地铁站计算分析报告(无失水)

广州市轨道交通六号线工程天河客运站六号线基坑施工对已建成三号线车站影响数值分析报告（无失水工况）二○○六年六月目录一、工程概况 3二、地质条件 5三、计算原则和依据 5四、计算内容 6（一）模拟计算分析对象的选择 6（二）施工步骤与模拟工况 6五、计算模型、荷载、参数 7（一）结构计算模型、荷载 7（二）计算参数 8六、内力计算分析与建议 9一、工程概况一）六号线车站基坑概况广州市轨道交通六号线天河客运站呈南北走向。车站南面为沙汕路，交通繁忙，东面为三号线车站，与三号线车站平行，六号线车站与号线车站采纳通道换乘。六号线车站主体基坑采纳明挖顺作法施工。本基坑宽约为19.7~27.4m，深度约为24m，纵向长度约为84.2m，采纳1000厚的地下连续墙，地下连续墙长平均为32m，插入深度平均为8m，采纳钢管(φ600mm,t=14mm)作为内支撑。二）三号线车站设计与施工状况广州市轨道交通三号线天河客运站为三号线支线段起点车站,主体基坑采纳明挖顺作法施工。本基坑宽约为10.9~34.7m，深度约为17m，纵向长度约为274.2m，采纳600厚的地下连续墙，地下连续墙长平均为23.5m，插入深度平均为6.5m，采纳钢管(φ600mm,t=12mm)作为内支撑。三号线车站主体结构已于2005年施工完成，目前正在进行附属结构施工和主体内部装修和机电安装。车站主体围护结构剖面与配筋如图所示,主体结构配筋见后面的配筋表。附图1三号线车站主体围护结构剖面图附图2三号线车站主体围护结构配筋图三）六号线车站主体基坑与三号线主体结构相互关系六号线车站主体基坑与三号线主体结构相互平行，三号线车站在东侧，六号车站在西侧，两车站相距为14.2~23.5m。相互关系平剖面图如图3、4所示。附图3六号线主体基坑与三号线主体结构相互关系平面图附图4六号线主体基坑与三号线主体结构相互关系剖面图二、地质条件地质资料采纳《广州市轨道交通六号线燕塘至柯木塱段初步岩土工程勘察报告》，地面基本平坦，丘陵地貌。车站工程地质主要为：人工填土层<1>、冲积-洪积粉细砂层<3-1>、冲积-洪积中粗砂层<3-2>、积-洪积土层<4-1>、可塑状残积土层<5H-1>、硬塑状残积土层<5H-2>、花岗岩全风化带<6H>。各地层岩性详见相关图纸和说明。三、计算原则和依据1、采纳ANSYS有限元通用程序进行数值模拟计算分析。2、采纳地层-结构模型对结构的受力和变形进行分析。3、依据《广州市轨道交通六号线燕塘至柯木塱段初步岩土工程勘察报告》、《地铁设计规范》、有关六号线、三号线车站基坑资料、主体结构资料等建立计算模型。四、计算内容（一）模拟计算分析对象的选择取最不利的部位，即选取附图4中的剖面，对六号线车站基坑开挖时，已建成的三号线车站主体结构、围护结构和地层受力和变形状况进行数值模拟计算。六号线车站结构尺寸：1000mm厚地下连续墙，连续墙插入深度为8米，钢管支撑φ600mm,t=14mm；主体结构顶板800mm，中板400mm，底板1100mm，侧墙650~800mm，立柱700X700mm（在计算中均折算为每延米刚度值）。三号线车站结构尺寸：600mm厚地下连续墙，围护结构插入深度为6.5米，钢管支撑φ600mm,t=12mm，主体结构顶板800mm，中板400mm，底板900mm，侧墙700mm；立柱φ800mm（在计算中均折算为每延米刚度值）。（二）施工步骤与模拟工况为了更精确地模拟六号线车站基坑开挖对三号线车站的影响，施工过程从三号线车站基坑开挖起先直至六号线结构施工完成。数值模拟计算时，施工开挖过程和计算步骤对应如下表1：模拟时与施工步骤对应的载荷步表表1施工工序对应载荷步载荷步对应施工步骤说明第1步自重应力场，地面加20KPa超载第2～11步三号线车站基坑开挖与主体结构施工第12步三号线基坑地下水位复原第13～23步六号线车站基坑开挖与主体结构施工第24步地下水位回复至地表下2m五、计算模型、荷载、参数（一）结构计算模型、荷载采纳结构与地层共同作用的地层-结构模式（平面应变），模拟分析地铁三号线和六号线车站基坑开挖与主体结构施工过程中地层和结构的受力与变形特点和相互影响。计算模型所取范围是：水平方向，沿横断面方向以基坑宽的3倍为限，即基坑两侧取基坑开挖宽度的3倍范围（取150m）,竖向取地面至基坑面以下3倍基坑宽度范围，即150m*70m。计算中地层DP材料的弹塑性实体单元模拟，而基坑围护桩、主体结构采纳弹性梁单元模拟，支撑用杆单元模拟，为保证不同单元变形的协调性，梁单元和实体单元之间用藕合方程连接，隧道围护结构和主体结构之间用仅压杆连接。有限元计算中，采纳莫尔—库仑屈服准则对结构的开挖过程进行弹塑性分析。也即采纳 Drucker-Prager（DP）模型计算结构非线形的变形特性。其等效应力为：式中；—材料的内聚力，MPa；—材料的内摩擦角。屈服准则为：基坑开挖过程中主要考虑水压力、初始地应力和开挖后二次应力的作用，地面超载取20KPa，考虑到地层渗透系数较大，采纳水土分算。（二）计算参数各地层计算时围岩的物理力学指标依据本区间《广州市轨道交通六号线燕塘至柯木塱段初步岩土工程勘察报告》与《铁路喷锚构筑法围岩分类标准》加以选取。详细如表2所示。围岩物理力学参数表2地层与材料弹性模量泊松比容重内聚力内摩擦角E（kPa）μγ（kN/m3）c（KPa）φ（°）<4-1><3-2><5H-1><5H-2>3.0e40.3518.528.724.33.0e40.2320.00.030.02.5e40.3418.630.828.15.0e40.3118.836.127.4结构材料特性参数表3地层与材料弹性模量泊松比容重E（kPa）μγ（kN/m3）C30（围护结构）C30（主体、二衬）钢管2.8e70.17253.0e70.17252.1e80.2478六、内力计算分析与建议采纳ANSYS有限元通用程序对地铁三号线和六号线车站基坑开挖与主体结构施工过程中地层和结构的受力与变形特点和相互影响进行计算分析，得到隧道结构的内力值和结构变形值。由于篇幅关系，仅列出主要的计算结果，详细计算结果详见附图。1、经计算，地铁三号线车站主体在六号线车站修建前的内力图和配筋如下表（注：本配筋表即为本车站施工时采纳的配筋表）：六号线车站施工前三号线主体结构内力与配筋表（每延米，标准值）表4项目部位弯矩(KN.m)轴力(KN)剪力(KN)配筋裂缝宽ω(mm)顶板端支座（上缘）-450-850-365Φ28@150+Φ25@1500.1顶板中支座（上缘）-490-850-453Φ28@150+Φ20@3000.1顶板跨中（下缘）-891-8500Φ28@1500.13中板端支座（上缘）-65-79360Φ18@150+Φ18@3000.11中板中支座（上缘）-50-79354Φ18@1500.10中板跨中（下缘）-45-7930Φ18@1500.10底板端支座（下缘）-1078-933-545Φ28@150+Φ25@1500.18底板中支座（下缘）-680-933-456Φ28@150+Φ20@3000.12底板跨中（上缘）490-9330Φ25@1500.10侧墙端支座（外缘）-1078-763-542Φ28@150+Φ25@1500.20侧墙中支座（外缘）-450-763-256Φ25@1500.10侧墙跨中（内缘）350-7630Φ22@1500.10注：由于时间关系,本表仅为抗浮最不利工况的结构内力和配筋六号线车站施工前三号线主体连续墙限制内力表(每延米，设计值)表5厚度（mm）弯矩(KN·m)剪力（KN）位移（mm）全断面配筋率（%）600-935～910-354～39418.11.232、三号线车站主体在六号线车站修建时的内力图和配筋(不变)如下表,经计算,原设计配筋满意规范要求。六号线车站施工时三号线主体结构内力与配筋表（每延米，标准值）表6项目部位弯矩(KN.m)轴力(KN)剪力(KN)配筋裂缝宽ω(mm)顶板端支座（上缘）-453-835-366Φ28@150+Φ25@1500.1顶板中支座（上缘）-511-835-475Φ28@150+Φ20@3000.1顶板跨中（下缘）-912-8350Φ28@1500.15中板端支座（上缘）-65-72361Φ18@150+Φ18@3000.11中板中支座（上缘）-50-72355Φ18@150-0.10中板跨中（下缘）-45-7230Φ18@1500.10底板端支座（下缘）-1118-913-547Φ28@150+Φ25@1500.19底板中支座（下缘）-720-913-476Φ28@150+Φ20@3000.13底板跨中（上缘）480-9130Φ25@1500.10侧墙端支座（外缘）-1118-663-565Φ28@150+Φ25@1500.20侧墙中支座（外缘）-470-663-267Φ25@1500.11侧墙跨中（内缘）368-6630Φ22@1500.10六号线车站施工时三号线主体连续墙限制内力表(每延米，设计值)表7厚度（mm）弯矩(KN·m)剪力（KN）位移（mm）全断面配筋率（%）600-968～950-387～41328.10.813、内力表、内力图、变形图中看出，由于三号线基坑与六号基坑相距较远，六号线车站基坑施工前后内力改变特别小（10%以内），六号线基坑开挖前后对三号线车站影响不大。4、六号线结构施工前后，三号线结构最大相对水平位移为10mm，相对沉降为8mm，数值虽小，但有整体向六号线方向平移的趋势，因此，六号线基坑开挖时，应与时架设支撑，严禁超挖。5、地层塑性区看出，在六号线基坑底部出现塑性区，是由于基坑开挖时基底变形引起，因此，为防止基坑底的塑性破坏，六号线基坑开挖前，应对六号线基坑底进行加固处理。6、由于六号线基坑采纳地下连续墙（止水效果好），同时基底采纳旋喷加固止水，本计算为不考虑六号线基坑开挖引的水流失和花岗石残积土的软化的志向状态下的计算（据估算，基坑开挖引的水流失和花岗石残积土的软化对三号线影响较大），施工时应严格限制施工质量，严防水土流失。7、由于本数值计算是依据广州轨道交通六号线地质资料进行的志向状态下的模拟施工开挖过程，与现场状况（如地质的改变，实际施工方法与施工工艺，施工质量等）是有肯定出入的，基坑开挖时，留意必需加强对三号线车站结构变形的监测，加强施工质量的限制。发觉三号线基坑变形接近或达到警戒值（依据计算分析，三号线基坑水平变形警戒值<10mm，），马上停止施工，通知相关单位并实行紧急处理措施。7、附图模型图三号线基坑第一步开挖时（第3载荷步），地下连续墙弯矩图(KN.m)三号线基坑其次步开挖，架设临时支撑时（第4载荷步），地下连续墙弯矩图(KN.m)三号线基坑第三步开挖，架设临时支撑时（第5载荷步），地下连续墙弯矩图(KN.m)三号线基坑第四步开挖，架设临时支撑时（第6载荷步），地下连续墙弯矩图(KN.m)三号线基坑第五步开挖，架设临时支撑时（第7载荷步），地下连续墙弯矩图(KN.m)三号线基坑第五步开挖，架设临时支撑时（第7载荷步），水平位移图(m)三号线施工底板与部分侧墙,拆除第四道临时支撑,架设倒撑时（第9载荷步），结构弯矩图(KN.m)三号线施工中板与部分侧墙,拆除临时支撑、倒撑时（第10载荷步），结构弯矩图(KN.m)三号线施工顶板与侧墙,拆除临时支撑时（第11载荷步），结构弯矩图(KN.m)三号线复原水位时（第12载荷步），结构弯矩图(KN.m)三号线复原水位时（第12载荷步），结构轴