地鐵區(qū)間下穿既有車站結(jié)構(gòu)安全力學分析

1、第 29 卷第 6 期鐵道學報V ol. 29No . 62 0 0 7 年 12 月JOU R NA L OF T H E RA ILW A Y SO CI ET YDecember 2007文章編號: 1001 8360( 2007) 06 0089 06地鐵區(qū)間下穿既有地鐵車站結(jié)構(gòu)安全力學分析賈永剛1 ,王明年2 ,3城建設計研究總院,3.100037; 2. 西南交通大學 地下工程系, 四川 成都 610031;( 1.十六局集團,100018)摘 要:地鐵某新建線區(qū)間下穿既有地鐵車站的安全力學分析。為保證既有地下鐵道的正常運營和既有地下結(jié)構(gòu)的安全, 需嚴格新建結(jié)構(gòu)施工引起的地層位移。

2、本文新建線施工引起的既有車站結(jié)構(gòu)的沉降曲線、評估新建施工引起的既有車站沉降變形對其現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)的影響, 同時根據(jù)行車安全的要求, 綜合各種影響因素, 提出新建線施工時既有車站結(jié)構(gòu)的沉降指標。本文通過建立有模型計算并分析新建線區(qū)間下穿既有車站結(jié)構(gòu)情況下既有車站結(jié)構(gòu)的受力特征, 并評價結(jié)構(gòu)的安, 為采取合理的施工輔助措施提供參考。: 下穿; 地層位移; 車站結(jié)構(gòu);號: U 231. 4文獻標志碼: A指標Mechanical and Security Evaluation of the Existing Metro Station Structureunder Construction ofThrou

3、gh Tunnel of New Metro LineJIA Yo ng g ang1 , nian2 ,REN Shi lin3WANG( 1.Urban Engineerin g Design and Research Ins tit ute Co. ,100037,;2. Departm ent of Underground Engineering, Southw est Jiaot ong Universit y, C hengdu 610031,;3.Railw ay 16th Group Co. ,100018,)Abstract: T his paper introduces s

4、ecur it y evaluation w hen a tunnel of a New M et ro Line g oes through an ex ist ing Metro station structure. Stratum displacem ent caused by neco line tunnel co nstr uction should be co ntro lledst rict ly so as to keep the norm al oper at ion of the existing M et ro line and guarantee the securit

5、y o f the ex ist ingstatio n st ructure. This paper for ecasts the settlement curve of the existing station st ructure and evaluates the inf luence o f the excavated tunnel. T he control targ et of settlement according to the r equirements of t rain o pera ensive inf luencing factor s. T he f init e

6、 elem ent mt ion safety and in view o f compis established to calculateand analy ze the st ressed features and security conditions of the existing M et ro station structure under throughtunnel construction. T his provides refer ences fo r adopting r easonable assistant m easures in co nstructio n.Ke

7、y words: through; st ratum displacem ent; station structure; co ntrol tar get地鐵某新建線區(qū)間左線( 位于既有地鐵車站南側(cè)) 從既有地鐵車站出發(fā), 向北下穿既有地鐵車站西端站務用房; 右線則從既有地鐵車站預留的換乘節(jié)點內(nèi)通過。二者平面見圖 1 圖 4。既有地鐵車站沿東西方向布置, 與新建線垂直。新建線下穿部位的車站分上下兩層, 車站沿縱向設置變形縫, 縫間距不等, 在新建線區(qū)間上方正中偏西位置剛好有一道變形縫。擬建新線區(qū)間左線采用礦山法施工, 施工北向南。區(qū)間采用平頂直墻斷面, 復合襯砌結(jié)構(gòu)。本次結(jié)構(gòu)安全力學分析的范圍

8、是: 既有地鐵車站對應新收稿日期: 2005 12 15;日期: 2006 04 03作者簡介: 賈永剛( 1977 ) , 男, 山西臨汾人, 工程師,。: ygjia_2001 263. net鐵道學報第 29 卷90 1 。( 4) 核算洞體結(jié)構(gòu)的承載能力時, 不考慮混凝土的抗拉強度。構(gòu)2. 2計算概述新建線下穿施工將引起既有車站的沉降變形, 由此引起既有車站結(jié)構(gòu)的附加內(nèi)力。因此, 評估既有車站結(jié)構(gòu)在新建線施工期間的安變化。, 主要看其內(nèi)力的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析離不開理論計算。本次計算采用精度較高的三維荷載 結(jié)構(gòu)模型 5 , 以新建線區(qū)間及 2 號線對應新建線區(qū)間下穿部位的兩個變形縫區(qū)段車站結(jié)構(gòu)

9、為計算對象, 對二者進行整體計算分析。新建線施工前, 既有車站結(jié)構(gòu)受到土及地面超載的作用, 底板則受到土體的約束 5 。新建線施工后, 既有車站底板局部土體被挖除, 支撐條件改變, 原來的彈簧被新建線區(qū)間頂板結(jié)構(gòu)支撐所代替。根據(jù)新建線區(qū)間的施工設計文件, 區(qū)間下穿既有車站時, 采取在兩側(cè)壁及掌子面上進行小導管注漿的施工措施, 并將斷面分為 4 部分進行臺階法開挖, 臺階長度不超過 3 m。設置臨時中隔板及中隔壁, 并分段( 6 m 一段) 拆除中隔板, 分期澆筑二次襯砌。分析這一施工過程, 區(qū)間貫通應是最不利的工況。本次計算就選取該工況, 并且不考慮土體注漿加固的效應, 將之作為安全儲備。通過

10、計算, 可得最不利工況下既有車站的內(nèi)力值。同時, 根據(jù)既有車站結(jié)構(gòu)的材料強度、結(jié)構(gòu)及所配鋼筋, 通過強度及裂縫兩種工況, 可計算內(nèi)力。內(nèi)力相比較, 即車站結(jié)構(gòu)所能承受的最大內(nèi)力, 即將車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果與建線區(qū)間下穿部位的兩個變形縫區(qū)段長的車站結(jié)構(gòu)?？绍囌窘Y(jié)構(gòu)的工作狀態(tài), 進而評估車站結(jié)構(gòu)的安。計算模型1分析目的2. 3新建線施工引起的既有車站結(jié)構(gòu)的沉( 1 )降曲線。本次計算既有車站及新建線區(qū)間建立三維有模型, 墻、板構(gòu)件采用殼單元, 換乘節(jié)點下層柱采用梁單元進行模擬 4 。計算模型見圖 5、圖 6。( 2 ) 評估新建施工引起的既有車站沉降變形對其現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)的影響。( 3 ) 根據(jù)行車安全

11、的要求, 綜合各種影響因素,提出新建線施工時既有車站結(jié)構(gòu)的沉降指標。2有模型2. 1計算( 1) 土體參數(shù)在新建施工注漿加固之前和之后保持不變。2. 4計算參數(shù)2. 4. 1 計算荷載 3( 2) 滿足平截面。( 3) 小變形情況下鋼筋混凝土材料滿足線彈性本第 6 期地鐵區(qū)間下穿既有地鐵車站結(jié)構(gòu)安全力學分析91計算考慮新建線施工期間的基本組合工況, 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)而言, 換乘節(jié)點底板的沉降比車站底板的沉降要小。這是因為換乘節(jié)點底板處于車站底板位置下方, 它完全處在新建線區(qū)間開挖施工的破裂面以外。3. 2 既有車站橫向內(nèi)力通過計算, 可以得到既有車站各部位的橫向內(nèi)力值。既有車站緊鄰變形縫的東、西側(cè)結(jié)構(gòu)

12、橫斷面彎矩值及彎矩圖, 分別見圖 8 圖 10。所受荷載為 8 : 恒荷載, 為結(jié)構(gòu)自重與土; 活荷載, 為地面超載, 取 20 kPa 。上述荷載均按標準值進行計算。2. 4. 2 邊界條件既有車站底板與新建線區(qū)間底板都受到基底土體的約束, 因此計算模型在車站底板及區(qū)間底板單元節(jié)點上設置了豎直方向的彈簧, 模擬土體的約束作用, 用以限制結(jié)構(gòu)的豎向位移 5 。考慮新建線區(qū)間施工開挖對周圍土體擾動的影響, 將處于破裂面范圍內(nèi)的彈簧剛度從 0 到正常值作線性遞變。既有車站的東西兩端是變形縫位置, 結(jié)構(gòu)的東西向位移受到限制, 因此計算模型在該斷面的節(jié)點上設置東西方向的鉸支座。新建線區(qū)間的南北兩端可近

13、似看作不發(fā)生南北方向的位移, 因此計算模型在該斷面的節(jié)點上設置南北方向的鉸支座。既有車站兩段結(jié)構(gòu)之間是變形縫, 計算模型以只能傳遞連接。、不能傳遞拉力、剪力和彎矩的連桿將二者新建線區(qū)間頂板與既有車站底板密貼, 計算模型以只能傳遞二者連接。、不能傳遞拉力、剪力和彎矩的連桿將3計算結(jié)果及分析3. 1既有車站沉降變形通過荷載 結(jié)構(gòu)模型的計算, 能得到既有車站的沉降變形值, 在此列出荷載 結(jié)構(gòu)模型的計算沉降曲線,見圖 7。3. 3既有車站縱向內(nèi)力通過計算, 可得既有車站各部位的縱向內(nèi)力值。既有車站頂、底板及側(cè)墻縱斷面內(nèi)力值, 分別見圖 11 圖 15。3. 4車站結(jié)構(gòu)承載能力驗算既有車站結(jié)構(gòu)采用 C3

14、0 混凝土, 橫向受力筋及縱向分布筋采用 16M n 鋼筋。由于車站建設年代較早,由沉降曲線可見, 變形縫處差異沉降為 4. 8 mm, 而且新建線區(qū)間施工對既有車站變形縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)的影響程度不同, 對東側(cè)結(jié)構(gòu)的影響程度比西側(cè)結(jié)構(gòu)要大。這是因為 6 m 寬的新建線區(qū)間有 4. 69 m 位于 2 號線東側(cè)結(jié)構(gòu)下方, 只有 1. 31 m 位于西側(cè)結(jié)構(gòu)下方, 因此對東側(cè)結(jié)構(gòu)的影響程度更大。此外, 對于變形縫東側(cè)鐵道學報第 29 卷92鋼筋, 按照文獻 6 對車站結(jié)構(gòu)橫向、縱向承載力分別、強度兩種工況進行驗算。根據(jù) 既有以裂縫車站在地鐵新建線下穿區(qū)間道床及洞體結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀檢測評估報告 , 既有車站結(jié)構(gòu)混

15、凝土強度可以滿足原設計要求, 鋼筋基本沒有發(fā)生銹蝕。因此, 在驗算車站結(jié)構(gòu)承載能力時, 混凝土和鋼筋按照設計強度取值。結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算表明, 車站結(jié)構(gòu)橫向主要承受彎矩和, 屬于偏心受壓構(gòu)件; 而結(jié)構(gòu)縱向也主要承受彎矩和軸力, 但軸力有拉有壓。因此, 在反算結(jié)構(gòu)橫向各部位的承載能力時, 偏于安全地按純彎構(gòu)件考慮, 計算結(jié)果見表 1; 反算結(jié)構(gòu)縱向各部位的承載能力時, 分別按純彎構(gòu)件及軸心受壓構(gòu)件考慮, 計算結(jié)果見表 2。結(jié)構(gòu)設計遵循當時的規(guī)范 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范 ( TJ 10 74) 6 , 因此, 在核算車站結(jié)構(gòu)承載能力的時候, 也按照該規(guī)范進行驗算。3. 6安評估根據(jù)既有車站結(jié)構(gòu)的工程材料

16、、結(jié)構(gòu)及所配第 6 期地鐵區(qū)間下穿既有地鐵車站結(jié)構(gòu)安全力學分析93要既有車站結(jié)構(gòu)在新建線區(qū)間下穿施工過程而言, 除側(cè)墻中部內(nèi)側(cè)的彎矩值超出按裂縫的最中是否安全, 需要把計算出的既有車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力與其自身承載能力作比較。如果結(jié)構(gòu)內(nèi)力沒有超出承載能力的范圍, 那么結(jié)構(gòu)是安全的; 反之則不安全。以下分大彎矩值外, 其余部位的彎矩值均未超過按裂縫的最大并未超出按強度彎矩值, 而且側(cè)墻中部內(nèi)側(cè)的彎矩值的最大彎矩值。由此,車站結(jié)構(gòu)的橫向是安全的。就縱向內(nèi)力, 對既有車站典型的頂、底板及側(cè)墻跨別就結(jié)構(gòu)橫向、縱向?qū)Χ哌M行比較, 見表 3表 3 變形縫東側(cè)結(jié)構(gòu)橫向彎矩核算表表 8。中部位而言, 首先按照純彎構(gòu)件

17、進行核算, 若軸力是壓力, 則按純彎構(gòu)件計算出的附加安全系數(shù)是偏于安全的; 若軸力是拉力, 則按純彎構(gòu)件計算出的附加安全系數(shù)是偏于 的, 這就需要再進一步按偏心受拉構(gòu)件進行核算。表 5 北側(cè)墻典型縱向內(nèi)力核算表 M / ( kN m )附加安全系數(shù)M /( kN m)結(jié)構(gòu)部位裂縫是否超限強度是否超限內(nèi)側(cè)( 跨中)外側(cè)( 角部)否否否否頂板邊跨3251 9922 4727. 67891 8782 7673. 5內(nèi)側(cè)( 跨中)外側(cè)( 角部)否否否否頂板中跨3211 9922 4727. 7安全系數(shù) K是否K K M /( kN m )N / kN K 6882 5474 0775. 9變形縫東側(cè)結(jié)

18、構(gòu)外側(cè)( 上部)內(nèi)側(cè)( 跨中)外側(cè)( 下部)否是否否否否7871 4272 1692. 8小偏心受拉大偏心受拉否否309- 2090. 81. 4側(cè)墻3992334871. 2267- 2010. 91. 46391 3571 9043. 0變形縫西側(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)( 跨中)外側(cè)( 角部)否否否否底板邊跨561 3591 47126. 3大偏心受拉大偏心受拉是是47- 1552. 21. 46401 4932 0803. 386- 1581. 81. 4內(nèi)側(cè)( 跨中)外側(cè)( 角部)否否否否底板中跨771 3591 47119. 1表 6南側(cè)墻典型縱向內(nèi)力核算表3421 7622 5977. 6安全系

19、數(shù) K是否K K 注: 安全系數(shù)= 基本安全系數(shù) 附加安全系數(shù), 基本安全系數(shù)為 1. 0。M /( kN m )N / kN K 表 4 變形縫西側(cè)結(jié)構(gòu)橫向彎矩核算表變形縫東側(cè)結(jié)構(gòu) M / ( kN m )大偏心受拉小偏心受拉是否51393. 21. 4附加安全系數(shù)M /( kN m)結(jié)構(gòu)部位2301070. 41. 4裂縫是否超限強度是否超限變形縫西側(cè)結(jié)構(gòu)大偏心受拉大偏心受拉是是內(nèi)側(cè)( 跨中)外側(cè)( 角部)否否否否231522. 61. 42961 9922 4728. 4頂板邊跨461532. 31. 47191 8782 7673. 8內(nèi)側(cè)( 跨中)外側(cè)( 角部)否否否否頂板中跨339

20、1 9922 4727. 3表 7頂板典型縱向內(nèi)力核算表5832 5474 0777. 0安全系數(shù) K是否K K M /( kN m )N / kN K 外側(cè)( 上部)內(nèi)側(cè)( 跨中)外側(cè)( 下部)否是否否否否7181 4272 1693. 0側(cè)墻3732334871. 3變形縫東側(cè)結(jié)構(gòu)6061 3571 9043. 1大偏心受拉是1- 1344. 41. 4內(nèi)側(cè)( 跨中)外側(cè)( 角部)否否否否大偏心受拉是底板邊跨1381 3591 47110. 74- 1324. 31. 46021 4932 0803. 5大偏心受拉是8- 1304. 21. 4變形縫西側(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)( 跨中)外側(cè)( 角部)否否

21、否否1811 3591 4718. 1底板中跨3561 7622 5977. 3大偏心受拉是6- 1783. 21. 4大偏心受拉是10- 1623. 31. 4根據(jù)內(nèi)力核算結(jié)果, 就橫向內(nèi)力, 對既有車站受新建線下穿施工影響最大的緊鄰變形縫的東西兩側(cè)結(jié)構(gòu)鐵道學報第 29 卷94表 8 底板典型縱向內(nèi)力核算表中是安全的。當然, 不排除局部點會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)力超出自身承載能力的情況, 但這并不影響車站的安全使用。安全系數(shù) K是否K K M /( kN m )N / kN K ( 3 ) 既有車站的變形縫處差異沉降5 m m。指標取變形縫東側(cè)結(jié)構(gòu)250大偏心受拉229大偏心受拉是是131. 91. 4

22、261. 91. 4參考文獻:變形縫西側(cè)結(jié)構(gòu)東南大學, 天津大學, 同濟大學. 混凝土結(jié)構(gòu)( 上冊) M . 1189 大偏心受拉190 大偏心受拉是是12. 71. 4第二版.工業(yè):, 2002.72. 51. 4. 結(jié)構(gòu)力學( 上冊 M . 第三版.版社, 2002.: 高等教育出 2根據(jù)縱向內(nèi)力核算結(jié)果, 車站結(jié)構(gòu)局部點不滿足強度受力要求, 其中北側(cè)墻跨中部位 10 個點; 南側(cè)墻跨中部位 5 個點; 中跨頂板跨中部位 1 個點, 約占全部核算點的 6%?？紤]到鋼筋混凝土材料有一定的塑性, 局部應力集中的地方會發(fā)生應力重分布, 從而. 材料力學( 上冊), 2001. M . 第三版.

23、3,: 高等教育,成.李志業(yè),有限單元法 M . 4 5:, 2003. M . 成都: 西. 地下結(jié)構(gòu)設計原理與, 2003.南交通大學中民建設部.T J 10- 74 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計 6其受力狀態(tài), 因此車站結(jié)構(gòu)縱向是安全的。規(guī)范 S .工業(yè):, 1988.4結(jié)論中民建設部.:G B 50010- 2002 混凝土結(jié)構(gòu)設 7計規(guī)范 S .,技術工業(yè), 2002.( 1 ) 新建線區(qū)間下穿施工能保證既有車站的結(jié)構(gòu)安全。( 2 ) 既有車站結(jié)構(gòu)在新建線區(qū)間下穿施工過程等. 地下鐵道設計與施工 M . 西安: 陜西科學, 1997.( 責任編輯 安鴻逵) 8 鐵道學報 對撰寫中英要的要求為讀者提供檢索服務的國內(nèi)外各類檢索數(shù)據(jù)庫, 屬于二次摘要不應含有引言中出現(xiàn)的內(nèi)容, 也不要對內(nèi)容作詮文獻數(shù)據(jù)庫, 其入編, 無全文些檢索數(shù)據(jù)庫要依據(jù)一方面讀者要根據(jù)的條目內(nèi)容有題名、作者、參考釋和評論, 不得簡單重復題名中已有的; 不用非公知公用, 所以的質(zhì)量非常重要。一方面這的符號和術語; 不用引文, 除非該證實或了他人已發(fā)的質(zhì)量來決定該文章是否被收錄; 另表的; 縮略語、略稱、代號, 除了相鄰專業(yè)的讀者也能清楚提供的考慮是否閱讀原文。理解的以外, 在首次