地铁13号线龙门站安全风险分析

地铁13号线龙门站安全风险分析

1地下车站结构特点北京轨道交通第一目的地国际机场线东门站位于东门外道路北侧。车站沿东西方向配置。现有的13号线位于南北两侧。图1显示了两者的平面关系。由于受道路交通、建(构)筑物及地下管线的控制,机场线东直门站结构形式较为复杂,主体结构分为4段,自西向东依次为:A区,暗挖段(单层双连拱结构,长34.57m,宽18.74m);B区,明挖段(四层双跨矩形框架结构,长56.70m,宽22.44m);C区,明、暗挖段(上、下穿越13号线东直门站后折返线区间,长32.16m,宽22.24m);D区,明挖段(五层三跨矩形框架结构,长32.75m,宽22.44m)。既有地铁13号线东直门站为一座地下车站,设计方案为地下2层,处于地下二层的13号线投入运营,地下一层则暂时闲置(以下将地下二层与地下一层统称为“13号线东直门站”)。13号线东直门车站主体结构南北长160m,东西宽72m,为框架结构,基础为1.8m厚的筏板基础形式,车站采用明挖法施工,基坑深约16m,除东侧采用放坡开挖外,西侧、南侧及北侧均采用钻孔灌注桩加锚杆支护体系。机场线东直门站B区结构距离13号线东直门站结构仅为2.2m,该区基坑深27.76m,采用明挖法施工、钻孔灌注桩加钢管内支撑支护体系。B区基坑与既有结构的剖面见图2。2车站主体结构检测由于13号线东直门站建于2002年,为了掌握车站结构目前的工作状态,北京市轨道交通建设管理有限公司委托市建设工程质量检测中心第三检测所对13号线东直门车站主体结构及道床现状进行了检测。检测结果为:(1)车站主体结构外观良好,未发现明显裂缝,无明显外观质量缺陷。(2)梁、板、柱构件的混凝土抗压强度均满足原设计要求,混凝土碳化深度均小于保护层厚度。(3)道床混凝土表面平整,不存在蜂窝、麻面等缺陷,但局部小范围道床表面混凝土有粗糙麻面现象,部分钢轨下的凸起道床、垫块存在轻微边角破损,垫块边角处有裂缝;扣件与钢轨结合紧密,螺栓之间无裂纹;道床与底板连接处结合紧密,无明显脱空现象。可见,13号线东直门站结构总体状况良好。3均匀沉降变形机场线东直门站基坑开挖后,相邻既有车站地基的侧限条件永久性削弱,从而可能引起既有车站结构的不均匀沉降变形,危及结构及行车安全。为确保13号线东直门站的结构安全和运营安全,需要对13号线东直门站进行安全性评估,并由此制定出合理的、保证既有结构安全与运营安全所需要的各项变形极限值及其管理值(控制指标),通过施工技术控制和监控量测,使既有结构和运营安全始终处于可控的范围之内。4结构安全评估4.1机场线抗变形能力13号线东直门站是否安全主要看其发生的变形是否超过结构自身所能承受的最大变形,即结构的极限抗变形能力。因此,评估13号线东直门车站结构的安全性,一方面需要通过大量试算求出13号线车站结构自身的极限抗变形能力,另一方面需要通过计算分析预测出13号线车站结构由于机场线施工引起的变形。将极限抗变形能力与预测变形进行比较,若预测变形没有超出极限抗变形能力,那么13号线东直门站在机场线施工期间是安全的,反之则不安全。求结构的极限抗变形能力是一个不断试算的过程。本次计算采用荷载-结构模式,根据13号线与机场线的相关关系,将其简化为平面问题,选取13号线东直门车站结构的纵断面进行建模计算。经分析,机场线东直门站的施工将引起13号线东直门站基底土体的扰动,尤其对紧邻机场线的南端基底土体的扰动影响最大。由于基底土体的作用体现在计算模型的约束条件上,因此,调整计算模型的约束条件就相当于考虑了基底土体的不同扰动情况。根据计算出的结构内力,可求出结构的需要配筋量,再与实际配筋量进行比较,就可判断结构是否达到极限受力状态,达到极限受力状态时所对应的变形就是结构的极限变形。4.2机场线东南角站的施工,可能引起土体弹簧刚度的变化(1)机场线东直门站的施工不会引起13号线东直门站所受荷载的变化;(2)机场线东直门站的施工不会引起13号线东直门站基底大部分土体弹簧刚度的变化;(3)机场线东直门站的施工不会引起13号线东直门站北端墙发生南北向位移。4.3柱、板、墙模型求解本次计算针对13号线东直门站建立平面有限元模型,将车站的顶板梁、楼板梁按面积等效为板,分别与顶板、楼板迭加,柱子按刚度等效为连续墙,通过SAP2000(V9)程序进行计算。计算中对车站板、墙、柱构件均采用梁单元进行模拟。为了模拟车站基底土体的约束作用,计算模型在底板设置了竖直方向的单向受压土弹簧。根据计算假定(3),计算模型在车站北端墙与顶板、楼板、底板相交部位设置了水平铰支座。计算模型见图3。4.4计算加载计算考虑基本组合工况,结构所受荷载为恒载和活载。(1)固定载荷结构自重+静止土压力。(2)活动清单人群荷载(4kPa)。计算土压力时,土体参数按照所处土层分别选取。上述荷载均采用标准值进行计算。4.5边境条件经分析,机场线施工将会引起13号线东直门站南端基底土体的扰动,计算通过取消扰动区内的土弹簧来模拟这一效应。4.6结构的极限变形经过大量的试算,找到了13号线东直门站的极限受力状态。分析计算结果显示,车站顶板、楼板及柱子的内力较小,南、北端墙及底板的内力较大,是结构达到极限受力状态的控制性部位。下面重点分析车站北边跨和南边跨,其弯矩分布见图4。由于13号线东直门站南端墙与北端墙、南端底板与北端底板的结构尺寸及配筋相同,因此选取弯矩值较大的南端墙及南端底板,对其控制性部位按照《混凝土结构设计规范》(GBJ10-89)分别按裂缝控制、强度控制进行配筋计算(按纯弯构件考虑),并与实际配筋进行比较,结果见表1。从表1可以看出,南端墙底部按强度控制计算的需要配筋面积超出实际配筋面积2.4%,在5%以内,可以认为该部位达到了结构的极限受力状态。此时,13号线东直门站的变形就是结构自身的极限变形。变形最大的部位是车站南边跨,各控制点的变形值见表2。5沉降预测模型机场线东直门站的设计单位提供了B区基坑南、北侧围护结构的计算书。计算北侧围护结构时,将13号线东直门站结构作为一种特殊的土层,并通过虚拟钢支撑来模拟南侧桩体的土压力传到北侧桩体上的作用。进行沉降计算时,将13号线东直门站结构作为超载考虑,计算出13号线东直门站底板结构的沉降曲线为抛物线,最大沉降值为8.1mm,虽然最大沉降值未超出13号线车站极限变形值(见表2),但已非常接近,可认为是达到了临界状态。另外,机场线东直门站B区基坑属于非对称基坑,而设计单位在进行沉降预测计算时采用的“启明星”软件只适用于对称基坑,故在实际施工过程中的变形和沉降更具有不确定性。因此,评估结论为:机场线东直门站B区基坑围护结构不能保证13号线东直门站结构的安全。6非对称荷载基导土墙的改土根据评估结论,设计单位采取了如下技术措施:在13号线结构底板以下部分的基坑南北各增加3排预应力锚索的方式,同时缩小支撑的竖向间距;对机场线与13号线之间的松散状肥槽回填土以及13号线底板下的土体进行注浆加固改良,使得B区非对称荷载基坑钢支撑北侧有了稳定的支点,也有效地增加了地基体的刚度(见图5)。这些措施既有效地减小了围护桩的内力峰值,保证了基坑本身的安全,更有效地保证了既有结构的安全。7量规划7.1基坑及13号线结构支护监测为保证东直门站基坑的施工安全以及13号线结构与运营安全,对基坑及13号线结构进行了监控量测。监测项目主要包括:支护结构桩顶水平位移、支护结构桩体变形、支撑轴力、锚索拉力、既有13号线南端结构变形等。测点布置见图6。7.2车站结构动态变化B区基坑在施工过程中以及结束后,部分监测孔监测数据超过预警值,但超出幅度不大,且未超出控制值(预警值取控制值的0.7倍),大部分监测孔数据未超过预警值。下面重点分析一下13号线结构沉降与位移监测成果。从图7和表3可以看出,13号线车站结构从2006年8月左右开始呈上浮态势,此前一直变化平稳。在2006年11月底之后变化趋于平稳。上浮量最大达到5.2mm(CT1),下沉量最大达到-4.4mm(CT3),部分监测点数据超出预警值幅度不大。从图8和表4可以看出,城铁结构水平位移在2006年10月以前一直变化平稳。在2006年11月之后累计位移量缓慢增大,位移方向朝北,在2007年2月份之后累计位移量缓慢较小。累计位移最大达到22.9mm(Spct2)。分析其原因,认为:与本基坑施工对城铁肥槽注浆,注浆的程度影响到基坑支护结构的变形有关;另外,基坑开挖时间长,时空效应明显,温度的季节性变化对围护结构以及既有结构的变形产生了影响。该规律的揭示为施工安