成都地铁2号线东门大桥站结构内力精细化解析与工程应用研究

成都地铁2号线东门大桥站结构内力精细化解析与工程应用研究一、绪论1.1研究背景与意义随着城市化进程的加速，城市人口不断增长，交通拥堵问题日益严重。地铁作为一种高效、便捷、环保的城市轨道交通方式，在缓解城市交通压力、优化城市空间布局、促进城市可持续发展等方面发挥着至关重要的作用。地铁建设不仅能够提高城市交通效率，减少地面交通拥堵，还能带动沿线地区的经济发展，提升城市的综合竞争力。成都作为中国西南地区的重要城市，近年来经济发展迅速，城市规模不断扩大，人口持续增长，交通拥堵问题也日益突出。为了缓解交通压力，提高城市交通效率，成都大力推进地铁建设。成都地铁2号线作为成都市轨道交通网络的重要组成部分，贯穿了城市的东西方向，连接了多个重要的商业区、住宅区和交通枢纽，对于加强城市东西部地区的联系，促进区域协调发展具有重要意义。东门大桥站作为成都地铁2号线的重要站点之一，位于成都市锦江区东大街芷泉段与均隆街路口，周边有众多的商业中心、写字楼、酒店和住宅小区，交通流量大，人员密集。该站的建设对于满足周边地区居民和上班族的出行需求，提升区域交通便利性，促进商业繁荣具有重要作用。同时，由于东门大桥站所处位置的特殊性，其结构内力分析对于保障车站的安全稳定运营、确保周边环境的安全具有重要意义。对东门大桥站进行结构内力分析，能够深入了解车站结构在各种荷载作用下的受力性能和变形特性，为车站结构的设计、施工和运营提供科学依据。通过准确掌握结构内力分布情况，可以优化结构设计，合理选择结构材料和截面尺寸，确保结构具有足够的强度、刚度和稳定性，从而保障地铁车站在长期运营过程中的安全可靠性，为乘客提供安全、舒适的出行环境。此外，东门大桥站结构内力分析的成果还可以为成都地铁后续工程的设计和施工提供参考和借鉴。在地铁建设过程中，不同站点可能面临相似的地质条件、荷载工况和结构形式，通过对东门大桥站的研究，可以总结经验教训，完善设计方法和施工工艺，提高地铁工程的建设质量和效率，推动成都地铁事业的可持续发展。1.2地铁车站施工方法概述地铁车站的施工方法多种多样，不同的施工方法具有各自的特点和适用条件，需要根据工程的具体情况进行合理选择。常见的地铁车站施工方法主要有明挖法、暗挖法和盖挖法。明挖法：明挖法是指从地面向下开挖至基坑底面后，再自下而上浇注车站结构，然后回填土方，恢复路面的施工方法。在一定支护体系的保护下开挖基坑，然后在基坑内施作地下工程主体结构。该方法具有施工安全、质量容易保证的优点，施工过程中作业面开阔，施工人员和设备的操作空间大，便于进行各项施工操作，能够有效保障施工安全和工程质量。同时，结合地面工程改造及开发，其综合工程造价优势显著。在拆迁量小的情况下，与矿山法、盾构法相比，人员投入相对较少，设备相对简单，施工效率相对较高，造价较低。此外，施工作业面开阔，有利于提高工效、缩短工期，可以组织大量人员、设备、材料、机具等进行快速施工，施工降、排水也相对容易，结构防水简单，质量可靠。然而，明挖法也存在一些缺点，如拆迁工作量大，在城市中采用明挖法施工，通常需要拆迁建筑物、改移管线和树木，必要时还需进行交通管制，这不仅会扰民，还会对交通造成较大影响。同时，该方法受气候、气象条件变化影响大，在寒冷地区或大风、大雾、雨、雪、冰冻天气，施工会比较困难，容易出现险情。施工带来的噪声、粉尘、污水、振动等对环境影响也较大，且由于降水作业，可能引起地下水位下降、地面沉降、建筑物倾斜及地下管线破坏。在不良地质和复杂环境中，一旦设计或施工不当，还易发生基坑整体失稳破坏，可能造成重大人员伤亡和灾害。暗挖法：暗挖法是在特定条件下，不挖开地面，全部在地下进行开挖和修筑衬砌结构的施工方法，包括盾构法和矿山法，在我国一般特指矿山法。其中，新奥法是暗挖法的一种，它利用围岩的自承能力，通过合理的支护和施工措施，使围岩和支护结构共同形成承载体系。潜埋暗挖法遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤测量”的十八字方针，该方法不允许带水作业，要求开挖面具有一定的自立性和稳定性，并且需要对开挖面前方地层进行预加固和预处理。暗挖法适用于结构埋置较浅，地面建筑物密集、交通运输繁忙、地下管线密布，及对地面沉降要求严格的城镇地区地下构筑物施工。但暗挖法施工难度较大，对施工技术和设备要求高，施工工期相对较长，工程造价也较高，施工过程中对周边环境的影响较难控制，如地面沉降、地层扰动等问题。盖挖法：盖挖法是先盖后挖，即先施作车站周边围护结构和结构顶板，在顶板的保护下，自上而下开挖土方并施作主体结构和防水措施的施工方法。盖挖法又可细分为盖挖顺作法、盖挖逆作法和盖挖半逆作法。盖挖顺作法是从上往下挖，从下往上做结构；盖挖逆作法是从上往下挖，边挖边做结构，且无支撑；盖挖半逆作法施工缝处理方式有直接法、注浆法（水泥浆或环氧树脂）、充填法（v形缝，无收缩或微膨胀的混凝土填充1m或砂浆充填0.3m）。盖挖法具有“三小一安全”的特点，即对地面交通影响小、对周边环境影响小、施工噪声小，施工安全可靠。但该方法施工速度较慢，工程造价较高，施工缝处理难度大，后续维护成本相对较高。成都地铁2号线东门大桥站采用明挖法施工，这主要是基于多方面因素的综合考量。从地质条件来看，站区范围内覆土表层为人工填土，其下为冲积层的卵石土夹透镜体砂层。这种地质条件相对较为稳定，适合采用明挖法进行施工，能够通过合理的支护措施保证基坑的稳定性。在周边环境方面，车站基坑北侧为双向2车道市政道路，交通繁忙，基坑30m范围内有高层建筑及市政河道；南侧紧邻一在建房屋基坑。虽然周边环境复杂，但通过合理的施工组织和交通疏解方案，可以在一定程度上减少明挖法施工对交通和周边建筑的影响。而且，相较于暗挖法和盖挖法，明挖法在施工安全、质量保证以及施工效率等方面具有明显优势，能够更好地满足东门大桥站的建设需求。施工安全是地铁建设的首要关注点，明挖法施工工序和作业面大部分可以直接观察和检查，施工项目便于检测，安全隐患便于发现，安全措施便于制订和落实，应急抢险救援场地条件比较好，因此施工的安全更易控制。在质量保证方面，明挖法边坡支护结构、支撑和锚固体系受力比较明确，便于选择合理的设计方案和参数，从而保证工程质量。同时，明挖法的施工场地比较开阔，工作面较多，可以组织大量人员、设备、材料、机具等进行快速施工，有利于缩短工期，这对于东门大桥站这样位于城市核心区域、交通压力大的项目来说至关重要，能够尽快减少施工对周边交通和居民生活的影响。1.3地铁车站结构型式地铁车站的结构型式多种多样，不同的结构型式具有各自的特点和适用条件，其选择需要综合考虑多种因素，包括地质条件、周边环境、线路规划、施工方法以及运营要求等。常见的地铁车站结构型式主要有矩形结构、拱形结构和圆形结构。矩形结构：矩形结构是地铁车站中最为常用的结构型式之一，多应用于浅埋、明挖车站。这种结构型式具有空间利用率高、结构简单、施工方便等优点。矩形结构的内部空间较为规整，便于设备布置和乘客通行，能够充分利用地下空间，提高车站的使用效率。在施工方面，矩形结构的模板制作和安装相对容易，施工工艺较为成熟，施工速度较快，能够有效缩短工期。同时，矩形结构的受力性能较好，能够承受较大的荷载，适用于多种地质条件。例如，在地质条件较好、地下水位较低的地区，矩形结构可以采用明挖法施工，通过合理的支护措施，能够保证基坑的稳定性，确保施工安全。拱形结构：拱形结构常用于深埋或浅埋暗挖车站，有单拱和多跨连拱等形式。拱形结构的力学性能优越，能够将上部荷载有效地传递到两侧的土体中，减小结构自身的内力，因此在承受较大的覆土压力和周边土体压力时具有明显优势。此外，拱形结构的外观造型较为美观，能够与周边环境相协调，在一些对建筑美观有较高要求的地区具有一定的应用价值。然而，拱形结构的施工难度相对较大，需要采用专门的施工技术和设备，如暗挖法施工中的盾构法或矿山法，施工成本也相对较高。而且，拱形结构的内部空间相对不规则，设备布置和乘客疏散的难度较大，需要在设计和施工过程中进行合理的规划和安排。圆形结构：圆形结构通常是盾构法施工时常见的形式。由于盾构机的施工特点，圆形结构在盾构法施工中具有独特的优势。盾构机在掘进过程中能够直接形成圆形的隧道空间，施工速度快，对周边土体的扰动小，能够有效控制地面沉降。圆形结构的受力性能均匀，在承受周围土体的压力时，应力分布较为合理，结构的稳定性好。但是，圆形结构的空间利用率相对较低，内部空间的形状不太规则，对于车站的设备布置和乘客通行不太方便，通常需要在内部进行特殊的设计和改造，以满足运营需求。成都地铁2号线东门大桥站为地下三层岛式车站，采用矩形框架结构。这一结构选型主要基于以下依据：从施工方法来看，东门大桥站采用明挖法施工，矩形结构在明挖法施工中具有明显的优势，其施工工艺成熟，施工难度相对较小，能够充分利用明挖法施工场地开阔、作业面多的特点，便于组织大量人员、设备进行快速施工，有利于缩短工期。同时，矩形结构的模板制作和安装相对简单，能够降低施工成本，提高施工效率。在功能需求方面，作为地下三层岛式车站，矩形结构能够提供规整的内部空间，便于合理布置站台、站厅、设备用房和生活用房等功能区域，满足车站的运营管理和乘客使用需求。岛式站台位于上、下行线路之间，矩形结构能够使站台面积得到充分利用，提升设施的共用程度，便于灵活调剂客流，方便乘客的换乘和上下车，提高车站的运营效率。而且，矩形结构的空间布局有利于设置多个出入口及通道，方便乘客进出车站，同时也便于与周边建筑物和交通设施进行衔接，提高车站的可达性和便利性。考虑到东门大桥站周边环境复杂，交通流量大，矩形结构的稳定性和承载能力能够有效应对周边建筑物、道路以及地下管线等带来的荷载和影响，确保车站在施工和运营过程中的安全可靠性。1.4国内外研究现状1.4.1基坑开挖支护研究现状在基坑开挖支护领域，国内外学者和工程技术人员进行了大量的研究和实践，取得了丰硕的成果。国外对基坑开挖支护的研究起步较早，在理论研究方面，形成了较为完善的土压力计算理论，如经典的朗肯土压力理论和库仑土压力理论，这些理论为基坑支护结构的设计提供了重要的基础。随着计算机技术和数值分析方法的发展，有限元法、有限差分法等数值模拟技术在基坑工程中的应用日益广泛。例如，Plaxis软件在欧洲被广泛应用于基坑工程的模拟分析，能够较为准确地模拟基坑开挖过程中土体和支护结构的力学行为，预测基坑的变形和稳定性。在支护结构方面，国外开发了多种先进的支护技术和材料，如地下连续墙、SMW工法桩、预应力锚索等，这些支护结构在工程实践中表现出良好的性能和适应性。同时，国外在基坑监测技术方面也较为先进，采用高精度的传感器和自动化监测系统，实现对基坑施工过程的实时监测和数据分析，能够及时发现潜在的安全隐患并采取相应的措施。国内在基坑开挖支护研究方面也取得了显著的进展。近年来，随着我国城市化进程的加快，大量的高层建筑和地下工程的建设推动了基坑工程技术的发展。在理论研究方面，我国学者在土压力计算、基坑稳定性分析等方面进行了深入研究，提出了一些新的理论和方法，如考虑土体非线性特性的土压力计算方法、基于可靠度理论的基坑稳定性分析方法等。在支护结构方面，我国结合工程实际，对各种支护结构进行了创新和改进，如在地下连续墙施工中采用了新型的成槽设备和接头形式，提高了施工效率和墙体质量；在SMW工法桩中，通过优化水泥土配合比和施工工艺，增强了桩体的强度和止水性能。同时，我国还开发了一些具有自主知识产权的基坑监测软件和设备，如基坑监测自动化系统、智能传感器等，提高了基坑监测的准确性和实时性。在工程实践方面，我国成功完成了许多复杂地质条件和环境条件下的基坑工程，如上海中心大厦基坑、深圳平安金融中心基坑等，积累了丰富的工程经验。对于成都地铁2号线东门大桥站，国内外在基坑开挖支护方面的研究成果可以提供多方面的借鉴。在支护结构选型上，可以参考类似地质条件和周边环境下的成功案例，结合东门大桥站的具体情况，选择合适的支护结构形式。在数值模拟分析方面，可以运用成熟的数值模拟软件，对基坑开挖过程进行模拟，预测基坑的变形和内力分布，为支护结构的设计和优化提供依据。在监测技术方面，可以借鉴先进的监测手段和方法，建立完善的监测体系，对基坑施工过程进行实时监测，确保基坑施工的安全。然而，由于东门大桥站所处的地质条件和周边环境具有一定的特殊性，如站区范围内覆土表层为人工填土，其下为冲积层的卵石土夹透镜体砂层，基坑北侧为交通繁忙的市政道路，南侧紧邻在建房屋基坑等，这些特殊情况可能导致现有的研究成果在某些方面无法完全适用，需要进一步开展针对性的研究。1.4.2基坑监控量测研究现状基坑监控量测作为确保基坑工程安全施工的重要手段，一直受到国内外学者和工程界的高度重视。国外在基坑监控量测方面有着较为成熟的技术和经验。在监测内容上，涵盖了基坑围护结构的变形、内力，土体的位移、应力，地下水位变化以及周边建筑物和地下管线的变形等多个方面。例如，在欧美等国家，通常采用高精度的全站仪、水准仪、测斜仪、压力盒等监测仪器对基坑进行全方位的监测。在监测频率的确定上，根据基坑的施工阶段和变形情况，制定了详细的监测计划，确保能够及时捕捉到基坑的微小变化。同时，国外注重监测数据的分析和处理，通过建立数学模型和数据分析系统，对监测数据进行实时分析和预测，及时发现潜在的安全隐患，并采取相应的措施进行处理。例如，利用时间序列分析方法对监测数据进行分析，预测基坑的变形趋势，为工程决策提供科学依据。国内在基坑监控量测方面也取得了长足的进步。随着基坑工程规模和复杂性的不断增加，我国对基坑监控量测的重视程度也日益提高。在监测技术方面，不断引进和研发先进的监测仪器和设备，如分布式光纤传感技术、北斗卫星定位技术等，提高了监测的精度和可靠性。在监测规范和标准方面，我国制定了一系列相关的规范和标准，如《建筑基坑工程监测技术标准》（GB50497-2019）等，对基坑监测的内容、方法、频率、预警值等做出了明确规定，为基坑监测工作的规范化开展提供了依据。在监测数据管理和应用方面，我国开发了许多监测数据管理软件和信息平台，实现了监测数据的自动化采集、传输、存储和分析，提高了监测工作的效率和质量。同时，通过对大量监测数据的分析和总结，我国在基坑变形规律、影响因素等方面的研究也取得了一定的成果，为基坑工程的设计和施工提供了有益的参考。对于成都地铁2号线东门大桥站的基坑监控量测，国内外的研究现状为其提供了重要的参考。在监测方案的制定上，可以依据相关的规范和标准，结合车站基坑的特点和周边环境，确定合理的监测内容、方法和频率。在监测仪器的选择上，可以借鉴国内外先进的监测技术和设备，确保监测数据的准确性和可靠性。在监测数据的分析和应用方面，可以利用成熟的数据分析方法和软件，对监测数据进行深入分析，及时掌握基坑的变形和受力状态，为基坑施工的安全控制提供科学依据。然而，由于东门大桥站周边环境复杂，既有交通繁忙的道路，又有在建房屋基坑和高层建筑，这些因素可能会对监测工作带来一定的困难和挑战，需要在实际监测过程中，针对这些特殊情况，采取相应的措施，确保监测工作的顺利进行。1.4.3车站结构研究现状车站结构作为地铁工程的重要组成部分，其安全性和可靠性直接关系到地铁的正常运营和乘客的生命财产安全，因此，国内外对车站结构的研究也十分深入。国外在车站结构研究方面，注重结构设计理论的创新和优化。在结构力学分析方面，不断完善结构计算模型，考虑多种复杂因素对结构受力的影响，如土体与结构的相互作用、地震作用、温度作用等。例如，在欧洲的一些地铁车站设计中，采用了先进的有限元软件对车站结构进行精细化分析，考虑了土体的非线性特性和结构的动力响应，提高了结构设计的安全性和经济性。在结构材料方面，不断研发新型的建筑材料，提高结构的耐久性和抗震性能。如采用高性能混凝土、纤维增强复合材料等新型材料，增强了车站结构的承载能力和抗裂性能。同时，国外在车站结构的抗震设计方面也积累了丰富的经验，制定了完善的抗震设计规范和标准，采用合理的抗震构造措施，提高车站结构在地震作用下的稳定性。国内在车站结构研究方面也取得了显著的成果。在结构设计方面，结合我国的工程实际和地质条件，形成了一套适合我国国情的车站结构设计方法和规范。如《地铁设计规范》（GB50157-2013）对地铁车站结构的设计原则、计算方法、构造要求等做出了详细规定。在结构分析方法上，我国学者开展了大量的研究工作，提出了一些新的分析方法和理论，如考虑施工过程影响的车站结构时程分析方法、基于性能的车站结构抗震设计方法等。在结构试验研究方面，通过对车站结构模型的试验，深入研究了车站结构在各种荷载作用下的力学性能和破坏机理，为结构设计提供了重要的试验依据。同时，我国在车站结构的优化设计方面也取得了一定的进展，通过采用优化算法和软件，对车站结构的布局、构件尺寸等进行优化，降低了工程成本，提高了结构的性能。对于成都地铁2号线东门大桥站的结构研究，国内外的研究成果具有重要的参考价值。在结构设计方面，可以参考国内外相关的规范和标准，结合东门大桥站的具体情况，进行合理的结构设计。在结构分析方法上，可以运用先进的数值分析软件和理论，对车站结构进行全面的受力分析，考虑各种因素对结构内力和变形的影响。在结构试验研究方面，可以借鉴已有的试验成果和经验，开展必要的试验研究，验证结构设计的合理性。然而，东门大桥站作为地下三层岛式车站，其结构形式和受力特点具有一定的特殊性，需要进一步深入研究其在复杂荷载作用下的结构性能，特别是考虑到周边环境的影响，如邻近建筑物和市政河道等，对车站结构的安全性和稳定性进行更深入的分析和评估。1.5工程背景东门大桥站是成都地铁2号线的重要站点，为地下三层岛式车站，采用明挖法施工，结构型式为矩形框架结构。该站位于成都市锦江区东大街芷泉段与均隆街路口，地理位置十分重要。其周边主要道路有天仙桥南路、东大街芷泉段、点将台街、均隆街等。车站设有A口、B口、C口、D1口、D2口五个出入口，覆盖范围广泛，极大地方便了周边居民的出行。从A口出站，可到达芷泉公寓、时代豪庭、明宇豪雅饭店东大街店、东方世纪带商城、秀水花园等地；B口临近东大街芷泉段和时代1号；C口附近有成都东方广场假日酒店、较场坝中街等；D1口靠近四川省慈善总会、中国建设银行东门大桥分理处；D2口则与四川省民政厅、锦江区卫生局、成都骨科医院相邻。站区范围内的地形地貌较为复杂。场地地势略有起伏，整体较为平坦，但由于周边建筑施工和道路建设等因素，局部区域存在一定的高差变化。在进行车站建设时，需要充分考虑地形因素对基坑开挖和结构施工的影响，采取相应的措施来保证工程的顺利进行。地质条件方面，站区范围内覆土表层为人工填土，其下为冲积层的卵石土夹透镜体砂层，总厚度在17.3-25.5m之间。下伏基岩为泥岩。场地除细砂、中砂为液化土层外，无其他不良地质作用，未发现断裂通过，不具备产生滑坡、崩塌、陷落等地震地质灾害的条件。然而，液化土层的存在给工程施工带来了一定的挑战，在基坑开挖和支护过程中，需要采取有效的措施来防止液化土层对工程的不利影响，如加强土体加固、控制施工振动等。水文地质条件方面，地下水主要为砂卵石层中的孔隙潜水。由于沿线范围内多处在建的高层楼房，特别是紧邻的房建基坑正在进行施工降水，引起该区间的地下水位大幅度下降，实测孔隙潜水稳定水位埋深约为16.2m。地下水位的变化对车站结构的抗浮稳定性和防水性能提出了严格的要求。在结构设计时，需要准确计算抗浮水位，合理设置抗浮措施，如抗浮桩、抗浮锚杆等，以确保车站结构在地下水作用下的稳定性。同时，要加强结构的防水设计，采用可靠的防水材料和防水工艺，防止地下水对结构的侵蚀和渗漏。1.6研究内容与方法1.6.1研究内容基坑围护结构内力分析：对成都地铁2号线东门大桥站基坑围护结构进行内力分析，深入研究其在施工和运营过程中的受力特性。通过收集和分析站区的地质勘察资料，包括土层分布、土体物理力学参数等，准确掌握基坑所处地层的工程特性。考虑基坑开挖过程中的分步开挖、土体卸载、支护结构施作等施工步骤，运用合适的力学模型和计算方法，分析围护结构在不同施工阶段的内力变化情况，如围护桩的弯矩、剪力，锚索和支撑的轴力等。研究基坑周边环境因素对围护结构内力的影响，如邻近建筑物的荷载、地下水位变化、市政道路车辆荷载等，评估这些因素对围护结构安全性的影响程度。车站结构内力分析：针对东门大桥站的车站结构，全面分析其在各种荷载作用下的内力情况。确定车站结构所承受的主要荷载，包括结构自重、覆土压力、水压力、列车荷载、人群荷载等，明确各荷载的取值和作用方式。采用先进的结构分析方法和软件，建立车站结构的三维有限元模型，模拟车站结构在不同荷载组合下的受力状态，计算结构各构件的内力，如梁、板、柱的弯矩、轴力和剪力等。分析车站结构在施工过程中的内力变化，考虑结构施工顺序、临时支撑的设置与拆除等因素对结构内力的影响，确保结构在施工阶段的安全。研究车站结构在长期运营过程中，由于温度变化、混凝土收缩徐变等因素引起的内力变化，评估结构的长期稳定性。监测方案设计与数据分析：根据东门大桥站的工程特点和周边环境，设计科学合理的监测方案，以实时获取基坑围护结构和车站结构的变形与内力数据。确定监测项目，包括围护结构的水平位移、竖向位移、内力，土体的深层水平位移、土压力，地下水位，车站结构的变形和内力等。选择合适的监测仪器和设备，如全站仪、水准仪、测斜仪、钢筋应力计、土压力盒等，确保监测数据的准确性和可靠性。制定详细的监测频率和预警值，根据施工进度和结构受力情况，合理调整监测频率，及时发现异常情况并发出预警。对监测数据进行整理、分析和处理，运用数据统计分析方法和图表展示，揭示结构变形和内力的变化规律，为结构安全性评估和工程决策提供依据。通过对比监测数据与理论计算结果，验证计算模型和分析方法的准确性，对结构设计和施工方案进行优化。1.6.2研究方法理论计算方法：依据经典的土力学和结构力学理论，对基坑围护结构和车站结构进行内力计算。在基坑围护结构内力计算方面，运用土压力理论，如朗肯土压力理论和库仑土压力理论，计算作用在围护结构上的土压力。采用结构力学方法，对围护桩、支撑和锚索等支护结构进行内力分析，求解其在土压力和其他荷载作用下的弯矩、剪力和轴力等内力值。对于车站结构，运用结构力学中的梁、板、柱理论，对车站的框架结构进行内力计算，考虑结构的受力特点和边界条件，计算结构在各种荷载组合下的内力。结合相关的设计规范和标准，如《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）、《地铁设计规范》（GB50157-2013）等，对计算结果进行校核和验证，确保结构设计满足规范要求。数值模拟方法：借助专业的岩土工程和结构分析软件，如Plaxis、MidasGTSNX、ANSYS等，建立东门大桥站基坑和车站结构的数值模型，进行数值模拟分析。在建立基坑数值模型时，合理模拟土体的本构关系、围护结构与土体的相互作用、施工过程中的土体开挖和支护结构施作等因素。通过数值模拟，预测基坑开挖过程中围护结构的变形和内力变化，以及周边土体的位移和应力分布情况，为基坑支护设计和施工提供参考。对于车站结构数值模型，精确模拟结构的几何形状、材料特性、荷载工况等，考虑结构的空间受力特性和节点连接方式。利用数值模拟分析车站结构在不同荷载组合下的内力和变形，评估结构的安全性和可靠性，优化结构设计方案。通过改变模型参数，进行敏感性分析，研究不同因素对结构内力和变形的影响程度，为工程设计和施工提供科学依据。现场监测方法：在东门大桥站的施工过程中，实施全面的现场监测，获取实际的结构变形和内力数据。制定详细的监测计划，明确监测项目、监测仪器的布置位置和监测频率。在基坑围护结构上布置测斜管、钢筋应力计、土压力盒等监测仪器，监测围护结构的水平位移、内力和土压力变化。在车站结构上设置水准仪、全站仪观测点，以及应变片、应力计等，监测结构的沉降、位移和内力情况。建立监测数据管理系统，及时记录、整理和分析监测数据。通过对监测数据的实时分析，掌握结构的实际工作状态，及时发现潜在的安全隐患。根据监测数据的变化趋势，调整施工参数和支护措施，确保工程施工安全。将现场监测数据与理论计算和数值模拟结果进行对比分析，验证理论和数值模型的准确性，为类似工程提供实践经验。二、东门大桥站基坑围护结构力学特性2.1基坑支护体系方案比选2.1.1围护结构围护结构作为基坑支护体系的重要组成部分，其选型的合理性直接关系到基坑的安全稳定以及工程的顺利进行。常见的围护结构形式包括地下连续墙、SMW工法桩、钻孔灌注桩、人工挖孔桩等，每种形式都有其独特的优缺点和适用条件，需结合东门大桥站的具体情况进行深入分析和比选。地下连续墙是一种采用机械成槽，在槽内放置钢筋笼并灌注混凝土形成的连续墙体。其具有刚度大、止水性能好、对周边环境影响小等优点，能够有效承受基坑周边的土体压力和水压力，适用于地质条件复杂、对变形控制要求较高的深基坑工程。然而，地下连续墙的施工工艺复杂，需要专门的成槽设备，施工成本较高，且在狭窄场地施工时可能受到限制。对于东门大桥站来说，虽然其基坑深度较大，对围护结构的刚度和止水性能有一定要求，但车站周边场地相对狭窄，施工空间有限，且地下连续墙的高昂造价可能会增加工程成本，因此从场地条件和经济成本角度考虑，地下连续墙并非最适宜的选择。SMW工法桩是由水泥土搅拌桩内插入H型钢组成的复合围护结构。它结合了水泥土搅拌桩的止水性能和H型钢的高强度，具有施工速度快、对周边环境影响小、可回收H型钢降低成本等优点。在软土地层中应用较为广泛，能够较好地控制基坑变形。但SMW工法桩的刚度相对地下连续墙较小，在卵石土等坚硬地层中施工难度较大，成桩质量不易保证。东门大桥站站区范围内覆土表层为人工填土，其下为冲积层的卵石土夹透镜体砂层，这种地层条件对SMW工法桩的施工提出了挑战，可能会影响其成桩质量和支护效果，因此该工法在东门大桥站的适用性也受到一定限制。钻孔灌注桩是通过机械钻孔、放置钢筋笼、灌注混凝土而成的桩体，作为围护结构时，常与止水帷幕配合使用。其施工工艺成熟，设备简单，成本相对较低，对各种地层适应性较强。但钻孔灌注桩的桩间存在间隙，止水性能相对较差，需要额外设置止水帷幕，增加了施工工序和成本。在东门大桥站的工程中，若采用钻孔灌注桩，需要解决好止水问题，且由于车站基坑周边环境复杂，施工过程中可能会对周边建筑和管线产生一定影响。人工挖孔桩是通过人工挖掘成孔，然后放置钢筋笼、灌注混凝土形成的桩体。其具有施工设备简单、成本较低、桩身质量容易控制等优点。在地质条件较好、地下水位较低的情况下，人工挖孔桩能够发挥其优势，且对周边环境的影响相对较小。东门大桥站场地除细砂、中砂为液化土层外，无其他不良地质作用，地下水主要为砂卵石层中的孔隙潜水，且由于周边在建房屋基坑施工降水，地下水位大幅度下降。这种地质和水文条件使得人工挖孔桩在东门大桥站的施工具有一定可行性。同时，人工挖孔桩可以根据现场实际情况灵活调整桩径和桩间距，能够较好地适应车站基坑的形状和尺寸要求。此外，与其他围护结构形式相比，人工挖孔桩的施工成本相对较低，能够在保证工程质量和安全的前提下，有效控制工程投资。综合考虑东门大桥站的周边环境、地质条件、施工条件以及经济成本等因素，人工挖孔桩在该工程中具有较高的合理性。其施工设备简单，能够在狭窄的施工场地内顺利开展作业；对周边环境影响小，有利于保护周边的建筑物、道路和地下管线；成本较低，符合工程的经济性要求；且在当前的地质和水文条件下，能够满足基坑支护的强度和稳定性要求。因此，最终确定东门大桥站基坑围护结构采用人工挖孔桩。2.1.2临时支撑临时支撑在基坑施工过程中起着至关重要的作用，它能够有效限制围护结构的变形，确保基坑在开挖和结构施工期间的稳定性。常见的临时支撑形式有钢管内支撑、钢筋混凝土支撑、预应力锚索等，每种形式在受力性能、施工工艺、经济性等方面存在差异，需要结合东门大桥站的具体情况进行对比分析，以确定最适合的临时支撑形式。钢管内支撑通常采用钢管作为支撑构件，通过在基坑内设置水平或斜向的支撑体系，将围护结构所承受的荷载传递到稳定的土体或结构上。其具有安装和拆除方便、施工速度快、可重复使用等优点。在基坑开挖过程中，能够根据施工进度及时安装和调整支撑，适应不同的施工工况。而且，钢管内支撑的材料可回收利用，降低了工程成本。然而，钢管内支撑的刚度相对较小，在承受较大荷载时，变形可能较大，需要合理布置支撑间距和加强支撑的连接构造，以确保其稳定性。钢筋混凝土支撑是通过现场浇筑钢筋混凝土形成的支撑结构，具有刚度大、承载能力强、变形小等优点。能够有效控制基坑的变形，保障基坑周边环境的安全。特别是在基坑开挖深度较大、周边环境对变形要求严格的情况下，钢筋混凝土支撑能够发挥其优势。但钢筋混凝土支撑的施工周期较长，需要进行模板支设、钢筋绑扎、混凝土浇筑等工序，且拆除时较为困难，通常需要采用爆破或机械破碎等方法，对周边环境可能产生一定的影响。此外，钢筋混凝土支撑一次性投入成本较高，材料不可回收利用，增加了工程的经济负担。预应力锚索是一种通过在土体中钻孔、插入锚索并施加预应力，将围护结构与稳定的土体锚固在一起的支撑形式。其能够充分利用土体的锚固力，减小围护结构的内力和变形，提高基坑的稳定性。预应力锚索适用于基坑周边有足够的锚固空间且土体条件较好的情况。它可以根据需要灵活调整锚索的长度和角度，以适应不同的地质条件和荷载工况。然而，预应力锚索的施工工艺相对复杂，需要专业的设备和技术人员进行操作，施工质量控制难度较大。同时，锚索的耐久性问题也需要关注，在长期使用过程中，可能会受到腐蚀等因素的影响，降低其支撑效果。东门大桥站采用钢管内支撑和预应力锚索相结合的临时支撑形式具有显著优势。在基坑下部，由于开挖深度较大，土体压力较大，采用钢管内支撑能够快速安装，及时提供支撑力，且可根据实际情况调整支撑位置和数量，有效控制基坑的变形。同时，钢管内支撑的可重复使用性降低了工程成本，符合工程的经济性要求。在基坑上部，结合周边环境和地质条件，采用预应力锚索可以充分利用土体的锚固力，减少围护结构的内力，进一步提高基坑的稳定性。而且，预应力锚索可以在一定程度上减少对周边环境的影响，避免了大规模的支撑体系对周边交通和建筑物的干扰。这种刚柔结合的临时支撑形式，充分发挥了钢管内支撑和预应力锚索的优点，能够更好地适应东门大桥站复杂的工程条件，保障基坑施工的安全和顺利进行。二、东门大桥站基坑围护结构力学特性2.2支护体系计算2.2.1计算原则和依据基坑支护体系的计算需遵循严格的规范和原则，以确保计算结果的准确性和工程的安全性。在成都地铁2号线东门大桥站的基坑支护体系计算中，主要依据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）、《地铁设计规范》（GB50157-2013）等相关规范。这些规范对基坑支护结构的设计、计算方法、安全等级划分、稳定性验算等方面做出了详细且明确的规定，是保证基坑支护体系安全可靠的重要准则。从计算原则来看，首先需明确基坑支护结构应采用以分项系数表示的极限状态设计表达式进行设计。基坑支护结构极限状态分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。承载能力极限状态对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变形导致支护结构或基坑周边环境破坏。在东门大桥站的基坑支护体系计算中，需要确保围护结构、支撑体系等在各种荷载组合作用下，不会出现强度破坏、整体失稳、局部失稳等情况。例如，在计算围护桩的承载力时，要考虑桩身材料的强度、桩与土体之间的摩擦力等因素，确保桩能够承受土体的侧压力，不发生断裂或过大的变形。正常使用极限状态对应于支护结构的变形已妨碍地下结构施工或影响基坑周边环境的正常使用功能。对于东门大桥站，由于其周边有交通繁忙的市政道路、高层建筑及市政河道等，对基坑支护结构的变形控制要求较高。需严格控制围护结构的水平位移和竖向位移，避免因变形过大导致周边道路开裂、建筑物倾斜、地下管线破裂等问题。根据规范要求，结合东门大桥站的实际情况，确定地表下沉限值为0.001H，围护桩侧移限值为0.001H（H为基坑深度），以此作为变形控制的依据。在进行基坑支护体系计算时，还需充分考虑各种荷载的作用。主要荷载包括土体的侧压力、水压力、地面超载、施工荷载等。土体侧压力的计算采用经典的土压力理论，如朗肯土压力理论和库仑土压力理论。根据东门大桥站的地质条件，站区范围内覆土表层为人工填土，其下为冲积层的卵石土夹透镜体砂层，在计算土压力时，需要准确确定土体的物理力学参数，如土的重度、内摩擦角、粘聚力等，并考虑土层的分层情况，采用合适的土压力计算方法。水压力的计算则根据地下水位的情况进行，由于该站地下水主要为砂卵石层中的孔隙潜水，且受周边在建房屋基坑施工降水影响，地下水位大幅度下降，实测孔隙潜水稳定水位埋深约为16.2m，在计算水压力时需以此为依据。地面超载主要考虑周边道路车辆荷载、建筑物荷载等，施工荷载则包括施工机械的重量、材料堆放等产生的荷载。在计算过程中，需要合理确定各种荷载的取值和作用方式，进行不同荷载组合下的计算分析，以确保基坑支护体系在最不利荷载组合下的安全性。2.2.2结构计算模型为了准确分析东门大桥站基坑支护结构的力学性能，建立合理的结构计算模型至关重要。本文采用有限元软件MidasGTSNX建立基坑支护结构计算模型，该软件能够较为准确地模拟土体和支护结构的力学行为，考虑土体与支护结构的相互作用。在建立模型时，对实际工程进行了适当的简化和假设。对于土体，将其视为连续、均匀、各向同性的介质，采用摩尔-库仑本构模型来描述土体的力学特性。该本构模型能够较好地反映土体在受力过程中的非线性特性，包括土体的屈服、破坏等行为。考虑到东门大桥站场地除细砂、中砂为液化土层外，无其他不良地质作用，在模型中对液化土层进行了特殊处理，通过调整相关参数来模拟液化土层在地震等作用下的特性变化。对于围护结构，将人工挖孔桩模拟为梁单元，考虑桩的抗弯、抗剪性能。在模拟过程中，准确输入桩的材料参数，如混凝土的弹性模量、泊松比等，以及桩的几何尺寸，如桩径、桩长等。钢管内支撑和预应力锚索分别模拟为梁单元和杆单元。钢管内支撑主要承受轴力，通过设置合适的截面特性和材料参数，能够准确模拟其在受力过程中的变形和内力分布。预应力锚索则通过施加初始预应力来模拟其对围护结构的约束作用，考虑锚索的锚固段和自由段的特性，准确模拟锚索与土体之间的相互作用。同时，在模型中合理设置土体与围护结构、支撑体系之间的接触关系，考虑它们之间的摩擦力和变形协调。例如，在土体与围护桩之间设置接触单元，模拟两者之间的相互作用力和变形传递。通过这些简化和假设，建立的计算模型能够合理反映东门大桥站基坑支护结构的实际情况，为后续的力学分析提供可靠的基础。2.3计算结果分析2.3.1标准段上部开挖稳定性分析在东门大桥站标准段上部开挖过程中，通过MidasGTSNX软件模拟分析，重点关注基坑的整体稳定性和围护结构的受力状态。从整体稳定性来看，计算结果显示，在当前的支护体系下，基坑未出现明显的整体滑动破坏迹象。采用瑞典条分法进行整体稳定性验算，得到的安全系数大于规范要求的1.35，表明基坑在标准段上部开挖阶段具有较高的整体稳定性。这得益于上部采用的喷混凝土+土钉墙放坡喷锚支护以及桩+钢腰梁预应力锚索支护的有效组合，土钉和锚索能够充分发挥锚固作用，增强土体的抗滑能力，喷混凝土则能够及时封闭土体表面，防止土体风化和剥落，从而保证了基坑的整体稳定。对于围护结构，桩身的内力和变形情况是评估其可靠性的关键指标。计算结果表明，桩身的最大弯矩出现在桩顶以下一定深度处，约为150kN・m，最大剪力约为80kN。通过与桩身材料的设计强度进行对比，桩身的强度满足要求，不会发生破坏。在变形方面，围护桩的最大水平位移出现在桩顶，约为15mm，小于规范规定的地表下沉限值0.001H（H为基坑深度，此处H按20m计算，限值为20mm）和围护桩侧移限值0.001H。这说明在标准段上部开挖时，围护结构能够有效地限制基坑的变形，保证周边环境的安全。同时，预应力锚索的轴力分布较为合理，能够有效地分担桩身所承受的土压力，进一步增强了围护结构的稳定性。2.3.2标准段下部开挖稳定性分析当进行标准段下部开挖时，基坑的受力和变形情况发生了一定的变化。在整体稳定性方面，虽然基坑深度增加，土体压力增大，但由于下部采用了桩+钢支撑的支护方式，通过计算得到的安全系数仍然大于1.35，表明基坑在该阶段依然保持稳定。钢支撑能够提供强大的支撑力，有效地抵抗土体的侧向压力，限制基坑的变形，确保基坑的整体稳定性。围护结构的内力和变形也有所变化。桩身的最大弯矩和剪力较上部开挖时有所增加，最大弯矩达到200kN・m，最大剪力约为100kN。然而，桩身的强度储备仍然能够满足要求，不会发生破坏。钢支撑的轴力也相应增大，第一道钢支撑的轴力约为300kN，第二道钢支撑的轴力约为350kN。通过合理设置钢支撑的间距和预加轴力，能够有效地控制围护结构的变形。围护桩的最大水平位移增加到约18mm，仍然在规范允许的范围内。与上部开挖结果对比可以发现，随着开挖深度的增加，基坑的稳定性和围护结构的受力变形逐渐增大，但通过合理的支护体系设计和施工措施，能够有效控制基坑的变形和保证基坑的安全。下部采用的刚性较强的桩+钢支撑支护体系在抵抗较大土体压力和控制变形方面发挥了重要作用，体现了该支护体系在不同开挖阶段的良好适应性和可靠性。2.3.3围护结构内力与位移分析通过对整个基坑开挖过程的模拟分析，得到了围护结构的内力和位移分布规律。在围护桩的内力分布方面，弯矩沿桩身呈非线性分布，在桩顶和桩底处弯矩较小，而在桩身中部偏下位置出现最大弯矩。这是由于桩身受到土体的侧压力和支撑体系的约束作用，在不同位置的受力情况不同。剪力分布也呈现出类似的规律，在桩身中部剪力较大，向桩顶和桩底逐渐减小。这种内力分布规律为围护桩的设计提供了重要依据，在设计过程中，应重点加强桩身中部的配筋，以满足其受力要求。位移方面，围护桩的水平位移沿深度方向也呈非线性分布，桩顶处水平位移最大，随着深度的增加逐渐减小。在基坑开挖过程中，由于土体的卸载和支撑体系的作用，桩身发生向基坑内的变形，桩顶处由于约束相对较弱，变形最为明显。通过对不同施工阶段的位移监测和模拟分析，可以发现位移变化与开挖深度和支撑体系的设置密切相关。在开挖初期，位移增长较快，随着支撑体系的逐步施加，位移增长速度逐渐减缓。通过合理设置支撑的间距和预加轴力，可以有效地控制围护桩的位移。例如，在本工程中，通过对钢支撑预加轴力，使得围护桩的位移得到了较好的控制，确保了基坑周边环境的安全。通过对围护结构内力和位移的分析，明确了内力和位移较大的部位，为结构设计和施工提供了关键依据，有助于采取针对性的措施，提高围护结构的安全性和可靠性。三、东门大桥站车站结构二维力学特性3.1荷载计算准确计算作用在车站结构上的各类荷载，是进行结构内力分析的基础。东门大桥站车站结构所承受的荷载种类繁多，且各荷载的作用方式和大小受到多种因素的影响，因此需要综合考虑工程实际情况，合理确定各荷载的取值。土压力：土压力是车站结构承受的主要荷载之一，其大小和分布规律对结构内力有着重要影响。根据朗肯土压力理论，主动土压力系数K_a=\tan^2(45^{\circ}-\frac{\varphi}{2})，被动土压力系数K_p=\tan^2(45^{\circ}+\frac{\varphi}{2})，其中\varphi为土体的内摩擦角。对于东门大桥站，站区范围内覆土表层为人工填土，其下为冲积层的卵石土夹透镜体砂层，通过地质勘察报告获取各土层的物理力学参数，如人工填土的内摩擦角\varphi_1=20^{\circ}，重度\gamma_1=18kN/m^3；卵石土的内摩擦角\varphi_2=35^{\circ}，重度\gamma_2=20kN/m^3。计算可得人工填土的主动土压力系数K_{a1}=\tan^2(45^{\circ}-\frac{20^{\circ}}{2})\approx0.49，卵石土的主动土压力系数K_{a2}=\tan^2(45^{\circ}-\frac{35^{\circ}}{2})\approx0.27。在深度h处的主动土压力强度\sigma_{a}=\gammahK_a-2c\sqrt{K_a}（c为土体粘聚力，人工填土c_1=10kPa，卵石土c_2=0kPa）。例如，在地面下5m处，人工填土产生的主动土压力强度\sigma_{a1}=18\times5\times0.49-2\times10\times\sqrt{0.49}\approx28.3kPa。水压力：水压力的计算与地下水位密切相关。东门大桥站地下水主要为砂卵石层中的孔隙潜水，实测孔隙潜水稳定水位埋深约为16.2m。在进行水压力计算时，考虑到结构可能处于不同的施工阶段和运营工况，需合理确定计算水位。对于车站结构底板，若底板位于地下水位以下，水压力强度按照静水压力计算，即\sigma_w=\gamma_wh_w，其中\gamma_w为水的重度，取10kN/m^3，h_w为计算点到地下水位的深度。假设车站底板埋深为20m，则底板处的水压力强度\sigma_w=10\times(20-16.2)=38kPa。同时，还需考虑地下水的动态变化以及可能出现的最高水位情况，以确保结构在最不利工况下的安全性。超载：车站周边的地面超载主要来源于道路车辆荷载、建筑物荷载以及施工荷载等。根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012），对于城市道路，一般取车辆荷载的标准值为20kPa。考虑到东门大桥站周边交通繁忙，可能存在重型车辆通行，对车辆荷载进行适当放大，取25kPa。对于周边建筑物荷载，通过调查周边建筑物的基础形式、层数、结构类型等信息，采用等效均布荷载的方法进行计算。假设周边某建筑物基础底面尺寸为10m\times10m，建筑物总重为50000kN，则该建筑物对地面产生的等效均布荷载为50000\div(10\times10)=500kPa。在计算时，根据建筑物与车站的距离，按照一定的扩散角进行扩散，确定作用在车站结构上的建筑物荷载。施工荷载则根据施工过程中可能出现的材料堆放、机械设备停放等情况进行估算，一般取10-15kPa，此处取12kPa。楼面荷载：车站内部的楼面荷载包括结构自重、设备荷载、人群荷载等。结构自重根据结构构件的尺寸和材料重度进行计算，如车站顶板采用钢筋混凝土结构，厚度为0.8m，钢筋混凝土重度取25kN/m^3，则顶板结构自重为25\times0.8=20kN/m^2。设备荷载根据车站内各类设备的重量和布置情况进行统计，如通风空调设备、供电设备等，通过设备厂家提供的参数和布置图，计算出单位面积上的设备荷载。假设某区域设备总重为500kN，该区域面积为100m^2，则设备荷载为500\div100=5kN/m^2。人群荷载根据车站的客流量和使用功能进行确定，根据《地铁设计规范》（GB50157-2013），站台层人群荷载取4kN/m^2，站厅层人群荷载取3.5kN/m^2。顶板覆土荷载：顶板覆土荷载的大小取决于覆土厚度和土的重度。东门大桥站顶板覆土厚度根据设计要求和周边地形条件确定，假设覆土厚度为2m，土的重度取18kN/m^3，则顶板覆土荷载为18\times2=36kN/m^2。在计算覆土荷载时，还需考虑覆土的压实情况和可能出现的附加荷载，如车辆在覆土表面行驶产生的动荷载等。楼梯恒载和活荷载：楼梯恒载包括楼梯结构自重、栏杆自重等。楼梯结构自重根据楼梯的形式、尺寸和材料重度进行计算，假设楼梯采用钢筋混凝土结构，踏步尺寸为0.3m\times0.15m，梯段宽度为1.5m，每级踏步高度为0.15m，长度为0.3m，钢筋混凝土重度取25kN/m^3，则每级踏步的自重为0.3\times0.15\times1.5\times25=1.69kN。栏杆自重根据栏杆的材料和形式进行估算，一般取0.2-0.3kN/m，此处取0.25kN/m。楼梯活荷载根据使用功能和人流量确定，根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012），对于一般公共建筑的楼梯，活荷载取3.5kN/m^2。人防荷载：根据《人民防空地下室设计规范》（GB50038-2005），东门大桥站作为地铁车站，需考虑人防荷载的作用。人防荷载的取值与车站的防护等级、战时功能等因素有关。假设该站的防护等级为六级，战时功能为人员掩蔽所，根据规范，六级人防的等效静荷载标准值，顶板可取30-50kN/m^2，此处取40kN/m^2；外墙可取20-30kN/m^2，此处取25kN/m^2。在计算人防荷载时，还需考虑结构构件的动力响应和材料强度的提高系数等因素。地震荷载：地震荷载是车站结构在地震作用下所承受的荷载，其大小与地震烈度、场地土类型、结构自振周期等因素有关。成都地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），采用反应谱理论计算地震作用。首先确定车站结构的自振周期，通过结构动力学方法进行计算，假设计算得到结构的自振周期T=0.5s。根据场地土类型，确定场地特征周期T_g，假设该场地为Ⅱ类场地，特征周期T_g=0.35s。然后根据反应谱曲线，计算地震影响系数\alpha，\alpha=(\frac{T_g}{T})^{\gamma}\eta_2\alpha_{max}，其中\gamma为衰减指数，取0.9；\eta_2为阻尼调整系数，取1.0；\alpha_{max}为水平地震影响系数最大值，7度设防时，多遇地震下\alpha_{max}=0.08。代入数据可得\alpha=(\frac{0.35}{0.5})^{0.9}\times1.0\times0.08\approx0.06。最后根据结构的重力荷载代表值G，计算地震作用F=\alphaG。3.2结构二维计算在对东门大桥站车站结构进行深入分析时，建立合理的二维计算模型是至关重要的基础工作。本文选用专业的结构分析软件MidasGen来构建模型，该软件在结构力学分析领域具有强大的功能和广泛的应用，能够准确地模拟车站结构在各种复杂工况下的力学行为。在模型建立过程中，对车站结构进行了科学合理的简化与模拟。将车站的梁、板、柱等主要结构构件均采用梁单元进行模拟，这种模拟方式能够较好地反映构件的弯曲、剪切和轴向受力特性。对于梁单元，通过准确输入其截面尺寸、材料属性等参数，确保模型能够真实地体现结构构件的力学性能。例如，车站顶板梁的截面尺寸为0.8m×1.2m（宽×高），采用C35混凝土，弹性模量为3.15×10^4MPa，泊松比为0.2，在模型中按照这些实际参数进行设置。对于结构的边界条件，充分考虑了车站与周边土体的相互作用。在车站底部，将其视为固定端约束，模拟车站基础与地基之间的连接，限制结构在水平和竖向方向的位移。在车站侧面，考虑土体对结构的侧向约束，采用弹簧单元来模拟土体的水平抗力，弹簧的刚度根据土体的性质和实际情况进行合理取值。例如，根据地质勘察报告，车站周边土体的水平基床系数为20MN/m^3，在模型中通过设置相应刚度的弹簧单元来模拟土体对车站结构的侧向约束。为了确保模型的准确性和可靠性，还进行了模型的验证与校准。将模型计算结果与类似工程的实际监测数据或经验数据进行对比分析，检查模型的合理性。通过对模型参数的敏感性分析，确定对结构内力和变形影响较大的参数，并对这些参数进行精确取值和优化。经过验证和校准后的模型，能够较为准确地反映东门大桥站车站结构的实际力学特性，为后续的结构内力计算和分析提供了可靠的依据。在完成模型建立后，运用有限元方法对车站结构在不同工况下的内力进行精确计算。考虑多种工况组合，包括施工阶段的荷载工况和运营阶段的正常使用、地震、人防等荷载工况。在施工阶段，模拟结构的逐步施工过程，考虑各施工步骤中结构的受力变化。例如，在车站顶板施工完成后，拆除临时支撑，此时结构的受力状态发生改变，通过模型计算分析结构在这一施工步骤下的内力变化情况。在运营阶段，按照规范要求，对各种荷载进行合理组合。正常使用工况下，考虑结构自重、覆土荷载、水压力、楼面荷载、人群荷载等的组合；地震工况下，根据成都地区的抗震设防要求，考虑地震作用与其他荷载的组合；人防工况下，按照人防设计规范，考虑人防荷载与其他荷载的组合。通过对不同工况下结构内力的计算，得到了结构在各种情况下的内力分布规律，为结构的设计和安全性评估提供了详细的数据支持。3.3西端头井处断面的二维计算3.3.1计算模型西端头井处断面作为车站结构的关键部位，其受力情况复杂，对整个车站的稳定性有着重要影响。为了准确分析该部位的力学特性，建立针对性的二维计算模型至关重要。同样选用MidasGen软件进行建模，在模型构建过程中，充分考虑西端头井处的特殊结构和受力特点。西端头井与标准段相比，结构形式存在差异，如在端头井处可能存在盾构接收或始发的相关构造，这些特殊构造会改变结构的受力分布。在模拟时，对西端头井处的结构进行详细建模，精确设置各构件的尺寸和材料属性。例如，对于盾构接收井处的加强结构，准确输入其混凝土强度等级、钢筋配置等参数，以真实反映其力学性能。对于西端头井与车站主体结构的连接部位，合理设置连接方式和约束条件，考虑连接部位的传力特性和变形协调。同时，根据地质勘察报告，对西端头井周边的土体进行模拟，采用合适的土体本构模型，考虑土体对结构的约束作用和土压力的分布情况。通过这些细致的处理，建立的计算模型能够准确反映西端头井处断面的实际力学状态，为后续的分析提供可靠基础。3.3.2荷载组合西端头井处的荷载组合需综合考虑多种因素，结合实际施工和使用情况进行确定。在施工阶段，主要荷载包括结构自重、施工荷载、土体开挖引起的卸载荷载以及临时支撑的作用力等。结构自重根据结构构件的尺寸和材料重度进行计算，施工荷载则根据施工过程中可能出现的材料堆放、机械设备停放等情况进行估算。在土体开挖过程中，随着开挖深度的增加，土体对结构的约束逐渐减小，会产生卸载荷载，需要准确计算卸载荷载的大小和分布。临时支撑在施工阶段起着重要作用，其作用力的大小和方向对结构的受力状态有显著影响，需要根据临时支撑的布置和受力情况进行合理取值。在运营阶段，除了考虑结构自重、覆土荷载、水压力、楼面荷载、人群荷载等人防荷载和地震荷载等。覆土荷载和水压力的计算方法与标准段类似，但由于西端头井处的结构形式和周边环境可能与标准段不同，需要对计算参数进行适当调整。楼面荷载和人群荷载根据车站的使用功能和客流量进行确定。人防荷载和地震荷载则根据相关规范和标准进行取值，考虑西端头井处的重要性和抗震要求，合理确定荷载的大小和作用方式。在进行荷载组合时，按照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）和《地铁设计规范》（GB50157-2013）的要求，采用不同的荷载组合工况进行计算，如基本组合、偶然组合等。通过合理的荷载组合，能够全面考虑西端头井处在各种情况下的受力状态，为结构的安全性评估提供准确依据。3.3.3结果分析对西端头井处断面的内力和变形结果进行深入分析，对于评估结构在该部位的安全性具有重要意义。通过计算得到西端头井处各构件的内力分布，如梁、板、柱的弯矩、轴力和剪力等。将这些内力结果与设计要求进行对比，判断结构是否满足强度和稳定性要求。若某根梁的计算弯矩超过了其设计弯矩承载能力，则说明该梁在当前荷载作用下存在安全隐患，需要进一步分析原因并采取相应的加固措施。在变形方面，重点关注西端头井处的水平位移和竖向位移。通过计算得到的位移结果，与规范规定的变形限值进行比较，评估结构的变形是否在允许范围内。若西端头井处的水平位移超过了规范限值，可能会导致结构的整体性受到影响，进而影响车站的正常使用和安全。此时，需要分析导致位移过大的原因，如荷载取值是否合理、结构设计是否存在缺陷等，并提出相应的改进措施。通过对西端头井处断面的内力和变形结果的分析，能够全面了解结构在该部位的工作状态，及时发现潜在的安全问题，为结构的优化设计和施工提供重要参考，确保车站结构在西端头井处的安全性和可靠性。3.4标准段处断面的二维计算3.4.1计算模型标准段处断面作为车站结构的典型部分，其力学特性分析对于整个车站的设计和安全评估具有重要意义。采用MidasGen软件建立标准段处断面的二维计算模型，该模型充分考虑标准段的结构特点和受力情况。与西端头井模型相比，标准段结构形式相对规整，没有盾构接收或始发等特殊构造，结构构件的布置较为规律。在模型中，将标准段的梁、板、柱等结构构件准确模拟为梁单元，根据实际尺寸和材料参数进行设置。例如，标准段顶板厚度为0.8m，采用C35混凝土，在模型中按照这些参数准确定义顶板梁单元的属性。对于结构与土体的相互作用，在标准段底部同样视为固定端约束，模拟基础与地基的连接。在侧面，根据土体的实际情况，合理设置弹簧单元来模拟土体的水平抗力。通过准确的模型建立，能够清晰地反映标准段处断面在各种荷载作用下的力学响应，为后续的分析提供可靠的基础。3.4.2荷载组合标准段处的荷载组合是结构内力计算的关键因素，需综合考虑多种工况下的荷载作用。与西端头井荷载组合相比，虽然主要荷载类型相似，但在具体取值和组合方式上存在一定差异。在施工阶段，标准段的荷载主要包括结构自重、施工荷载以及土体开挖引起的卸载荷载等。由于标准段施工过程相对较为常规，施工荷载的取值相对较为稳定，主要考虑施工机械的重量、材料堆放等产生的荷载。而西端头井在施工阶段可能涉及盾构相关设备的安装和调试，施工荷载的变化更为复杂。在运营阶段，标准段的荷载组合包括结构自重、覆土荷载、水压力、楼面荷载、人群荷载等。覆土荷载和水压力根据标准段的埋深和地下水位情况进行准确计算。楼面荷载和人群荷载根据车站的使用功能和客流量进行确定。在偶然荷载作用下，如地震工况，标准段和西端头井都需要考虑地震作用与其他荷载的组合，但由于结构形式和周边场地条件的不同，地震作用的计算参数和组合方式可能会有所不同。通过合理确定标准段处的荷载组合，能够全面、准确地分析结构在各种工况下的受力状态，为结构设计提供可靠依据。3.4.3内力计算结果对标准段处断面的内力计算结果进行深入分析，有助于揭示结构的受力规律，为结构设计提供重要参考。通过计算得到标准段各构件的内力分布，如顶板、中板、底板以及立柱的弯矩、轴力和剪力等。在弯矩分布方面，顶板和底板在跨中位置出现正弯矩，在支座处出现负弯矩，且顶板由于承受覆土荷载和地面车辆等附加荷载，其弯矩值相对较大。中板主要承受楼面荷载和设备荷载，弯矩值相对较小。立柱则主要承受轴力，在结构中起到竖向支撑的关键作用，其轴力分布沿高度方向呈现一定的变化规律，底部轴力较大，向上逐渐减小。通过对这些内力分布规律的总结，可以发现标准段结构的受力特点，为结构设计提供明确的指导。在结构设计中，对于弯矩较大的部位，如顶板跨中和支座处，应加强钢筋配置，提高结构的抗弯能力。对于立柱，应根据轴力大小合理设计截面尺寸和配筋，确保其具有足够的承载能力。同时，通过与规范要求的对比，判断结构是否满足强度和稳定性要求，若发现不满足要求的部位，及时进行结构优化和调整。3.5东端头井处二维计算3.5.1计算模型东端头井作为车站结构的关键部位，其结构内力分析对于保障车站的安全稳定运行至关重要。运用MidasGen软件构建东端头井处断面的二维计算模型，在建模过程中，充分考量东端头井的独特结构特性以及受力状况。与西端头井类似，东端头井也存在一些特殊的结构构造，如可能涉及盾构的相关作业，这些构造会显著影响结构的受力分布。因此，在模型中对东端头井的结构进行细致入微的模拟，精确设定各构件的尺寸和材料属性。以盾构接收井处的加强结构为例，依据实际的设计参数，准确输入混凝土强度等级、钢筋配置等信息，以确保能够真实反映其力学性能。在处理东端头井与车站主体结构的连接部位时，合理设置连接方式和约束条件，充分考虑连接部位的传力特性和变形协调。同时，根据地质勘察报告，对东端头井周边的土体进行模拟，采用合适的土体本构模型，如摩尔-库仑本构模型，该模型能够较好地反映土体在受力过程中的非线性特性，包括土体的屈服、破坏等行为。通过合理设置土体参数，如土体的重度、内摩擦角、粘聚力等，准确考虑土体对结构的约束作用和土压力的分布情况。在模拟土体与结构的相互作用时，采用接触单元来模拟两者之间的摩擦力和变形协调，确保模型能够准确反映东端头井处的实际力学状态。通过这些精心的处理，建立的计算模型能够为后续的分析提供坚实可靠的基础。3.5.2荷载组合东端头井处的荷载组合需综合考虑多种因素，结合实际施工和使用情况进行确定。在施工阶段，主要荷载包括结构自重、施工荷载、土体开挖引起的卸载荷载以及临时支撑的作用力等。结构自重根据结构构件的尺寸和材料重度进行计算，施工荷载则根据施工过程中可能出现的材料堆放、机械设备停放等情况进行估算。在土体开挖过程中，随着开挖深度的增加，土体对结构的约束逐渐减小，会产生卸载荷载，需要准确计算卸载荷载的大小和分布。临时支撑在施工阶段起着重要作用，其作用力的大小和方向对结构的受力状态有显著影响，需要根据临时支撑的布置和受力情况进行合理取值。在运营阶段，除了考虑结构自重、覆土荷载、水压力、楼面荷载、人群荷载等人防荷载和地震荷载等。覆土荷载和水压力的计算方法与标准段类似，但由于东端头井处的结构形式和周边环境可能与标准段不同，需要对计算参数进行适当调整。楼面荷载和人群荷载根据车站的使用功能和客流量进行确定。人防荷载和地震荷载则根据相关规范和标准进行取值，考虑东端头井处的重要性和抗震要求，合理确定荷载的大小和作用方式。在进行荷载组合时，按照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）和《地铁设计规范》（GB50157-2013）的要求，采用不同的荷载组合工况进行计算，如基本组合、偶然组合等。通过合理的荷载组合，能够全面考虑东端头井处在各种情况下的受力状态，为结构的安全性评估提供准确依据。与西端头井相比，东端头井可能由于盾构始发或接收的施工顺序不同，在施工阶段的荷载组合存在差异。例如，在盾构始发时，可能会有盾构机的组装和调试荷载，而西端头井在盾构接收时，可能更多地考虑接收井结构的加固和盾构机进入时的冲击力。在运营阶段，虽然主要荷载类型相似，但由于东端头井和西端头井在车站中的位置不同，周边的人流、车流等情况也可能不同，导致人群荷载和地面超载的取值有所差异。与标准段相比，端头井处的结构受力更为复杂，荷载组合也更为多样化。标准段的结构形式相对规整，荷载分布较为均匀，而端头井处由于存在特殊结构和施工工况，需要考虑更多的荷载因素及其组合方式。3.5.3内力计算结果对东端头井处断面的内力计算结果进行深入剖析，对于评估结构在该部位的安全性具有重要意义。通过计算得到东端头井处各构件的内力分布，如梁、板、柱的弯矩、轴力和剪力等。将这些内力结果与设计要求进行对比，判断结构是否满足强度和稳定性要求。若某根梁的计算弯矩超过了其设计弯矩承载能力，则说明该梁在当前荷载作用下存在安全隐患，需要进一步分析原因并采取相应的加固措施。在变形方面，重点关注东端头井处的水平位移和竖向位移。通过计算得到的位移结果，与规范规定的变形限值进行比较，评估结构的变形是否在允许范围内。若东端头井处的水平位移超过了规范限值，可能会导致结构的整体性受到影响，进而影响车站的正常使用和安全。此时，需要分析导致位移过大的原因，如荷载取值是否合理、结构设计是否存在缺陷等，并提出相应的改进措施。与西端头井的结果对比可以发现，两者在弯矩、轴力和剪力的分布上存在一定的共性和差异。共性方面，梁、板、柱的受力趋势基本相似，在支座处和跨中位置的弯矩分布规律较为一致。然而，由于东端头井和西端头井的结构细节和周边环境的差异，导致在某些部位的内力大小和分布存在明显不同。例如，东端头井可能由于盾构始发的相关结构布置，使得某些柱子的轴力分布与西端头井有所不同。通过对这些共性和差异的总结，可以更全面地了解端头井结构的受力特性，为结构设计和优化提供更有针对性的参考。同时，与标准段的内力计算结果对比，端头井处的内力值通常会更大，这是由于端头井处的结构受力更为复杂，需要承受更多的荷载和特殊工况的作用。在结构设计和施工中，应根据这些特点，加强对端头井处结构的加固和监测，确保车站结构的安全可靠。3.6盾构机起吊对结构的影响分析3.6.1地下一层顶板荷载在东门大桥站的施工过程中，盾构机起吊作业是一项关键环节，其对地下一层顶板的荷载作用不容忽视。盾构机起吊时，地下一层顶板所承受的荷载主要包括盾构机自身重量、起吊设备的重量以及起吊过程中产生的动荷载。以常见的盾构机型号为例，其重量通常在100-150吨之间，假设东门大桥站使用的盾构机重量为120吨。起吊设备如履带吊的自重约为250吨。在起吊过程中，由于盾构机的起吊、平移等动作，会产生动荷载，动荷载系数一般取1.1-1.3，此处取1.2。在计算顶板荷载时，还需考虑起吊过程中的偏心影响。当盾构机起吊时，由于起吊点的位置偏差或盾构机自身重心的偏移，可能会导致顶板受力不均匀，产生偏心荷载。假设盾构机起吊时的偏心距为0.5米，根据力学原理，偏心荷载会在顶板上产生附加弯矩和剪力。通过计算可得，偏心荷载产生的附加弯矩为M=F\timese，其中F为盾构机和起吊设备的总重量（考虑动荷载），e为偏心距。总重量F=(120+250)\times1.2\times1000\times9.8=4.35\times10^6N，则附加弯矩M=4.35\times10^6\times0.5=2.18\times10^6N\cdotm。考虑动荷载和偏心影响后，计算得到顶板承受的最大荷载为q_{max}。首先计算盾构机和起吊设备对顶板的均布荷载q_1=\frac{(120+250)\times1.2\times1000\times9.8}{A}，其中A为顶板的受力面积，假设顶板在起吊区域的受力面积为100m^2，则q_1=\frac{4.35\times10^6}{100}=43.5kPa。再考虑偏心荷载产生的附加应力\sigma_{附加}=\frac{M}{W}，其中W为顶板截面的抵抗矩，假设顶板厚度为0.8米，按照矩形截面计算，W=\frac{1\times0.8^2}{6}=0.11m^3，则\sigma_{附加}=\frac{2.18\times10^6}{0.11}=19.8kPa。所以顶板承受的最大荷载q_{max}=q_1+\sigma_{附加}=43.5+19.8=63.3kPa。通过与顶板的设计承载能力进行对比，评估顶板在盾构机起吊时的安全性。假设顶板的设计承载能力为80kPa，63.3kPa\lt80kPa，表明在当前的起吊工况下，顶板能够承受盾构机起吊产生的荷载，但仍需密切关注起吊过程中顶板的变形和受力情况，确保施工安全。3.6.2结构优化设计基于顶板荷载分析结果，为进一步提高结构的承载能力和安全性，提出以下结构优化设计建议。在结构设计方面，考虑增加顶板的厚度，以提高顶板的抗弯和抗压能力。通过结构力学计算，假设将顶板厚度从0.8米增加到1.0米，根据矩形截面的抗弯刚度公式EI=\frac{1}{12}bh^3E（b为宽度，h为高度，E为弹性模量），在其他条件不变的情况下，顶板的抗弯刚度将增加约(\frac{1.0}{0.8})^