構的影響

針對圖11提及的4個結構敏感區域，單獨分析每個區域揭露溶洞對結構的影響。結合周邊區域既有工程的地基處理結果，按圓形模擬溶洞，半徑設置為3 m。計算結果如圖15～16所示。由于底板剛度較大，局部揭露溶洞引起的結構沉降和拉壓應力變幅極小，受力變形狀態與無溶洞工況基本相同。因此，可以忽略底部局部揭露溶洞對結構運營安全的影響。

圖13 不同堆載區域下結構最大拉應力

圖14 不同堆載區域下結構最大壓應力

圖15 不同溶洞位置下結構沉降值

圖16 不同溶洞位置下結構拉應力

3 車站主體結構健康監測方案分析

依據上述分析結果可知，不同區段主體結構的內力響應差異較大。從運營安全角度考慮，選擇監測斷面時應重點關注結構體系復雜區域(如剛度突變區域、結構不連續區域等)、結構強度薄弱區域(如受力峰值區域、承載力最小區域等)、周邊環境復雜區段(如不良地質區域、地質狀況發生變化區域等)，同時可選擇1～2處標準斷面進行對比分析。最終，確定車站主體結構健康監測斷面如圖17所示。

圖17 車站主體結構健康監測斷面布置圖

1)斷面1、斷面3和斷面5位于結構變截面處，存在應力集中，結構拉壓應力較大，存在開裂風險；

2)斷面7、斷面8和斷面9位于車站兩側端頭位置，屬結構不連續區域，受力情況復雜，容易發生不均勻沉降;

3)斷面2、斷面4和斷面6屬于結構薄弱部位，斷面2結構拉應力較大，斷面4結構沉降值最大，斷面6立柱受力最大。

復興路站的監測項目主要為結構外部荷載(水、土壓力)和關鍵部位的混凝土拉壓應力。以雙線合建段異型結構處的斷面5為例，結合結構受力計算分析結果，確定結構承載及使用性能方面的薄弱部位，據此確定外部荷載和混凝土應力的測點，如圖18～19所示。

圖18 斷面5外部荷載測點

圖19 斷面5薄弱部位應力測點

采用兩級標準進行數據管控(見表4)，取混凝土抗拉強度和抗壓強度設計值的80%作為預警值，取混凝土抗拉強度和抗壓強度設計值的100%作為報警值，各級標準見表4。

表4 車站主體結構構件預警和報警管控標準

4 結論

1)在考慮運營初始狀態(設計荷載工況)的基礎上，局部揭露溶洞對主體結構受力與變形特性基本沒有影響，可以忽略；地基處理不當和地表超載均會對主體結構造成一定程度的不利影響，其中地基處理不當對底部結構影響最大，底板豎向變形增幅最大為93%，應力增幅最大為40%，柱間差異沉降增加43%，達到4.6 mm，但仍滿足規范要求；標準段跨中區域的地表超載最大，結合應力與開裂控制標準，建議標準段和合建段地表附加荷載不應超過設計超載值。

2)從力學層面分析確定了單線始發段的變截面部位、變高部位、標準段的大跨跨中部位、雙線合建段的變截面處與跨中部位為主體結構受力薄弱點，進而依據數值分析結果確定了外部荷載和結構應力的測點布設方案，確定了結構應力的預警與報警標準。

目前已依據該方案優化了復興路站健康監測實施方案。未來有必要進一步分析基于長期監測和運營安全檢查數據的健康狀態量化評價方法，動態評估結構損傷程度及損傷部位，以指導類似大型地下車站結構的運營安全管控工作。