蘇卜坤，姜 燕

（1、廣州市市政工程設計研究總院有限公司 廣州510060；

2、廣東省水利水電科學研究院 廣州510610；3、廣東省巖土工程技術研究中心 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特的作用，同時地鐵建設帶動了城市地下空間的開發(fā)，隨著地鐵線網的加密建設，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墻開洞改造對既有地鐵運營造成的影響等問題不可避免。

當前，因使用需要需改變已有建筑物用途或內部布置時，需要對既有結構進行改造。對于地上的建筑結構改造、加固的工程案例和研究較多［1，2］，技術也相對較為成熟。而對于地下車站結構，由于周邊既有建筑和結構周圍土體的存在，其改造相對地上結構更為復雜，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構的改造工程進行了彈塑性分析，提出了一些計算、改造時應采取的措施；文獻［4-8］對地下車站、地鐵附屬結構及其他改造工程等進行了研究。上述研究和案例多為在較小范圍實施改造，且改造方案相對簡單。

由于地鐵建設周期長，早期線路與新建線路常出現(xiàn)不匹配的情況，同時地下工程的復雜性和高風險性導致?lián)Q乘改造工程風險大，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墻換乘方案進行了數(shù)值分析，提出了科學完善的換乘方案及改造措施，并結合施工期既有車站的自動化監(jiān)測結果驗證了方案的可靠性，對類似工程設計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，主體基坑標準段寬為23.1 m，車站標準段基坑開挖深度為24.9 m，盾構擴大端寬度為29.0 m，基坑深度約25.1～27.0 m。圍護結構采用1 m厚地下連續(xù)墻+4 道內支撐的型式。車站采用明挖順作法施工，車站小里程為端盾構吊出，大里程端為盾構始發(fā)。新建車站與既有線車站的相對位置關系如圖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 換乘方案設計

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，同時需要廢除1個既有出入口，新建1 個22 m 寬的換乘通道，在既有車站負一層側墻上開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

為保證既有線結構及運營安全，既有車站的側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，采取分段破除、及時架設豎向支撐、采取既有車站自動化監(jiān)測等措施，及時反饋數(shù)據(jù)指導施工，可以有效地減小既有結構的變形。

2.2 換乘改造實施工序

既有車站的側墻開洞改造在換乘通道的頂板完成后才能施工，同時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，采取分段破除、及時架設豎向支撐并采取信息化監(jiān)測指導施工等措施，可以有效地減小既有結構的變形。

本站改造施工順序為：

⑴由于既有站頂板范圍為施工項目部場地，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 軸一側約4.7 m 范圍）上覆土挖除，對其邊坡進行噴錨支護。

⑵分段破除既有車站開洞范圍兩側部分墻體（破除頂板高度范圍內的側墻時，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邊柱位置進行邊柱植筋。

⑷施做洞口邊墻防水，澆注邊柱和頂梁，預埋側墻鋼筋接駁器，并在既有站邊墻位置架設臨時豎撐。

⑸側墻混凝土達到設計強度后，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，待混凝土強度達到設計強度后，拆除臨時支撐。

⑺待變形縫兩側懸挑板施工完畢，處理好變形縫，待混凝土強度達到設計強度后恢復車站及通道頂板覆土，封閉換乘通道底板泄水孔。

側墻分段具體情況及詳細施工步驟如圖3所示。

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

其他保護措施：

⑴破除側墻應分段實施，同時進行豎向臨時支頂；

⑵施工圍蔽措施：車站中板鋪設土工布，其上方鋪設PVC 防水板，土工布、PVC 防水板在靠近圍蔽板一側上翻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入既有車站內影響車站正常運營。

3 結構計算分析

對于既有線的改造，首先要保證既有站、區(qū)間的結構及運營安全。在此前提下，進行改造的設計和施工，才是正確合理的做法。所以，本次改造計算分為4種工況進行。①工況1：對既有站根據(jù)實際覆土厚度和超載情況進行結構復核計算，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構安全計算；③工況3：對改造過程進行復核計算，考慮側墻結構拆除、新建梁、柱體系后的結構安全；④工況4：改造完成覆土后，結構永久使用狀態(tài)期間的結構計算。

3.1 計算參數(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 各工況計算

⑴工況1：取標準斷面為車站縱向1.0 m 寬度進行計算。頂、底板及側墻用實際厚度；中柱不連續(xù)采用剛度等效的墻簡化計算（柱子截面為圓柱D=1.0 m，標準柱跨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力計算結果如圖5、圖6所示。

⑵工況2：卸土階段計算

工況2 下，既有站及換乘通道主要內力計算結果如圖7、圖8所示。

⑶工況3：開洞階段計算

在此階段，降水至地面下1.0 m，分段破除側墻，對應施工順序第2～第6步。

⑷工況4：正常使用階段計算

在此階段，水位考慮恢復至地面，恢復頂板覆土。對應施工順序第7步。

工況3、工況5的主要內力結果如表3、表4所示。

表2 荷載計算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 結果分析

通過以上平面矩形框架結構計算結果可以看出，在既有車站改造過程中，在不同階段不同工況條件下，既有車站和新建結構的內力變化情況。特別是對既有結構需要進行配筋、裂縫驗算要選取不同工況下的最大內力進行驗算，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 彎矩設計值匯總Tab.3 Summary of Bending Moment Design Values

以既有車站受影響較大部位的主要內力（彎矩、剪力）比較為例，計算結果如表3所示。

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，在整個改造過程中，既有站的結構內力在不斷變化，最大值也分別出現(xiàn)在不同工況中。比如頂板支座負彎矩最大值出現(xiàn)在工況4中，頂板端頭負彎矩最大值出現(xiàn)在工況2中；負2層側墻下端剪力最大值出現(xiàn)在工況2 中，主要是因為局部頂板卸土，導致左右兩跨荷載不平衡引起的內力轉移。其他部位極值詳如表3、表4所示。

因此，需要利用各工況內力最大的包絡值進行既有車站結構和新建換乘通道結構的配筋驗算和裂縫寬度復核，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 剪力設計值匯總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構的安全影響，對既有車站側墻開洞的影響進行了三維有限元分析。主要考慮正常使用工況下的內力、變形等是否超過規(guī)范要求［13，14］。

三維數(shù)值模擬計算分析采用MIDAS CIVIL 進行分析，采用荷載結構法。

4.1 計算范圍與坐標系

選取既有地鐵車站主體結構改造部分，模型平面尺寸為90 m×19.5 m。坐標系以既有車站線路方向為X軸，向東為正；沿高度方向為Z 軸，向上為正；車站橫向為Y軸，向北為正。

4.2 三維網格模型及參數(shù)

4.2.1 三維網格模型及約束條件

整個模型包括主體結構梁、板、柱、側墻以及側墻開洞、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

計算模型底部、側面采用彈性支承（只受壓彈簧）模擬土體，兩個端部采用相應的法向約束。地面超載標準值：標準段頂板按20 kPa，中板均布荷載為4 kPa。

4.2.2 荷載計算

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

4.3 計算結果

全水頭基本組合下既有車站結構的彎矩、剪力及位移結果如圖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)既有站側墻開洞對車站開洞范圍的頂板、中板、側墻、底板均有不同程度的影響。特別是對開洞范圍的負2 層側墻影響較大，設計時需要進行重點復核驗算。對既有側墻配筋、裂縫、撓度等分別進行了驗算。經驗算配筋、變形和裂縫，改造后的既有車站內力及變形均滿足既有配筋及規(guī)范要求。

5 結論

本文針對廣州地鐵某換乘車站提出了合理的換乘改造設計方案，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（運營）等不同工況進行了結構計算及三維有限元模擬，研究成果保證了既有線車站結構的施工和運營安全，新舊線路換乘通道得以順利實施，有效地指導了設計和施工。通過計算對比分析，得到以下結論：

⑴既有換乘站改造設計需要進行全過程計算分析，找出最大內力包絡圖進行計算、驗算。

⑵破除既有側墻方案，采用隔跨跳倉、分段破除墻體并及時架設支撐的方案，對既有結構內力及變形控制有效，能確實保證既有車站的結構和運營安全。