地鐵換乘節(jié)點(diǎn)側(cè)墻改造及對(duì)既有結(jié)構(gòu)影響分析

徐建國(guó)

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司 廣州510040）

隨著城市規(guī)模的快速發(fā)展，修建地鐵緩解交通壓力成為一種重要手段。由于車(chē)站的規(guī)模及地鐵線(xiàn)路等因素的影響，車(chē)站往往存在已完工部分及在建部分，車(chē)站在建部分施工對(duì)已完工部分的穩(wěn)定性影響不容忽視。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬等方法，研究車(chē)站在建施工對(duì)已完工部分結(jié)構(gòu)的影響。

在現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析方面，劉美麟等人［1］基于天津地鐵下瓦房站的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析車(chē)站施工對(duì)基坑周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)及車(chē)站的變形規(guī)律；Tan［2-3］等人選取6 座車(chē)站的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析基坑開(kāi)挖對(duì)既有車(chē)站和周邊建筑的影響，并優(yōu)化開(kāi)挖方案，有效地控制沉降。徐中華等人［4］為研究地連墻與基坑深度之間的關(guān)系，對(duì)上海地區(qū)深基坑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

數(shù)值模擬方面，梁曉亮等人［5］采用ABAQUS 有限元分析軟件，根據(jù)深圳地鐵石夏站工程，分析不同施工方式條件下?lián)Q乘節(jié)點(diǎn)施工對(duì)車(chē)站結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的影響規(guī)律；鄧治鋼等人［6］以上海地鐵大連路為背景，采用ANSYS有限元分析軟件研究對(duì)稱(chēng)施工和非對(duì)稱(chēng)施工拆除地連墻對(duì)車(chē)站結(jié)構(gòu)的影響，并提出分層、分塊、對(duì)稱(chēng)的施工原則；鄧旭等人［7］建立三維基坑模型模擬基坑開(kāi)挖對(duì)連續(xù)墻及既有站體的影響，并指出需有針對(duì)性的加強(qiáng)支護(hù)體系剛度；杜志濤等人［8］根據(jù)成都地鐵倪家橋站工程，通過(guò)數(shù)值模擬分析車(chē)站側(cè)墻破除過(guò)程中既有結(jié)構(gòu)內(nèi)力及沉降的變化規(guī)律；安東輝等人［9］建立廣州地鐵華師站三維模型，分析車(chē)站側(cè)墻改造對(duì)車(chē)站結(jié)構(gòu)原有主梁、頂板及側(cè)墻的影響；楊德春等人［10］通過(guò)有限元模擬對(duì)車(chē)站結(jié)構(gòu)安全評(píng)估，為蘇州地鐵金雞湖西站主體結(jié)構(gòu)改造施工提供安全施工措施；楊永華等人［11］對(duì)南寧地鐵那洪立交站不同連續(xù)墻拆除方案進(jìn)行有限元模擬分析，研究不同工況下車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的變形和位移變化規(guī)律。

已有的工程案例對(duì)地鐵車(chē)站改造施工技術(shù)具有重要的指導(dǎo)作用，但對(duì)于大型、多層、多線(xiàn)換乘車(chē)站側(cè)墻拆除施工的案例較少。本文以廣州某地鐵站為背景，研究車(chē)站換乘節(jié)點(diǎn)處側(cè)墻拆除技術(shù)，并用有限元軟件模擬車(chē)站換乘節(jié)點(diǎn)處連續(xù)墻拆除對(duì)車(chē)站結(jié)構(gòu)板、框架梁及Y 型柱的影響，根據(jù)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及有限元模擬結(jié)果，為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 車(chē)站側(cè)墻墻破除方案

1.1 工程概況

廣州某地鐵站是廣州市軌道交通8 號(hào)線(xiàn)、11號(hào)線(xiàn)與13號(hào)線(xiàn)的重要樞紐換乘站，車(chē)站尺寸357.6 m×51.4 m×27 m（長(zhǎng)×寬×高），換乘節(jié)點(diǎn)處尺寸37.25 m×51.4 m×30.3 m（長(zhǎng)×寬×高）。車(chē)站為一島兩側(cè)對(duì)雙島四線(xiàn)的T 字換乘車(chē)站。8 號(hào)線(xiàn)與11 號(hào)線(xiàn)主體結(jié)構(gòu)相連，8 號(hào)線(xiàn)已建成通車(chē)，車(chē)站公共區(qū)采用Y 型柱，車(chē)站橫向跨度12.8 m，縱向跨度18.0 m。車(chē)站主體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 車(chē)站主體結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Main Structure Model of Station

1.2 既有側(cè)墻的破除方案

車(chē)站結(jié)構(gòu)板、框架梁、Y 型柱需與已完工換乘節(jié)點(diǎn)相連，站臺(tái)層與站廳層需連通使用。故要破除換乘節(jié)點(diǎn)東西兩側(cè)已完工的地下連續(xù)墻及結(jié)構(gòu)側(cè)墻。側(cè)墻破除位置如圖2所示。

圖2 側(cè)墻破除位置Fig.2 The Side Wall Breaking Position

由于地鐵8 號(hào)線(xiàn)已經(jīng)建成通車(chē)，因此本次施工除需保證車(chē)站結(jié)構(gòu)安全施工外，還需保證8 號(hào)線(xiàn)的運(yùn)營(yíng)安全，本次施工主要存在以下幾個(gè)施工風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)：

⑴換乘節(jié)點(diǎn)側(cè)墻處未預(yù)留接口梁柱體系，側(cè)墻拆除之后造成車(chē)站縱梁懸挑18 m，整個(gè)換乘節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于地下4 層的深度，懸挑縱梁受力較大。這是本次工程最大的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

⑵公共區(qū)采用Y 柱支撐，柱位緊貼換乘節(jié)點(diǎn)臨時(shí)側(cè)墻，在接口處無(wú)法第一時(shí)間建立框架受力體系，側(cè)墻破除后整個(gè)結(jié)構(gòu)中板為懸挑狀態(tài)。

⑶換乘節(jié)點(diǎn)處埋深達(dá)31.8 m，寬51.4 m，需破除的單面?zhèn)葔γ娣e為1 274.1 m2，厚1 m（側(cè)墻總破除量：2 548.2 m3）。側(cè)墻破除后吊運(yùn)難度大。

結(jié)合本工程特點(diǎn)和場(chǎng)地條件，綜合考慮工程中存在的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并遵循盡可能減少擾動(dòng)原有結(jié)構(gòu)的施工原則，本次采用由下至上、分部分塊的施工工藝循環(huán)破除原有側(cè)墻。

側(cè)墻拆除的具體工法分成3步：①第一步，將-3層側(cè)墻拆除，為保證車(chē)站結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保留跨中局部2 m 墻體作為支撐結(jié)構(gòu)；②第二步，在-3 層懸挑縱梁位置架設(shè)臨時(shí)支撐，對(duì)負(fù)3 層結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工；③第三步，待-3 層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后拆除-2 層側(cè)墻，并以此循環(huán)施工，直至側(cè)墻全部拆除。在側(cè)墻拆除并穩(wěn)定后，拆除支撐側(cè)墻。側(cè)墻拆除施工示意圖如圖3所示。

圖3 側(cè)墻拆除施工示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Side Wall Removal Construction

2 數(shù)值模擬分析

使用有限元軟件建立該地鐵站主體結(jié)構(gòu)模型，模擬側(cè)墻拆除對(duì)結(jié)構(gòu)板、東西端墻和Y型柱的影響。

2.1 計(jì)算模型和計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型采用三維整體計(jì)算模型，計(jì)算軟件采用Midas進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，水土壓力均轉(zhuǎn)化成靜力作用在主體結(jié)構(gòu)上。主體結(jié)構(gòu)墻、板采用二維板單元模擬，梁、柱采用一維梁?jiǎn)卧M，地層采用受壓曲面彈簧模擬。車(chē)站三維有限元模型如圖4所示。

圖4 車(chē)站三維有限元模型Fig.4 Three-dimensional Finite Element Model of the Station

建立三維模型后，建立換乘節(jié)點(diǎn)處側(cè)墻和支撐結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。換乘節(jié)點(diǎn)處Y 柱的V 叉頂端與頂板交接，V 叉底端位于負(fù)1 層板，支撐柱與-3 層板相連。V 叉平行于X軸分布，換乘節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)沿Y 軸方向分布3根Y型柱。

圖5 換乘節(jié)點(diǎn)處側(cè)墻和支撐結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Model of the Side Wall and Supporting Structure at the Transfer Node

建立完成后定義施工階段，根據(jù)施工步驟，依次拆除支撐和建立附屬結(jié)構(gòu)。拆除側(cè)墻的施工順序?yàn)椋翰鸪髠?cè)-3層側(cè)墻（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為Z3）?拆除右側(cè)第3層側(cè)墻（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為Y3）?拆除左側(cè)第2層側(cè)墻（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為Z2）?拆除右側(cè)第2層側(cè)墻（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為Y2）?拆除左側(cè)第1層側(cè)墻（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為Z1）?拆除右側(cè)第1層側(cè)墻（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為Y1）。由于施工最大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)為側(cè)墻拆除過(guò)程中結(jié)構(gòu)板、Y 型柱及東西端墻變形過(guò)大發(fā)生破壞，且最大風(fēng)險(xiǎn)為縱向位移（Z方向，向上為正），因此選擇此施工步驟的側(cè)墻拆除過(guò)程縱向位移的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2 結(jié)構(gòu)板縱向位移分析

在側(cè)墻拆除施工過(guò)程中，由于承重結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)板發(fā)生不均勻沉降或拱起。不同位置的結(jié)構(gòu)板發(fā)生的變形各異。本次工程主要考慮換乘節(jié)點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)受力情況，因此選擇換乘節(jié)點(diǎn)處的頂板、-1層板、-2層板及-3層板的縱向位移進(jìn)行分析。

結(jié)構(gòu)頂板處的縱向位移云圖如圖6 所示。由圖6可以看出，當(dāng)?shù)?層側(cè)墻拆除時(shí)，此時(shí)支撐結(jié)構(gòu)較為完整，頂板由于受重力的作用，位移以下沉為主。最大沉降區(qū)域位于頂板的左下方區(qū)域，最大沉降6.70 mm，根據(jù)文獻(xiàn)［12-13］要求，結(jié)構(gòu)安全。隨著拆除過(guò)程的進(jìn)行，最大沉降點(diǎn)處的沉降值呈減小的趨勢(shì)，但是沉降區(qū)域面積逐步擴(kuò)大。從開(kāi)始拆除-3 層側(cè)墻至側(cè)墻拆除完成，縱向位移較大處區(qū)域（左下方區(qū)域）由以沉降為主逐漸轉(zhuǎn)化為以拱起為主，沉降處主要位于Y型柱的V叉與頂板相交位置。整個(gè)拆除過(guò)程縱向位移變化量均在±8 mm 以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足文獻(xiàn)［12-13］關(guān)于車(chē)站結(jié)構(gòu)累計(jì)位移控制值為10 mm以?xún)?nèi)的要求。

圖6 車(chē)站頂板縱向位移云圖Fig.6 Cloud Diagram of Longitudinal Displacement of Station Roof

當(dāng)支撐拆除時(shí)，由于承重結(jié)構(gòu)的改變，Y 型柱下沉，由于頂板具有多個(gè)支撐點(diǎn)及支撐方式，因此縱向沉降量較Y 型柱小，使得Y 型柱的V 叉與頂板交接區(qū)域受拉，導(dǎo)致此部分發(fā)生沉降。頂板內(nèi)由于鋼筋混凝土的作用，使得受拉區(qū)域周?chē)捌?。?dāng)拆除-3 層時(shí)，-2 層及-1 層側(cè)墻對(duì)頂板的支撐作用還較為明顯，因此整體位移形變較小，當(dāng)側(cè)墻全部拆除時(shí)，只剩支撐柱的作用，支撐面積減小，導(dǎo)致不均勻變化量增加。因此施工時(shí)應(yīng)格外注意頂板V 叉周?chē)奈灰票O(jiān)測(cè)，若出現(xiàn)異常及時(shí)架設(shè)支撐。

3 施工方案

3.1 拆除工藝

側(cè)墻破除使用水鉆引孔+繩鋸分段切割方式進(jìn)行破除，破除前將支撐墻界線(xiàn)測(cè)量放樣，而后將切割高度＞6 m 的側(cè)墻按2.5 m×1.0 m 單節(jié)進(jìn)行劃分，切割高度≤6 m的側(cè)墻按3.3 m×1.0 m單節(jié)進(jìn)行劃分。

3.2 單元分段拆除

在側(cè)墻拆除過(guò)程中遵循從上到下，從左至右的拆除原則分塊，繩鋸切割為保證不卡繩，先切割底邊，其次切割左右兩邊，最后切割頂邊。切割作業(yè)時(shí)，設(shè)置警示隔離帶，暫停周邊其他施工作業(yè)，單面墻使用單臺(tái)繩鋸切割，不與其他繩鋸交叉施工。

因側(cè)墻頂排混凝土塊拆除時(shí)，上方無(wú)吊裝作業(yè)空間，因此頂排混凝土塊拆除時(shí)，需使用水鉆引上下兩排吊裝孔，同時(shí)，將頂層混凝土塊切割面優(yōu)化為梯形截面，便于從側(cè)墻中脫出。如圖7所示。

圖7 首塊側(cè)墻切割示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Cutting the First Side Wall

當(dāng)混凝土塊四周切割完成之后，通過(guò)人工使用鋼楔子小型千斤頂水平頂出，吊機(jī)配合豎向穩(wěn)定，當(dāng)具備起吊條件時(shí)，對(duì)混凝土塊進(jìn)行吊出。

4 結(jié)論與建議

本文通過(guò)結(jié)合廣州某地鐵站換乘節(jié)點(diǎn)處側(cè)墻改造工程，提出了多塊、分部施工的側(cè)墻拆除方案，并結(jié)合Midas有限元軟件對(duì)車(chē)站建模分析，得出以下結(jié)論：

⑴車(chē)站側(cè)墻改造過(guò)程中最大的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的頂板位置，且隨著拆除的進(jìn)行，頂板位置的縱向變形情況由以沉降為主逐步演化為Y 型柱交接區(qū)域沉降，周?chē)鷧^(qū)域局部拱起，但位移均小于8 mm，滿(mǎn)足文獻(xiàn)［12-13］的要求。因此在施工時(shí)應(yīng)對(duì)頂板Y 柱周?chē)咏?、加固處理，確保結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

⑵車(chē)站的Y 柱是換乘節(jié)點(diǎn)的主要支撐形式，但是不同位置的Y 型柱的內(nèi)力存在較大差異。扭矩與彎矩在Y 型柱的V 叉部分較大，且第一根柱所受內(nèi)力最大，因此拆除過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這根柱的施工監(jiān)測(cè)，必要時(shí)進(jìn)行加固處理。

⑶側(cè)墻破除使用水鉆引孔+繩鋸分段切割方式進(jìn)行破除，在側(cè)墻拆除過(guò)程中遵循從上到下，從左至右的拆除原則分塊。