江中華

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢∥高級(jí)工程師)

隨著城市交通基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，大型地下交通樞紐不斷出現(xiàn)。由于其地下空間結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，周圍工程環(huán)境變化較大，對(duì)于沉降和變形的要求較高，傳統(tǒng)的平面框架模型計(jì)算方法已不能精確反應(yīng)結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力情況[1]，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)截面和配筋尺寸等參數(shù)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(duì)相應(yīng)的工況進(jìn)行合理的數(shù)值模擬來(lái)得到結(jié)構(gòu)的受力變形性能。

針對(duì)平面框架模型計(jì)算結(jié)果的缺陷，文獻(xiàn)[3-5]通過(guò)有限元軟件建立車站三維模型，分析發(fā)現(xiàn)車站二維模型的計(jì)算結(jié)果比車站三維模型的大，計(jì)算結(jié)果不符合結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力情況；文獻(xiàn)[6-8]詳細(xì)分析了車站端頭井、中庭等位置開(kāi)孔對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；文獻(xiàn)[9-10]探討了結(jié)構(gòu)受力改善的相關(guān)措施;文獻(xiàn)[11-13]結(jié)合車站的不利工況，研究車站梁板不同剛度比對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，并給出優(yōu)化建議。城市的快速發(fā)展使得不同結(jié)構(gòu)之間的近距作業(yè)日益頻繁，新建建筑不可避免地會(huì)對(duì)車站運(yùn)營(yíng)造成影響。在運(yùn)營(yíng)期，車站周邊地表堆載導(dǎo)致地鐵車站箱體結(jié)構(gòu)沉降表現(xiàn)出非連續(xù)性，基底土體產(chǎn)生的塑性應(yīng)變導(dǎo)致卸荷后結(jié)構(gòu)仍存在不可恢復(fù)的殘余變形[14]。同時(shí)周邊地下水位的變化也會(huì)對(duì)車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，水位上升時(shí)，隧道會(huì)發(fā)生整體上浮，威脅行車安全，但對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響不大[15-17]。周圍基坑開(kāi)挖深度大于車站深度時(shí)，車站會(huì)產(chǎn)生較大不均勻沉降[18-20]。

由于現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究未全面考慮運(yùn)營(yíng)期可能發(fā)生的工程活動(dòng)對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響，并且地鐵車站結(jié)構(gòu)形式存在差異，結(jié)構(gòu)性能分析難以直接借鑒已有成果。因此，對(duì)于新建的大型地下空間工程，有必要針對(duì)其運(yùn)營(yíng)期可能存在的工程活動(dòng)，開(kāi)展不利工況下主體結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析，研究結(jié)構(gòu)受力薄弱區(qū)域，進(jìn)而制定相應(yīng)的健康監(jiān)測(cè)方案，指導(dǎo)運(yùn)營(yíng)安全監(jiān)測(cè)和診斷工作的開(kāi)展。

1 車站主體結(jié)構(gòu)受力性能精細(xì)化模擬方法

復(fù)興路地下車站為武漢市3條地鐵線路(新建5號(hào)線、11號(hào)線及既有4號(hào)線)的大型換乘樞紐站。5號(hào)線和11號(hào)線基本呈平行布置。5號(hào)線主體長(zhǎng)786 m，采用兩層單柱雙跨和雙柱三跨結(jié)構(gòu)；11號(hào)線主體長(zhǎng)244 m，全部采用兩層單柱雙跨結(jié)構(gòu)；既有4號(hào)線車站與5號(hào)線車站線路交角90°，4號(hào)線主體長(zhǎng)157 m，為三層雙柱三跨結(jié)構(gòu)。5號(hào)線和11號(hào)線換乘節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)約81 m、寬約50 m，采用地下兩層四柱五跨結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)段橫截面及全局剖面圖。車站主體結(jié)構(gòu)總體上可劃分為11號(hào)線始發(fā)段、11號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)段以及5號(hào)線和11號(hào)線合建段，這3段的結(jié)構(gòu)形式各異。車站修建于長(zhǎng)江一級(jí)階地巖溶塌陷區(qū)，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(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂粉土粉質(zhì)黏土互層、粉細(xì)砂、中粗砂夾礫卵石及下覆基巖。

基底軟土承載力相對(duì)較低，且局部發(fā)育巖溶。結(jié)合周邊復(fù)雜的建構(gòu)筑物環(huán)境及后期地塊規(guī)劃，運(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)安全。因此，有必要在考慮設(shè)計(jì)初始狀態(tài)的基礎(chǔ)上，分析潛在不利工況對(duì)運(yùn)營(yíng)安全的影響，探明主體結(jié)構(gòu)的受力薄弱環(huán)節(jié)，針對(duì)性地設(shè)計(jì)并實(shí)施健康監(jiān)測(cè)，以指導(dǎo)運(yùn)營(yíng)安全管控。

通過(guò)采用荷載結(jié)構(gòu)法和構(gòu)建三維精細(xì)化數(shù)值模型進(jìn)行模擬計(jì)算。依據(jù)車站設(shè)計(jì)圖按全尺寸建立實(shí)體數(shù)值模型。在邊界條件方面，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)和底板四周施加垂直于表面的水土壓力，土體對(duì)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(jié)構(gòu)的材料及本構(gòu)關(guān)系如表1所示。節(jié)點(diǎn)位置取結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)，單元平均尺度為1 m。

表1 不同結(jié)構(gòu)的材料及本構(gòu)關(guān)系

設(shè)計(jì)荷載包括永久荷載和標(biāo)準(zhǔn)可變荷載。通過(guò)組合工況確定結(jié)構(gòu)自重、水土壓力、設(shè)備質(zhì)量等，然后分析設(shè)計(jì)條件下的結(jié)構(gòu)受力變形狀態(tài)。結(jié)合車站周邊環(huán)境，以及運(yùn)營(yíng)期車站結(jié)構(gòu)及周邊可能存在的地基處理不佳、地表超載和底部溶洞發(fā)育等不利工況，進(jìn)行模擬分析，模擬方法如表2所示。

表2 針對(duì)影響車站結(jié)構(gòu)的不利工況的模擬方法

控制標(biāo)準(zhǔn)參照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，如表3所示。

表3 基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的車站結(jié)構(gòu)變形控制表

2 運(yùn)營(yíng)期車站結(jié)構(gòu)受力性能分析

2.1 設(shè)計(jì)荷載下的結(jié)構(gòu)受力性能

考慮后續(xù)分析工況對(duì)圍護(hù)及外墻影響不大，且設(shè)計(jì)荷載最不利工況下圍護(hù)及主體外墻結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備較高，因此主要分析板、梁和柱等構(gòu)件的變形和受力情況。

各層板最大主應(yīng)力云圖如圖2所示。頂板應(yīng)力水平最高，中板次之，底板最低；最大壓應(yīng)力僅為7.6 MPa，而各層板受壓安全儲(chǔ)備較高，因此不受影響；11號(hào)線始發(fā)段變高處的頂板拉應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度，驗(yàn)算裂縫寬0.3 mm，其余部位拉應(yīng)力均小于抗拉強(qiáng)度。豎向變形方面，同樣表現(xiàn)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?？缰刑幍装迳细?.9 mm。底板豎向位移云圖如圖3。

圖1 武漢地鐵復(fù)興路站車站主體結(jié)構(gòu)剖面圖

圖2 各層板最大主應(yīng)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(yīng)力水平和變形幅度相對(duì)較大。頂層縱梁混凝土應(yīng)力水平最高，局部拉應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度，壓應(yīng)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(guī)范要求的34 mm。

圖4 頂層縱梁最小主應(yīng)力云圖

相比各層板和梁，各區(qū)域立柱的應(yīng)力水平最高，其中雙線合建段最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別為2.7 MPa和22.4 MPa，如圖5所示。11號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)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(guī)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(yīng)力云圖

從應(yīng)力、變形及裂縫控制要求來(lái)看，均滿足設(shè)計(jì)要求。11號(hào)線始發(fā)段、變高處及雙線合建段變截面處存在應(yīng)力集中問(wèn)題，而11號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)段跨中處為整體變形最大處。上述區(qū)域可以認(rèn)為是受力薄弱部位，運(yùn)營(yíng)期應(yīng)加強(qiáng)關(guān)注。

2.2 地基處理效果不佳對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響

從分析結(jié)果來(lái)看，地層抗力的削弱不會(huì)引起主體結(jié)構(gòu)受力形態(tài)的顯著變化。具體表現(xiàn)為：

1)如圖6所示：頂板、中板和底板仍表現(xiàn)為:頂板應(yīng)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(yīng)力水平增幅最大，極值從1.0 MPa增加至1.4 MPa，頂板拉應(yīng)力也出現(xiàn)小幅度增加，而中板應(yīng)力基本不變。如圖7和圖8所示：頂板沉降仍表現(xiàn)為橫向“W”型對(duì)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(yīng)力變化規(guī)律

圖7 頂板沉降的橫向分布規(guī)律

圖8 頂板沉降的縱向分布規(guī)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(yīng)力基本不變；底層縱梁的最大壓應(yīng)力增幅為14%，達(dá)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(kuò)大為9.66 mm。

圖9 梁的豎向位移變化規(guī)律

3)如圖10所示：立柱柱頂?shù)某两捣植家?guī)律同樣沒(méi)有明顯變化，仍表現(xiàn)為跨中最大、兩側(cè)較?。坏鼗幚聿划?dāng)、地層抗力折減至15 MPa/m時(shí)，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(guī)范要求的5‰l≈36.9 mm。

圖10 立柱沉降的空間分布規(guī)律

由于側(cè)邊地層的約束及荷載水平未出現(xiàn)變化，基底地層抗力的削弱對(duì)底部結(jié)構(gòu)(底板、底梁)的影響最為顯著，但并未引起差異沉降超限、出現(xiàn)新增裂縫等問(wèn)題。確?？拥椎鼗幚硇Ч?，可以有效控制結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力水平和變形程度。

2.3 地表超載對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響

由設(shè)計(jì)荷載下的計(jì)算結(jié)果分析可知，地下車站結(jié)構(gòu)始發(fā)段變截面和變高處存在應(yīng)力集中，標(biāo)準(zhǔn)段頂板沉降值最大，合建段立柱壓應(yīng)力最大。針對(duì)如圖11中的4個(gè)敏感區(qū)域，模擬每個(gè)區(qū)域局部堆載100 kPa對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

為繪圖方便，以位置0代表設(shè)計(jì)荷載下的計(jì)算結(jié)果，橫軸1～4代表圖11中標(biāo)識(shí)的4處堆載區(qū)域。局部超載作用下，車站結(jié)構(gòu)不同區(qū)域的沉降差異較為顯著，11號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)段(堆載區(qū)域三)增幅最大，頂板最大沉降值增加33%，總沉降達(dá)到51.9 mm，其他區(qū)域頂板沉降增幅控制在2 mm以內(nèi)。地表局部超載導(dǎo)致堆載區(qū)域一、堆載區(qū)域二和堆載區(qū)域三立柱的最大壓應(yīng)力增加2.1 MPa，堆載區(qū)域立柱的最大壓應(yīng)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(qū)域下結(jié)構(gòu)沉降值

綜合不同堆載狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)受力與變形結(jié)果分析，運(yùn)營(yíng)期需嚴(yán)格控制超載，特別是11號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)段堆載區(qū)域三的地表超載不應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)超載值。

2.4 底部揭露溶洞對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響

針對(duì)圖11提及的4個(gè)結(jié)構(gòu)敏感區(qū)域，單獨(dú)分析每個(gè)區(qū)域揭露溶洞對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)合周邊區(qū)域既有工程的地基處理結(jié)果，按圓形模擬溶洞，半徑設(shè)置為3 m。計(jì)算結(jié)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(jié)構(gòu)沉降和拉壓應(yīng)力變幅極小，受力變形狀態(tài)與無(wú)溶洞工況基本相同。因此，可以忽略底部局部揭露溶洞對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)安全的影響。

圖13 不同堆載區(qū)域下結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力

圖14 不同堆載區(qū)域下結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力

圖15 不同溶洞位置下結(jié)構(gòu)沉降值

圖16 不同溶洞位置下結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力

3 車站主體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方案分析

依據(jù)上述分析結(jié)果可知，不同區(qū)段主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力響應(yīng)差異較大。從運(yùn)營(yíng)安全角度考慮，選擇監(jiān)測(cè)斷面時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜區(qū)域(如剛度突變區(qū)域、結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域等)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱區(qū)域(如受力峰值區(qū)域、承載力最小區(qū)域等)、周邊環(huán)境復(fù)雜區(qū)段(如不良地質(zhì)區(qū)域、地質(zhì)狀況發(fā)生變化區(qū)域等)，同時(shí)可選擇1～2處標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行對(duì)比分析。最終，確定車站主體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)斷面如圖17所示。

圖17 車站主體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)斷面布置圖

1)斷面1、斷面3和斷面5位于結(jié)構(gòu)變截面處，存在應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)拉壓應(yīng)力較大，存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)；

2)斷面7、斷面8和斷面9位于車站兩側(cè)端頭位置，屬結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，受力情況復(fù)雜，容易發(fā)生不均勻沉降;

3)斷面2、斷面4和斷面6屬于結(jié)構(gòu)薄弱部位，斷面2結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力較大，斷面4結(jié)構(gòu)沉降值最大，斷面6立柱受力最大。

復(fù)興路站的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要為結(jié)構(gòu)外部荷載(水、土壓力)和關(guān)鍵部位的混凝土拉壓應(yīng)力。以雙線合建段異型結(jié)構(gòu)處的斷面5為例，結(jié)合結(jié)構(gòu)受力計(jì)算分析結(jié)果，確定結(jié)構(gòu)承載及使用性能方面的薄弱部位，據(jù)此確定外部荷載和混凝土應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)，如圖18～19所示。

圖18 斷面5外部荷載測(cè)點(diǎn)

圖19 斷面5薄弱部位應(yīng)力測(cè)點(diǎn)

采用兩級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)管控(見(jiàn)表4)，取混凝土抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的80%作為預(yù)警值，取混凝土抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的100%作為報(bào)警值，各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 車站主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件預(yù)警和報(bào)警管控標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論

1)在考慮運(yùn)營(yíng)初始狀態(tài)(設(shè)計(jì)荷載工況)的基礎(chǔ)上，局部揭露溶洞對(duì)主體結(jié)構(gòu)受力與變形特性基本沒(méi)有影響，可以忽略；地基處理不當(dāng)和地表超載均會(huì)對(duì)主體結(jié)構(gòu)造成一定程度的不利影響，其中地基處理不當(dāng)對(duì)底部結(jié)構(gòu)影響最大，底板豎向變形增幅最大為93%，應(yīng)力增幅最大為40%，柱間差異沉降增加43%，達(dá)到4.6 mm，但仍滿足規(guī)范要求；標(biāo)準(zhǔn)段跨中區(qū)域的地表超載最大，結(jié)合應(yīng)力與開(kāi)裂控制標(biāo)準(zhǔn)，建議標(biāo)準(zhǔn)段和合建段地表附加荷載不應(yīng)超過(guò)設(shè)計(jì)超載值。

2)從力學(xué)層面分析確定了單線始發(fā)段的變截面部位、變高部位、標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)受力薄弱點(diǎn)，進(jìn)而依據(jù)數(shù)值分析結(jié)果確定了外部荷載和結(jié)構(gòu)應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)布設(shè)方案，確定了結(jié)構(gòu)應(yīng)力的預(yù)警與報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)。

目前已依據(jù)該方案優(yōu)化了復(fù)興路站健康監(jiān)測(cè)實(shí)施方案。未來(lái)有必要進(jìn)一步分析基于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和運(yùn)營(yíng)安全檢查數(shù)據(jù)的健康狀態(tài)量化評(píng)價(jià)方法，動(dòng)態(tài)評(píng)估結(jié)構(gòu)損傷程度及損傷部位，以指導(dǎo)類似大型地下車站結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全管控工作。