基于FLAC3D变形结果的某地铁车站主体结构的安全性评估
摘要：基于用FLAC3D模拟拟建隧道穿越某地铁车站主体结构所得的变形结果，用结构分析软件SAP来分析该车站主体结构的内力。然后与既有车站主体结构的允许应力比较，得出各个构件的安全系数，从而做出结构安全评估。在此基础上把安全系数小于1.0的作为监测的重点，在施工时针对变形量过大的，特别是超过容许值的地段做好注浆预加固，为盾构的同步注浆及二次注浆工作提供依据。（参考《www.jianzhu518.com》）
关键词：地下工程 地铁车站
1 项目背景
拟建隧道沿向呈东向西，其中有一段穿越某地铁车站主体结构，在该段范围内拟建隧道与该隧道车站主体结构成十字交叉关系(图1)。拟建隧道采用盾构施工，隧道设计轨顶绝对标高为7. 53m，距离地面36.5 m，距离既有地铁车站主体底板13. 9m。既有地铁车站主体的双层段采用单断面，拱形顶板，单层段采用两个矩形断面、复合衬砌结构。双层段宽22.5 m，底板距离拱形起拱处15. 2m，单个矩形断面宽9. 85m，高9m，两个矩形断面之间的净距为4. 1 m。详细尺寸见下图2,3。为了评估隧道建设时该地铁车站主体结构的相应，以判断该地铁车站主体结构是否安全。我们利用专业数值模拟分析软件FLAC3D模拟的结果，用专业软件SAP对该车站主体结构进行安全性评估。
2 评估方法
拟建隧道施工以前，该地铁车站主体结构处于初始平衡状态。此时，该车站主体结构所受荷载为:顶板、侧墙受到土压力及地面超载的作用;约束条件为:底板受到土体的约束，通过计算，可得出结构的内力，即初始内力。
拟建隧道施工以后，该地铁车站受其影响发生了变形，结构的初始平衡状态被打破，待沉降变形稳定之后，结构又达到了新的平衡，结构内力相对于施工前有所变化，此内力变化量可通过位移法计算得到。上面两者的叠加得出该地铁车站沉降变形之后的实际内力。另一方面，根据该地铁车站结构的材料强度、结构尺寸、所配钢筋数量及结构现状检测评估报告，可计算出车站结构各部位所能承受的最大内力，即允许内力。
评估该地铁车站结构在拟建隧道施工期间的安全性，就是将该车站主体结构的实际内力与允许内力相比较，然后判断该车站主体结构的工作状态。
3 评估模型
本次安全性评估的范围是:该地铁车站结构受拟建隧道施工影响的四个变形缝区段，共计宽22. 5m、长117m的车站结构(图4)。
模型说明:
(1)对板、墙构件采用板壳单元进行模拟，梁、柱构件采用梁、柱单元进行模拟。
(2)车站主体结构两端既是模型边界又是变形缝位置。
(3)结构的位移受到限制，因此计算模型在该断面的顶点上设!南北方向平动的约束。由于其在三维中Y,Z方向无转动，故在顶点处设置了转动的约束。
(5)该车站三段结构之间是变形缝，计算模型以只能传递压力、不能传递拉力、剪力和弯矩的弹簧将二者连接。
(6)施工前的初始状态，设置了竖直方向的土弹簧，此时不设置水平弹赞(用侧压力来模拟实际土的作用);施工后的沉降变形稳定状态，既设置水平土弹赞(此时无侧压力)，同时在底板设置竖向土弹簧，来模拟沉降变形作用。
基于上次说明建立的三维有限元模型如下图5。
4 模型计算
4.1 模型计算荷载
计算考虑车站的基本组合工况，结构所受荷载为恒荷载(结构自重十土压力)与活荷载(地面超载，取20kPa)。这两种荷载均按标准值进行计算。
4. 2 模型计算简化
(1)拟建隧道施工前后该地铁车站结构的约束条件、荷载条件相同，满足内力迭加原理;
(2)该地铁车站底板在同一横断面上各点的沉降值相等;
(3)变形前为平面的横截面，变形后仍为平面;
(4)钢筋混凝土材料满足线弹性的本构关系。
4. 3 模型计算结果
本次安全性评估分别对车站5个截面纵横向的底、顶板及侧墙配筋及梁柱配筋进行评估。计算选取的5个典型横断面如下表1及图6。所得安全系数结果见表2。
根据上述安全系数一览表，得出结论:
(1) s个横断面中:代表双层段的断面1,2断面其安全系数都大于1，最小是1. 1;断面3的最小安全系数为0. 82，其中小于1的有两个点，位于底板中央，小于s%的规定。因此该断面底板、顶板、侧墙都是安全的。
(2)单层段的侧墙弯矩最小安全系数为2. 6 ,底板的中部的安全系数是2. 3。故单层段的环向还是纵向配筋满足安全要求。
(3)东顶、底梁弯矩的最小安全系数为1. 5，满足安全要求。剪力的安全系数都在1. 8以上，由于东顶、底梁与西顶、底梁受力对称，配筋同，故梁的安全能达到要求。
(4)柱子的安全系数大部分都在3. 0以上，故安全。
5 结果
本文基于用FLAC3D模拟拟建隧道穿越一地铁车站主体结构所得的变形结果，用结构分析软件SAP来分析该车站主体的内力，然后与既有车站主体结构的容许极限应力比较，得出该地铁车站主体结构为安全的。并同时针对安全系数小于1. 0的车站主体结构部位作为监测重点部位，做好注浆预加固，为盾构的同步注浆及二次注浆工作提供依据。
参考文献
[1]北京城建设计研究总院.地铁设计规范(GB50157一2003 ).北京:中国计划出版社
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