既有地鐵車站換乘改造方案結(jié)構(gòu)分析及三維數(shù)值模擬

蘇卜坤，姜 燕

（1、廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 廣州510060；

2、廣東省水利水電科學(xué)研究院 廣州510610；3、廣東省巖土工程技術(shù)研究中心 廣州510641）

0 引言

軌道交通對緩解大城市交通壓力有著顯著而獨(dú)特的作用，同時(shí)地鐵建設(shè)帶動了城市地下空間的開發(fā)，隨著地鐵線網(wǎng)的加密建設(shè)，新建地鐵車站與既有地鐵車站換乘改造的情形也越來越多，在既有地鐵站廳層側(cè)墻開洞改造對既有地鐵運(yùn)營造成的影響等問題不可避免。

當(dāng)前，因使用需要需改變已有建筑物用途或內(nèi)部布置時(shí)，需要對既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。對于地上的建筑結(jié)構(gòu)改造、加固的工程案例和研究較多［1，2］，技術(shù)也相對較為成熟。而對于地下車站結(jié)構(gòu)，由于周邊既有建筑和結(jié)構(gòu)周圍土體的存在，其改造相對地上結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，且改造成功的案例不多。鮑鵬等人［3］采用有限元方法對地下結(jié)構(gòu)的改造工程進(jìn)行了彈塑性分析，提出了一些計(jì)算、改造時(shí)應(yīng)采取的措施；文獻(xiàn)［4-8］對地下車站、地鐵附屬結(jié)構(gòu)及其他改造工程等進(jìn)行了研究。上述研究和案例多為在較小范圍實(shí)施改造，且改造方案相對簡單。

由于地鐵建設(shè)周期長，早期線路與新建線路常出現(xiàn)不匹配的情況，同時(shí)地下工程的復(fù)雜性和高風(fēng)險(xiǎn)性導(dǎo)致?lián)Q乘改造工程風(fēng)險(xiǎn)大，本文以廣州某大型換乘站為例，考慮了全施工過程，對破除既有地鐵車站側(cè)墻換乘方案進(jìn)行了數(shù)值分析，提出了科學(xué)完善的換乘方案及改造措施，并結(jié)合施工期既有車站的自動化監(jiān)測結(jié)果驗(yàn)證了方案的可靠性，對類似工程設(shè)計(jì)與施工具有借鑒意義。

1 工程概況

廣州某線新建車站將與已建成的車站L 型站廳通道換乘，兩線車站呈“L”形布置，新建車站位于道路交叉口，沿道路南北向布置。車站為地下3 層島式站臺車站，全長166 m，主體基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬為23.1 m，車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖深度為24.9 m，盾構(gòu)擴(kuò)大端寬度為29.0 m，基坑深度約25.1～27.0 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 m厚地下連續(xù)墻+4 道內(nèi)支撐的型式。車站采用明挖順作法施工，車站小里程為端盾構(gòu)吊出，大里程端為盾構(gòu)始發(fā)。新建車站與既有線車站的相對位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 既有車站和新建車站相對位置Fig.1 Relative Location of Existing Station and New Station

2 換乘改造方案

2.1 換乘方案設(shè)計(jì)

為了縮短換乘距離，方便換乘，新建車站端頭盡量靠近既有車站，同時(shí)需要廢除1個(gè)既有出入口，新建1 個(gè)22 m 寬的換乘通道，在既有車站負(fù)一層側(cè)墻上開4×40 m 的洞，與新建出入口合建形成換乘大廳及通道。開洞位置為圖2中云線圈出范圍。

圖2 改造范圍示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Reconstruction Sope

為保證既有線結(jié)構(gòu)及運(yùn)營安全，既有車站的側(cè)墻開洞改造需在新建換乘通道的頂板完成后才能施工，同時(shí)保持換乘通道基坑降水，保證水位在通道底板下1 m 以下。在施作換乘通道破除既有線車站墻體時(shí)，采取分段破除、及時(shí)架設(shè)豎向支撐、采取既有車站自動化監(jiān)測等措施，及時(shí)反饋數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工，可以有效地減小既有結(jié)構(gòu)的變形。

2.2 換乘改造實(shí)施工序

既有車站的側(cè)墻開洞改造在換乘通道的頂板完成后才能施工，同時(shí)保持換乘通道基坑降水，保證水位在通道底板下1 m以下。在施作換乘通道破除既有線車站墻體時(shí)，采取分段破除、及時(shí)架設(shè)豎向支撐并采取信息化監(jiān)測指導(dǎo)施工等措施，可以有效地減小既有結(jié)構(gòu)的變形。

本站改造施工順序?yàn)椋?/p>

⑴由于既有站頂板范圍為施工項(xiàng)目部場地，施工現(xiàn)場用地緊張，頂板卸土范圍受限。只能將既有車站頂板（BC 跨靠近C 軸一側(cè)約4.7 m 范圍）上覆土挖除，對其邊坡進(jìn)行噴錨支護(hù)。

⑵分段破除既有車站開洞范圍兩側(cè)部分墻體（破除頂板高度范圍內(nèi)的側(cè)墻時(shí)，需要保留車站頂板的鋼筋，以便錨入新做的頂梁），保留洞口中間部分墻體。

⑶在既有車站開洞范圍中樓板上洞口兩側(cè)邊柱位置進(jìn)行邊柱植筋。

⑷施做洞口邊墻防水，澆注邊柱和頂梁，預(yù)埋側(cè)墻鋼筋接駁器，并在既有站邊墻位置架設(shè)臨時(shí)豎撐。

⑸側(cè)墻混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，破除既有車站開洞范圍中間部分墻體。

⑹施做變形縫處防水，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除臨時(shí)支撐。

⑺待變形縫兩側(cè)懸挑板施工完畢，處理好變形縫，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后恢復(fù)車站及通道頂板覆土，封閉換乘通道底板泄水孔。

側(cè)墻分段具體情況及詳細(xì)施工步驟如圖3所示。

圖3 既有車站側(cè)墻改造施工步驟Fig.3 Construction Steps for Reconstruction of Side Wall of Existing Station

其他保護(hù)措施：

⑴破除側(cè)墻應(yīng)分段實(shí)施，同時(shí)進(jìn)行豎向臨時(shí)支頂；

⑵施工圍蔽措施：車站中板鋪設(shè)土工布，其上方鋪設(shè)PVC 防水板，土工布、PVC 防水板在靠近圍蔽板一側(cè)上翻1.0 m，這樣可以有效起到防水效果，確保破除施工過程中廢水廢渣等不會進(jìn)入既有車站內(nèi)影響車站正常運(yùn)營。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

對于既有線的改造，首先要保證既有站、區(qū)間的結(jié)構(gòu)及運(yùn)營安全。在此前提下，進(jìn)行改造的設(shè)計(jì)和施工，才是正確合理的做法。所以，本次改造計(jì)算分為4種工況進(jìn)行。①工況1：對既有站根據(jù)實(shí)際覆土厚度和超載情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算，既有站具體斷面如圖4a 所示；②工況2：對改造過程中考慮基坑開挖期間、既有站局部頂板卸土期間的結(jié)構(gòu)安全計(jì)算；③工況3：對改造過程進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，考慮側(cè)墻結(jié)構(gòu)拆除、新建梁、柱體系后的結(jié)構(gòu)安全；④工況4：改造完成覆土后，結(jié)構(gòu)永久使用狀態(tài)期間的結(jié)構(gòu)計(jì)算。

3.1 計(jì)算參數(shù)及典型斷面

既有車站現(xiàn)狀覆土厚度（3.2 m）、土層和計(jì)算參數(shù)如表1 所示。既有車站改造前典型斷面如圖4a 所示，改造后典型斷面如圖4b所示。

3.2 各工況計(jì)算

⑴工況1：取標(biāo)準(zhǔn)斷面為車站縱向1.0 m 寬度進(jìn)行計(jì)算。頂、底板及側(cè)墻用實(shí)際厚度；中柱不連續(xù)采用剛度等效的墻簡化計(jì)算（柱子截面為圓柱D=1.0 m，標(biāo)準(zhǔn)柱跨L=9.0 m），其厚度滿足：EI1/L=EI2。

表1 巖土層參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Rock and Soil

圖4 既有車站典型斷面Fig.4 Cross Section of Existing Station Structure

式中：I1、I2分別為簡化前后中柱抗彎模量。

荷載計(jì)算如表2 所示，覆土厚度3.2 m，地下水位取至地面。

工況1 下，既有站及換乘通道主要內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。

⑵工況2：卸土階段計(jì)算

工況2 下，既有站及換乘通道主要內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示。

⑶工況3：開洞階段計(jì)算

在此階段，降水至地面下1.0 m，分段破除側(cè)墻，對應(yīng)施工順序第2～第6步。

⑷工況4：正常使用階段計(jì)算

在此階段，水位考慮恢復(fù)至地面，恢復(fù)頂板覆土。對應(yīng)施工順序第7步。

工況3、工況5的主要內(nèi)力結(jié)果如表3、表4所示。

表2 荷載計(jì)算Tab.2 External Load Value

圖5 工況1基本組合彎矩Fig.5 Case 1 Bending Moment of Fundamental Combination （kN·m）

圖6 工況1基本組合剪力Fig.6 Case 1 Shear Force of Fundamental Combination （kN）

3.3 結(jié)果分析

通過以上平面矩形框架結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果可以看出，在既有車站改造過程中，在不同階段不同工況條件下，既有車站和新建結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化情況。特別是對既有結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行配筋、裂縫驗(yàn)算要選取不同工況下的最大內(nèi)力進(jìn)行驗(yàn)算，看是否滿足車站的使用要求［9，10］。

圖7 工況1基本組合彎矩Fig.7 Case 1 Bending Moment of Fundamental Combination （kN·m）

圖8 工況2基本組合剪力圖Fig.8 Case 2 Shear Force of Fundamental Combination （kN）

表3 彎矩設(shè)計(jì)值匯總Tab.3 Summary of Bending Moment Design Values

以既有車站受影響較大部位的主要內(nèi)力（彎矩、剪力）比較為例，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，在整個(gè)改造過程中，既有站的結(jié)構(gòu)內(nèi)力在不斷變化，最大值也分別出現(xiàn)在不同工況中。比如頂板支座負(fù)彎矩最大值出現(xiàn)在工況4中，頂板端頭負(fù)彎矩最大值出現(xiàn)在工況2中；負(fù)2層側(cè)墻下端剪力最大值出現(xiàn)在工況2 中，主要是因?yàn)榫植宽敯逍锻?，?dǎo)致左右兩跨荷載不平衡引起的內(nèi)力轉(zhuǎn)移。其他部位極值詳如表3、表4所示。

因此，需要利用各工況內(nèi)力最大的包絡(luò)值進(jìn)行既有車站結(jié)構(gòu)和新建換乘通道結(jié)構(gòu)的配筋驗(yàn)算和裂縫寬度復(fù)核，看是否承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求［11，12］。

表4 剪力設(shè)計(jì)值匯總Tab.4 Summary of Shear Force Design Values

4 既有車站三維建模分析

為了更好地評估改造對已建地鐵結(jié)構(gòu)的安全影響，對既有車站側(cè)墻開洞的影響進(jìn)行了三維有限元分析。主要考慮正常使用工況下的內(nèi)力、變形等是否超過規(guī)范要求［13，14］。

三維數(shù)值模擬計(jì)算分析采用MIDAS CIVIL 進(jìn)行分析，采用荷載結(jié)構(gòu)法。

4.1 計(jì)算范圍與坐標(biāo)系

選取既有地鐵車站主體結(jié)構(gòu)改造部分，模型平面尺寸為90 m×19.5 m。坐標(biāo)系以既有車站線路方向?yàn)閄軸，向東為正；沿高度方向?yàn)閆 軸，向上為正；車站橫向?yàn)閅軸，向北為正。

4.2 三維網(wǎng)格模型及參數(shù)

4.2.1 三維網(wǎng)格模型及約束條件

整個(gè)模型包括主體結(jié)構(gòu)梁、板、柱、側(cè)墻以及側(cè)墻開洞、新作柱、洞頂過梁，梁柱采用梁單元模擬，墻板采用四節(jié)點(diǎn)平面板單元模擬，如圖9所示。

圖9 既有車站改造三維模型Fig.9 3D Model of Existing Station Reconstruction

計(jì)算模型底部、側(cè)面采用彈性支承（只受壓彈簧）模擬土體，兩個(gè)端部采用相應(yīng)的法向約束。地面超載標(biāo)準(zhǔn)值：標(biāo)準(zhǔn)段頂板按20 kPa，中板均布荷載為4 kPa。

4.2.2 荷載計(jì)算

土體計(jì)算參數(shù)包括重度、抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)同前。荷載計(jì)算覆土厚度（3.2 m，地下水位取至地面）同工況1。

4.3 計(jì)算結(jié)果

全水頭基本組合下既有車站結(jié)構(gòu)的彎矩、剪力及位移結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 基本組合彎矩及剪力Fig.10 Basic Combined Bending Moment and Shear

圖11 準(zhǔn)永久組合位移等值線Fig.11 Displacement Contour of Quasi-permanent Combination （m）

根據(jù)圖10、圖11 中的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)既有站側(cè)墻開洞對車站開洞范圍的頂板、中板、側(cè)墻、底板均有不同程度的影響。特別是對開洞范圍的負(fù)2 層側(cè)墻影響較大，設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行重點(diǎn)復(fù)核驗(yàn)算。對既有側(cè)墻配筋、裂縫、撓度等分別進(jìn)行了驗(yàn)算。經(jīng)驗(yàn)算配筋、變形和裂縫，改造后的既有車站內(nèi)力及變形均滿足既有配筋及規(guī)范要求。

5 結(jié)論

本文針對廣州地鐵某換乘車站提出了合理的換乘改造設(shè)計(jì)方案，給出了完善的施工工序和施工措施，并對既有車站改造前、改造（開洞）中、改造后（運(yùn)營）等不同工況進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計(jì)算及三維有限元模擬，研究成果保證了既有線車站結(jié)構(gòu)的施工和運(yùn)營安全，新舊線路換乘通道得以順利實(shí)施，有效地指導(dǎo)了設(shè)計(jì)和施工。通過計(jì)算對比分析，得到以下結(jié)論：

⑴既有換乘站改造設(shè)計(jì)需要進(jìn)行全過程計(jì)算分析，找出最大內(nèi)力包絡(luò)圖進(jìn)行計(jì)算、驗(yàn)算。

⑵破除既有側(cè)墻方案，采用隔跨跳倉、分段破除墻體并及時(shí)架設(shè)支撐的方案，對既有結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形控制有效，能確實(shí)保證既有車站的結(jié)構(gòu)和運(yùn)營安全。