大型地铁车站主体结构运营期安全分析与安全监测方案设计*

江中华

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，430063，武汉∥高级工程师)

随着城市交通基础设施的快速发展，大型地下交通枢纽不断出现。由于其地下空间结构体系复杂，周围工程环境变化较大，对于沉降和变形的要求较高，传统的平面框架模型计算方法已不能精确反应结构的真实受力情况[1]，进而造成结构截面和配筋尺寸等参数不合理[2]，不同的工程之间由于工况不同又难以借鉴，因此需要针对相应的工况进行合理的数值模拟来得到结构的受力变形性能。

针对平面框架模型计算结果的缺陷，文献[3-5]通过有限元软件建立车站三维模型，分析发现车站二维模型的计算结果比车站三维模型的大，计算结果不符合结构的真实受力情况；文献[6-8]详细分析了车站端头井、中庭等位置开孔对结构的影响；文献[9-10]探讨了结构受力改善的相关措施;文献[11-13]结合车站的不利工况，研究车站梁板不同刚度比对结构的影响，并给出优化建议。城市的快速发展使得不同结构之间的近距作业日益频繁，新建建筑不可避免地会对车站运营造成影响。在运营期，车站周边地表堆载导致地铁车站箱体结构沉降表现出非连续性，基底土体产生的塑性应变导致卸荷后结构仍存在不可恢复的残余变形[14]。同时周边地下水位的变化也会对车站结构产生不利影响，水位上升时，隧道会发生整体上浮，威胁行车安全，但对结构应力影响不大[15-17]。周围基坑开挖深度大于车站深度时，车站会产生较大不均匀沉降[18-20]。

由于现有文献的研究未全面考虑运营期可能发生的工程活动对地铁车站结构的影响，并且地铁车站结构形式存在差异，结构性能分析难以直接借鉴已有成果。因此，对于新建的大型地下空间工程，有必要针对其运营期可能存在的工程活动，开展不利工况下主体结构力学响应分析，研究结构受力薄弱区域，进而制定相应的健康监测方案，指导运营安全监测和诊断工作的开展。

1 车站主体结构受力性能精细化模拟方法

复兴路地下车站为武汉市3条地铁线路(新建5号线、11号线及既有4号线)的大型换乘枢纽站。5号线和11号线基本呈平行布置。5号线主体长786 m，采用两层单柱双跨和双柱三跨结构；11号线主体长244 m，全部采用两层单柱双跨结构；既有4号线车站与5号线车站线路交角90°，4号线主体长157 m，为三层双柱三跨结构。5号线和11号线换乘节点长约81 m、宽约50 m，采用地下两层四柱五跨结构和纵梁体系，顶板厚1 000 mm，中板厚400 mm，底板厚1 000 mm。图l为车站主体结构的标准段横截面及全局剖面图。车站主体结构总体上可划分为11号线始发段、11号线标准段以及5号线和11号线合建段，这3段的结构形式各异。车站修建于长江一级阶地岩溶塌陷区，基底埋深为20 m,顶板覆土埋深为3.8 m。揭露土层主要为杂填土、粉质黏土、粉质黏土夹粉土、粉砂粉土粉质黏土互层、粉细砂、中粗砂夹砾卵石及下覆基岩。

基底软土承载力相对较低，且局部发育岩溶。结合周边复杂的建构筑物环境及后期地块规划，运营期可能面临施工期地基处理效果不佳、基底存在未处理的溶洞和地表超载等不利工况，危及运营安全。因此，有必要在考虑设计初始状态的基础上，分析潜在不利工况对运营安全的影响，探明主体结构的受力薄弱环节，针对性地设计并实施健康监测，以指导运营安全管控。

通过采用荷载结构法和构建三维精细化数值模型进行模拟计算。依据车站设计图按全尺寸建立实体数值模型。在边界条件方面，在围护结构和底板四周施加垂直于表面的水土压力，土体对墙体(底板)的约束作用采用水平、竖向的非线性弹簧模拟(仅受压)。不同结构的材料及本构关系如表1所示。节点位置取结构中心点，单元平均尺度为1 m。

表1 不同结构的材料及本构关系

设计荷载包括永久荷载和标准可变荷载。通过组合工况确定结构自重、水土压力、设备质量等，然后分析设计条件下的结构受力变形状态。结合车站周边环境，以及运营期车站结构及周边可能存在的地基处理不佳、地表超载和底部溶洞发育等不利工况，进行模拟分析，模拟方法如表2所示。

表2 针对影响车站结构的不利工况的模拟方法

控制标准参照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》和GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》相关规定，如表3所示。

表3 基于国家标准的车站结构变形控制表

2 运营期车站结构受力性能分析

2.1 设计荷载下的结构受力性能

考虑后续分析工况对围护及外墙影响不大，且设计荷载最不利工况下围护及主体外墙结构安全储备较高，因此主要分析板、梁和柱等构件的变形和受力情况。

各层板最大主应力云图如图2所示。顶板应力水平最高，中板次之，底板最低；最大压应力仅为7.6 MPa，而各层板受压安全储备较高，因此不受影响；11号线始发段变高处的顶板拉应力超过抗拉强度，验算裂缝宽0.3 mm，其余部位拉应力均小于抗拉强度。竖向变形方面，同样表现为:顶板沉降最大，底板沉降最小。顶板最大沉降量为35.1 mm，略小于允许的挠度值为37.0 mm；中层板沉降为32.1 mm；底板最大最大沉降6.6 mm。跨中处底板上浮6.9 mm。底板竖向位移云图如图3。

图1 武汉地铁复兴路站车站主体结构剖面图

图2 各层板最大主应力云图

图3 底板竖向位移云图

各层板下的纵梁、横梁、纵梁的应力水平和变形幅度相对较大。顶层纵梁混凝土应力水平最高，局部拉应力达到抗拉强度，压应力最大为11.2 MPa，如图4所示。顶层纵梁竖向位移最大，约为14.0 mm，小于规范要求的34 mm。

图4 顶层纵梁最小主应力云图

相比各层板和梁，各区域立柱的应力水平最高，其中双线合建段最大拉应力和压应力分别为2.7 MPa和22.4 MPa，如图5所示。11号线标准段立柱沉降值最大，为14 mm；相邻立柱柱顶最大差异沉降为3.2 mm，小于规范要求的5‰l≈36.9 mm(l为立柱间水平距离)。

图5 双线合建段立柱轴向应力云图

从应力、变形及裂缝控制要求来看，均满足设计要求。11号线始发段、变高处及双线合建段变截面处存在应力集中问题，而11号线标准段跨中处为整体变形最大处。上述区域可以认为是受力薄弱部位，运营期应加强关注。

2.2 地基处理效果不佳对主体结构的影响

从分析结果来看，地层抗力的削弱不会引起主体结构受力形态的显著变化。具体表现为：

1)如图6所示：顶板、中板和底板仍表现为:顶板应力水平最高，中层板次之，底板最低。随地层抗力减小，底板拉应力水平增幅最大，极值从1.0 MPa增加至1.4 MPa，顶板拉应力也出现小幅度增加，而中板应力基本不变。如图7和图8所示：顶板沉降仍表现为横向“W”型对称分布的沉降槽和纵向跨中“深槽”型沉降槽；顶板沉降增幅较小，跨中最大处沉降仅增加2.5%，由35.1 mm增至36.0 mm；底板竖向变形最为显著，跨中部位的底板隆起量从6.8 mm增加至13.1 mm，端部底板的沉降量从6.6 mm增加到9.2 mm，最大增幅93%。

图6 顶板、中板和底板的最大拉应力变化规律

图7 顶板沉降的横向分布规律

图8 顶板沉降的纵向分布规律

2)如图9所示：顶层纵梁、中层纵梁和底层纵梁的最大拉应力基本不变；底层纵梁的最大压应力增幅为14%，达到8 MPa；各层纵梁沉降近似线性增加，其中底层纵梁增幅最大，从6.83 mm扩大为9.66 mm。

图9 梁的竖向位移变化规律

3)如图10所示：立柱柱顶的沉降分布规律同样没有明显变化，仍表现为跨中最大、两侧较小；地基处理不当、地层抗力折减至15 MPa/m时，引起的沉降量最大增加3.6 mm，增幅为25%；柱间的最大差异沉降值为4.6 mm，仍小于规范要求的5‰l≈36.9 mm。

图10 立柱沉降的空间分布规律

由于侧边地层的约束及荷载水平未出现变化，基底地层抗力的削弱对底部结构(底板、底梁)的影响最为显著，但并未引起差异沉降超限、出现新增裂缝等问题。确保坑底地基处理效果，可以有效控制结构的拉应力水平和变形程度。

2.3 地表超载对主体结构的影响

由设计荷载下的计算结果分析可知，地下车站结构始发段变截面和变高处存在应力集中，标准段顶板沉降值最大，合建段立柱压应力最大。针对如图11中的4个敏感区域，模拟每个区域局部堆载100 kPa对结构的影响。

为绘图方便，以位置0代表设计荷载下的计算结果，横轴1～4代表图11中标识的4处堆载区域。局部超载作用下，车站结构不同区域的沉降差异较为显著，11号线标准段(堆载区域三)增幅最大，顶板最大沉降值增加33%，总沉降达到51.9 mm，其他区域顶板沉降增幅控制在2 mm以内。地表局部超载导致堆载区域一、堆载区域二和堆载区域三立柱的最大压应力增加2.1 MPa，堆载区域立柱的最大压应力增加5.8 MPa，如图12～14所示。

图11 局部堆载位置示意图

图12 不同堆载区域下结构沉降值

综合不同堆载状态下的结构受力与变形结果分析，运营期需严格控制超载，特别是11号线标准段堆载区域三的地表超载不应超过设计超载值。

2.4 底部揭露溶洞对主体结构的影响

针对图11提及的4个结构敏感区域，单独分析每个区域揭露溶洞对结构的影响。结合周边区域既有工程的地基处理结果，按圆形模拟溶洞，半径设置为3 m。计算结果如图15～16所示。由于底板刚度较大，局部揭露溶洞引起的结构沉降和拉压应力变幅极小，受力变形状态与无溶洞工况基本相同。因此，可以忽略底部局部揭露溶洞对结构运营安全的影响。

图13 不同堆载区域下结构最大拉应力

图14 不同堆载区域下结构最大压应力

图15 不同溶洞位置下结构沉降值

图16 不同溶洞位置下结构拉应力

3 车站主体结构健康监测方案分析

依据上述分析结果可知，不同区段主体结构的内力响应差异较大。从运营安全角度考虑，选择监测断面时应重点关注结构体系复杂区域(如刚度突变区域、结构不连续区域等)、结构强度薄弱区域(如受力峰值区域、承载力最小区域等)、周边环境复杂区段(如不良地质区域、地质状况发生变化区域等)，同时可选择1～2处标准断面进行对比分析。最终，确定车站主体结构健康监测断面如图17所示。

图17 车站主体结构健康监测断面布置图

1)断面1、断面3和断面5位于结构变截面处，存在应力集中，结构拉压应力较大，存在开裂风险；

2)断面7、断面8和断面9位于车站两侧端头位置，属结构不连续区域，受力情况复杂，容易发生不均匀沉降;

3)断面2、断面4和断面6属于结构薄弱部位，断面2结构拉应力较大，断面4结构沉降值最大，断面6立柱受力最大。

复兴路站的监测项目主要为结构外部荷载(水、土压力)和关键部位的混凝土拉压应力。以双线合建段异型结构处的断面5为例，结合结构受力计算分析结果，确定结构承载及使用性能方面的薄弱部位，据此确定外部荷载和混凝土应力的测点，如图18～19所示。

图18 断面5外部荷载测点

图19 断面5薄弱部位应力测点

采用两级标准进行数据管控(见表4)，取混凝土抗拉强度和抗压强度设计值的80%作为预警值，取混凝土抗拉强度和抗压强度设计值的100%作为报警值，各级标准见表4。

表4 车站主体结构构件预警和报警管控标准

4 结论

1)在考虑运营初始状态(设计荷载工况)的基础上，局部揭露溶洞对主体结构受力与变形特性基本没有影响，可以忽略；地基处理不当和地表超载均会对主体结构造成一定程度的不利影响，其中地基处理不当对底部结构影响最大，底板竖向变形增幅最大为93%，应力增幅最大为40%，柱间差异沉降增加43%，达到4.6 mm，但仍满足规范要求；标准段跨中区域的地表超载最大，结合应力与开裂控制标准，建议标准段和合建段地表附加荷载不应超过设计超载值。

2)从力学层面分析确定了单线始发段的变截面部位、变高部位、标准段的大跨跨中部位、双线合建段的变截面处与跨中部位为主体结构受力薄弱点，进而依据数值分析结果确定了外部荷载和结构应力的测点布设方案，确定了结构应力的预警与报警标准。

目前已依据该方案优化了复兴路站健康监测实施方案。未来有必要进一步分析基于长期监测和运营安全检查数据的健康状态量化评价方法，动态评估结构损伤程度及损伤部位，以指导类似大型地下车站结构的运营安全管控工作。