既有地鐵車站底板開孔的力學(xué)特性分析

周小涵，周曉軍，李紅亮

(1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430050；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都　610031 ；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都　610031)

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既有地鐵車站底板開孔的力學(xué)特性分析

周小涵1，2，周曉軍2，3，李紅亮3

(1.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430050；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031 ；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都610031)

摘要：當(dāng)新建地鐵線換乘車站遇到既有站沒有預(yù)留換乘條件而需要在既有車站底板開孔以實(shí)現(xiàn)換乘時(shí)，對(duì)既有車站底板開孔后既有站的受力和變形預(yù)測(cè)很有必要。應(yīng)用有限元計(jì)算軟件，計(jì)算分析單柱和雙柱既有車站站臺(tái)層底板在不同部位開孔時(shí)對(duì)既有車站的影響。結(jié)果表明，單柱車站和雙柱車站底板開孔后的底板變形差異較大，需根據(jù)具體情況采用不同的預(yù)加固方案。建議盡量在既有底板柱間開孔，同時(shí)做好開孔處底縱梁和柱等結(jié)構(gòu)的保護(hù)。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；底板；開孔；單柱；雙柱；內(nèi)力；位移

1概述

城市地鐵發(fā)展的趨勢(shì)不可阻擋，隨著地鐵建設(shè)的不斷深入，會(huì)遇到越來越多的工程難題。特別是在復(fù)雜換乘節(jié)點(diǎn)車站，由于規(guī)劃等原因造成的設(shè)計(jì)和施工難度越來越大。

對(duì)換乘車站樓板開孔及復(fù)雜換乘站力學(xué)分析的研究主要有：劉招偉[1]介紹了廣州地鐵1、2號(hào)線換乘車站公園前站的復(fù)雜修建技術(shù)，進(jìn)行了換乘節(jié)點(diǎn)的力學(xué)分析；崇志國(guó)[2]通過分析研究以及客流模擬，提出對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容，同時(shí)增加換乘通道，形成 “井”字形 、“8 節(jié)點(diǎn)”方便快捷的平層換乘車站；朱繼文[3]結(jié)合“十字”換乘已施工和將要施工的換乘車站結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)分析了換乘車站施工中存在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和難點(diǎn)，并提出了解決問題的措施；劉洪波、劉晨、楊紅偉[4]提出通過改造既有線風(fēng)井結(jié)構(gòu)實(shí)施兩線換乘通道的方案，其中涉及到了風(fēng)道頂板的開孔擴(kuò)容；任力青[5]分析了換乘通道施工頂板開孔前使用H形鋼立柱在頂板和底板之間進(jìn)行加固的方法；魏重麗[6]研究了如何處理好三線的換乘關(guān)系、做好換乘節(jié)點(diǎn)的對(duì)接規(guī)劃預(yù)留以及處理好與市政工程之間的關(guān)系；曹宏[7]敘述了與既有車站通過換乘大廳和換乘通道進(jìn)行換乘的施工難點(diǎn)，包含了既有站頂板開孔的步驟；周書明[8]介紹了北京地鐵4號(hào)線宣武門站下穿既有地鐵2號(hào)線宣武門站時(shí)在既有站底板開孔連接新站臺(tái)層的施工工法和關(guān)鍵技術(shù)；陳浩[9]根據(jù)北京地鐵 9 號(hào)線軍事博物館車站下穿既有地鐵1號(hào)線具體特點(diǎn)，針對(duì)既有結(jié)構(gòu)變形采取有效的控制措施，嚴(yán)格控制既有地鐵結(jié)構(gòu)的變形不大于3 mm，滿足了既有線變形控制指標(biāo)；趙德平[10]對(duì)大尺寸開孔用簡(jiǎn)化的平面應(yīng)變模型進(jìn)行了計(jì)算分析；王春希[11]對(duì)暗挖隧道下穿既有站采用不同工法及不同加固范圍進(jìn)行了計(jì)算分析。

從已有的研究可以看到，在既有車站頂板、底板開孔實(shí)現(xiàn)換乘，利用風(fēng)井等結(jié)構(gòu)改造成換乘通道等已經(jīng)有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但是學(xué)者多是針對(duì)某個(gè)具體工程進(jìn)行了介紹。本文著眼于既有車站底板開孔問題，分析單柱和雙柱既有車站在站臺(tái)層底板不同部位開孔時(shí)的力學(xué)效應(yīng)及對(duì)既有車站的影響，同時(shí)分析施工中應(yīng)注意的問題。

2換乘車站簡(jiǎn)介

新建車站與既有車站需實(shí)現(xiàn)換乘時(shí)，通常有兩種換乘方式，即站廳層換乘和站臺(tái)層換乘。站廳層換乘方式施工相對(duì)簡(jiǎn)單，施工時(shí)對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)安全影響小，但換乘距離遠(yuǎn)，換乘時(shí)間長(zhǎng)，服務(wù)水平低；而站臺(tái)層間直接換乘，能夠有效地縮短換乘距離，減少換乘時(shí)間，提高服務(wù)水平，但如果既有車站建設(shè)年代較久，通常不會(huì)預(yù)留站臺(tái)層直接換乘條件。采用站臺(tái)層換乘存在以下風(fēng)險(xiǎn)：(1)破除既有車站站臺(tái)層底板施工時(shí)對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)有較大影響；(2)可能改變既有車站結(jié)構(gòu)受力模式。

如今，如北京、上海、廣州等城市的地鐵建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入了新一輪建設(shè)高峰。很多新建地鐵線，特別是在環(huán)線的建設(shè)中，出現(xiàn)大量換乘站的情況是很常見的。換乘站的布置大致可以分為：縱軸平行布置和縱軸相交布置[12]。縱軸相交布置分為“十”字換乘、“T”形換乘、“L”形換乘等。

就車站結(jié)構(gòu)形式而言，一般多為雙柱車站或單柱車站。對(duì)于單柱、雙柱車站來講，“十”字換乘和T”形換乘都可能遇到站臺(tái)層底板開孔設(shè)置連接通道的情況，開孔對(duì)兩種形式結(jié)構(gòu)的影響是不一樣的。選擇某既有2層車站結(jié)構(gòu)，在相同的埋深、層高和地質(zhì)條件下，對(duì)比計(jì)算單柱車站和雙柱車站分別在柱間開孔和跨柱開孔時(shí)車站結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。

3計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

選取單柱和雙柱兩種車站結(jié)構(gòu)形式和兩柱間開孔及跨柱開孔兩種開孔位置進(jìn)行對(duì)比計(jì)算和分析。其三維計(jì)算模型和底板平面開孔模型示意如圖1～圖4所示。為了直觀地觀察開孔后車站的變形，僅考慮主體結(jié)構(gòu)，不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)。單柱車站開孔在底縱梁兩側(cè)，雙柱車站開孔在底縱梁之間。車站總長(zhǎng)248 m，標(biāo)準(zhǔn)柱間距8.5 m，單柱車站和雙柱車站開孔大小分別為8.5 m×2 m和8.5 m×4 m。

圖1　單柱車站柱間開孔時(shí)的計(jì)算模型

圖2　單柱車站跨柱開孔時(shí)的計(jì)算模型

圖3　雙柱車站柱間開孔時(shí)的計(jì)算模型

圖4　雙柱車站跨柱開孔時(shí)的計(jì)算模型

根據(jù)某地鐵車站地質(zhì)勘察資料和設(shè)計(jì)資料，頂板覆土厚度3 m，底板埋深15.5 m，地面超載取為20 kPa，水位取實(shí)際水位，底板位于殘積中密狀粉土層上，垂直基床系數(shù)Kv取50 MPa/m，水平基床系數(shù)取60 MPa/m，側(cè)墻位于沖擊-洪積粉細(xì)砂層、沖擊-洪積中粗砂層、殘積中密狀粉土層，靜止側(cè)壓力系數(shù)K0取0.55。計(jì)結(jié)構(gòu)自重、樓面荷載及列車荷載。車站結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表1所示。

表1　車站結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

4計(jì)算結(jié)果分析

分別計(jì)算在相同外部荷載、地質(zhì)條件下單柱和雙柱地鐵車站底板不同位置開孔前后的結(jié)構(gòu)受力。

4.1　單柱車站

單柱車站開孔前后的變形如圖5～圖7所示。將變形和內(nèi)力變化較大的部位列出如表2所示。

圖5　單柱車站開孔前底板豎向位移云圖

圖6　單柱車站柱間開孔底板豎向位移云圖

圖7　單柱車站跨柱開孔底板豎向位移云圖

開孔位置柱間開孔跨柱開孔工況長(zhǎng)邊中點(diǎn)(遠(yuǎn)離底縱梁)最大豎向變形/mm開孔斷面?zhèn)葔Φ鬃畲髲澗?(kN·m)開孔斷面底縱梁最大豎向變形/mm孔邊柱最大豎向位移/mm開孔前1.1-1362-0.05-0.7開孔后3.7-1428-2.1-2.0開孔前0.9-1356-0.5-0.7開孔后4.0-1441-2.8-2.8

注：表中變形值向上為正，向下為負(fù)。

對(duì)單柱車站來說，總體而言，在底板柱間和跨柱開孔后，底板孔邊范圍內(nèi)出現(xiàn)了較大的豎向變形，而對(duì)車站底板其他部位影響不大。

對(duì)于長(zhǎng)邊中點(diǎn)的豎向變形，跨柱開孔較底板柱間開孔時(shí)增量大。對(duì)于孔邊柱豎向變形，底板跨柱開孔比在柱間開孔時(shí)大。對(duì)于開孔斷面?zhèn)葔Φ讖澗?，跨柱開孔比柱間開孔時(shí)大。對(duì)于開孔斷面底縱梁豎向變形，跨柱開孔比柱間開孔時(shí)大。

4.2　雙柱車站

雙柱車站開孔前后的變形如圖8～圖10所示。將變形和內(nèi)力變化較大的部位列出如表3所示。

圖8　雙柱車站開孔前底板豎向位移云圖

圖9　雙柱車站柱間開孔底板豎向位移云圖

圖10　雙柱車站跨柱開孔底板豎向位移云圖

開孔位置柱間開孔跨柱開孔工況長(zhǎng)邊中點(diǎn)最大豎向變形/mm短邊中點(diǎn)最大豎向變形/mm開孔斷面底縱梁最大豎向變形/mm孔邊柱最大豎向變形/mm開孔斷面底板最大負(fù)彎矩/(kN·m)開孔前-0.4-0.3-0.3-0.8-578開孔后-1.9-1.5-1.4-1.6-652開孔前-0.7-0.2-0.8-0.8-590開孔后-2.3-1.2-1.8-1.8-672

注：表中變形值向上為正，向下為負(fù)。

對(duì)雙柱車站來說，總體而言，在底板柱間和跨柱開孔后，底板孔邊范圍內(nèi)出現(xiàn)了較大的豎向變形，而對(duì)車站底板其他部位影響不大。

從計(jì)算結(jié)果可以看到，開孔前后變化較大的有：長(zhǎng)邊中點(diǎn)的豎向變形、短邊中點(diǎn)豎向變形、孔邊柱豎向變形、開孔斷面?zhèn)葔Φ讖澗亍㈤_孔斷面底縱梁豎向變形和開孔斷面底板最大負(fù)彎矩等。同時(shí)，從計(jì)算結(jié)果可以看出，柱間開孔和跨柱開孔時(shí)上述變形和內(nèi)力的變化差異不大。

4.3　加固探討

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，單柱車站和雙柱車站底板開孔后的變形規(guī)律和應(yīng)力變化存在差異。所以在進(jìn)行加固之前應(yīng)該根據(jù)具體情況制定加固方案。總的來講，雙柱車站的開孔位置對(duì)底板變形和內(nèi)力的影響不大，而單柱車站開孔位置對(duì)底板變形和內(nèi)力的影響較大。同時(shí)，雙柱車站由于本身雙柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更強(qiáng)，所以開孔后較安全。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，考慮到既有車站在施工過程中通常需要繼續(xù)運(yùn)營(yíng)，同時(shí)參考既有工程經(jīng)驗(yàn)，建議先在既有車站底板下暗挖換乘通道，采用注漿、立柱、布設(shè)千斤頂?shù)鹊装寮庸檀胧ｋS后再開挖底板孔洞，貫通換乘通道。鑒于開孔后的影響范圍較大，建議至少對(duì)結(jié)構(gòu)周圍3 m范圍內(nèi)地層進(jìn)行注漿加固。

針對(duì)單柱車站底板開孔，應(yīng)加強(qiáng)孔邊、孔邊柱、底縱梁及開孔斷面?zhèn)葔Φ谋Ｗo(hù)加固。針對(duì)雙柱車站，雖然其變形比單柱車站小，但仍需加強(qiáng)孔邊、底縱梁、孔邊柱及開孔斷面負(fù)彎矩底板的保護(hù)加固。

從實(shí)際設(shè)計(jì)和施工的角度講，由于開孔后換乘通道的功能要求，開孔大小和位置可能不規(guī)則，所以具體情況應(yīng)該具體分析。

5結(jié)論及建議

通過對(duì)單柱和雙柱既有車站在站臺(tái)層底板柱間及跨柱開孔的模擬計(jì)算和分析，得出如下結(jié)論及建議。

(1)雙柱車站和單柱車站站臺(tái)層底板開孔后，開孔影響范圍內(nèi)的變形規(guī)律有差異。兩種結(jié)構(gòu)車站在柱間和跨柱開孔時(shí)，底板孔洞周邊及鄰近柱的變形和應(yīng)力有較大差異。從控制變形及施工便利的角度出發(fā)，建議盡量采用柱間開孔方案。

(2)為了保證既有線路的正常通行，建議在開孔前對(duì)站臺(tái)層底板進(jìn)行預(yù)加固。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，參考既有工程經(jīng)驗(yàn)，建議先在既有車站底板下暗挖換乘通道，采用注漿、立柱、布設(shè)千斤頂?shù)燃庸檀胧?。隨后再分步對(duì)底板進(jìn)行開孔，貫通換乘通道。鑒于開孔后的影響范圍較大，建議至少對(duì)結(jié)構(gòu)周圍3 m范圍內(nèi)地層進(jìn)行注漿加固，并使用千斤頂?shù)戎攸c(diǎn)加固變形較大的部位。

(3)為了結(jié)構(gòu)安全，在施工過程中做好既有車站結(jié)構(gòu)變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來指導(dǎo)施工，做到信息化施工。

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Mechanical Property Analysis of Opening Holes in Existing Subway Station Platform Floor

ZHOU Xiao-han1，2, ZHOU Xiao-jun2，3, LI Hong-liang3

(1.China Zhongtie Major Bridge Reconnaissance & Design Institute Co.， Ltd.， Wuhan 430050， China;

2.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering， Ministry of Education， Southwest Jiaotong University，

Chengdu 610031， China; 3.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

Abstract：Where there is no designed gallery in the existing subway station holes have to be opened to allow passengers to transfer from the existing subway station to the newly built subway station， and the internal forces and deformation of the existing station have to be predicted after holes are opened. The existing single-pillar and double-pillar stations are analyzed with finite element analysis software where holes are opened in different places in the platform floor. The results show that single-pillar and double-pillar stations differ greatly in internal forces and deformation after holes are opened in different places in the platform floor， and different reinforce measures have to be taken accordingly. It is recommended that holes should be opened between existing floor pillars and bottom girders and pillars should be protected carefully.

Key words：Subway station; Platform floor; Opening holes; Single-pillar; Double-pillar; Internal force; Deformation

作者簡(jiǎn)介：周小涵(1988—)，男，博士研究生，E-mail：zhouxh2008@126.com。

收稿日期：2015-06-01； 修回日期：2015-06-15

中圖分類號(hào)：U231+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.026

文章編號(hào)：1004-2954(2016)01-0119-03