丁倉

中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 100000

近年來，我國城市人口持續(xù)增加，地面交通系統(tǒng)擁堵問題暴露出來，城市軌道交通具有著運(yùn)能大，綠色環(huán)保，高效安全優(yōu)勢，得以快速發(fā)展，線網(wǎng)不斷加密，成網(wǎng)狀發(fā)展，線網(wǎng)交叉點(diǎn)越來越多，為滿足城市軌道交通網(wǎng)格化的要求，線網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處新舊地鐵預(yù)留換乘節(jié)點(diǎn)及設(shè)置換乘通道實(shí)現(xiàn)多條地鐵線路的聯(lián)通，是城市軌道交通線網(wǎng)及車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)[1]，既有線路由于建設(shè)較早，前期線網(wǎng)規(guī)劃難以考慮周全，較多車站未預(yù)留換乘條件，將大大制約了地鐵車站運(yùn)能，地鐵車站設(shè)計(jì)中需要綜合各方因素研究合適方案。王麗華等通過對多種地鐵換乘模式的優(yōu)缺點(diǎn)分析，總結(jié)了地鐵車站不同換乘模式的適用條件。余海以西安地鐵開遠(yuǎn)門站為例，通過客流模擬論證分析換乘形式的可行性。

本文通過對既有青島地鐵2號線石老人浴場站周邊環(huán)境及運(yùn)營條件分析，利用BIM技術(shù)、客流仿真模擬及有限元方法，分析換乘方式的優(yōu)缺點(diǎn)及對既有線結(jié)構(gòu)改造的影響，比較選定科學(xué)可行的換乘方案。

1 研究背景

新建青島地鐵5號線線網(wǎng)成“C”型，是連接青島主城區(qū)的城市軌道交通骨干線路，與1、2、3、4、7、8、11、15號線等8條線路相交，是青島軌道交通線網(wǎng)閉網(wǎng)成環(huán)的一條重要線路。5號線建設(shè)將極大帶動多個(gè)城區(qū)的建設(shè)發(fā)展，并可緩解城市交通系統(tǒng)擁堵情況，帶動和引導(dǎo)城市空間結(jié)構(gòu)調(diào)整，推動城市總體規(guī)劃實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。

新建5號線石老人浴場站是青島三期批復(fù)后實(shí)施的車站，與既有2號線石老人浴場換乘，由于上版線網(wǎng)規(guī)劃并未考慮該站換乘需求，既有石老人浴場站按照標(biāo)準(zhǔn)地下兩層12.5m島式站臺車站設(shè)計(jì)，未預(yù)留遠(yuǎn)期換乘接口。車站位于香港東路與海爾路交叉口、沿香港東路側(cè)呈一字形布置，結(jié)構(gòu)類型為兩層三跨箱型框架。

2 工程概況

青島市地鐵5號線石老人浴場站為5號線第26座車站，車站位于海爾路與香港東路交叉口北側(cè)綠化帶內(nèi)，沿海爾路方向呈西北至東南向布置。海爾路道路紅線寬50m，雙向10車道，香港東路紅線寬32m，雙向8車道，南側(cè)為既有2號線石老人浴場站。新建石老人浴場站為13m島式站臺車站，地下三層單柱雙跨矩形框架結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)段寬為22.1m，底板埋深約29.0～30.0m，車站長度179.4m。車站共設(shè)2個(gè)出入口。

圖1 車站總平面圖

既有站距離石老人海水浴場海岸線約300m。場區(qū)地勢平坦，地面高程7.2～8.5m。場地地貌類型為構(gòu)造～剝蝕地貌和濱海堆積地貌。第四系主要為人工填土層、全新統(tǒng)海相沉積層及上更新統(tǒng)沖洪積層，基巖為燕山晚期花崗巖，巖體局部節(jié)理、裂隙密集發(fā)育，局部侵入煌斑巖巖脈，受次生構(gòu)造影響。地下水類型主要為第四系孔隙水及基巖裂隙水，第四系孔隙水又分為上層滯水、潛水和承壓水，場區(qū)涌水量Q= 338 m3/d，地下水與海水有一定水力聯(lián)系[2]。

3 換乘方案研究

基于2號線石老人浴場站為端廳及雙柱三跨結(jié)構(gòu)條件，研究對其端廳側(cè)墻及站臺底板進(jìn)行改造與新建5號線石老人浴場站實(shí)現(xiàn)通道連接。提出既有站端廳側(cè)墻改造的廳-廳雙通道換乘及既有站東廳側(cè)墻及站臺底板改造的臺-臺換乘通道及廳-廳雙通道換乘兩種換乘方案。

方案一（臺-廳、廳-廳雙通道換乘）： 東廳換乘通道：既有站東廳設(shè)置79m通道連接5號線車站站廳層。通道下穿香港東路采用頂管法施工，改造2號線站廳側(cè)墻段采用明挖法施工。西廳換乘通道：5號線站臺層站內(nèi)提升至設(shè)備層轉(zhuǎn)換后，由端部側(cè)墻引出132m暗挖通道至2號線側(cè)墻，再由明挖施工的提升段與2號線西側(cè)站廳層相接。

圖2 方案一換乘方案

既有站側(cè)墻改造，位于香港路上，明挖施工需圍擋共計(jì)2800m2，占用4車道，需按照“占一還一”進(jìn)行交通調(diào)流。需對35KV供電砼管溝1.8m×1.8m、鑄鐵DN800給水管、PE DN200中壓燃?xì)夤堋?根鋼DN426熱力管等管線進(jìn)行墻改。換乘通道施工總工期20個(gè)月。工程總投資約5811萬。

方案二（廳-廳、臺-臺雙通道換乘）：東廳換乘通道：既有站東廳設(shè)置79m通道連接5號線車站站廳層。通道下穿香港東路采用頂管法施工，改造2號線站廳側(cè)墻段采用明挖法施工[3]。

臺-臺換乘通道：5號線車站站臺層通過站端樓扶梯提升至設(shè)備層，并設(shè)置113m暗挖通道至2號線車站底板下，改造2號線車站底板、站臺板，采用樓梯與暗挖通道連接，實(shí)現(xiàn)付費(fèi)區(qū)換乘。2號線站臺下?lián)Q乘通道梯段寬度4.5m。 底板改造長度11m。

圖3 方案二換乘方案

圖4 既有線底板改造地質(zhì)圖

既有站側(cè)墻改造，位于香港路上，明挖施工需圍擋共計(jì)1320m2，占用4車道，需按照“占一還一”進(jìn)行交通調(diào)流。需對35KV供電砼管溝1.8m×1.8m、鑄鐵DN800給水管、2根鋼DN426熱力管等管線進(jìn)行墻改。換乘通道施工總工期20個(gè)月。工程總投資約4480萬。

4 客流模擬分析

石老人浴場站位于嶗山石老人浴場風(fēng)景區(qū)內(nèi)，旅游季客流量較大，設(shè)計(jì)考慮短期大客流影響，通過客流仿真模擬手段分析換乘方案能否抵抗短時(shí)大客流沖擊。

表1 早高峰客流參數(shù)表

表2 換乘客流

客流（初期）為：（4211+259+334+4125）×1.33=11876（人/小時(shí)）

客流（近期）為：（3009+1662+1031+2897）×1.33=11437（人/小時(shí)）

客流（遠(yuǎn)期）為：（3657+2003+1262+3562）×1.33=13944（人/小時(shí)）

本站設(shè)計(jì)客流為遠(yuǎn)期時(shí)段：13944（人/小時(shí)）

車站遠(yuǎn)期早高峰換乘客流量為：（3563+2824）×1.33=8495（人/小時(shí)）

車站的設(shè)計(jì)換乘客流量占總客流量的：8495/13944=61%

圖5 方案一站廳層客流密度分布

圖6 方案一站臺層客流密度分布

經(jīng)過客流模擬分析：雙通道換乘方案早高峰、超高峰時(shí)段（15min）站廳和站臺層大部分區(qū)域處于較為舒適等級（A～C級），能抵抗短時(shí)大客流沖擊，沒有出現(xiàn)大面積擁堵（紅色），同時(shí)保持較高的空間利用率。

圖7 方案二站臺層客流密度分布

經(jīng)客流模擬分析：1）車站客流組織流線基本順暢，乘客在車站內(nèi)正常集散，車站樓扶梯作為客流合流、分流的重要節(jié)點(diǎn)，客流聚集情況較少，其中5換2換乘量較大，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況做好疏導(dǎo)預(yù)案，避免形成瓶頸。2）兩站L型臺臺通道換乘關(guān)系5號線站體乘客平均進(jìn)站時(shí)間為 2.28min，出站乘客平均出站時(shí)間約為 2.17min。2號線站體乘客平均進(jìn)站時(shí)間為2.8 min；出站乘客平均出站時(shí)間約為 2.91min。5換2平均走行時(shí)間為2.1min，2換5平均走行時(shí)間為3.61min。換乘通道服務(wù)水平為A級，功能優(yōu)良。3）車站主要設(shè)施承載度數(shù)值均小于1，按目前所提供的客流數(shù)據(jù)，因客流量引起事故的可能性較小。綜上，本站空間布局及設(shè)施整體能力滿足需求[4]。

5 有限元計(jì)算分析

地層結(jié)構(gòu)法計(jì)算采用Midas GTS（NX 2017 R1）有限元分析軟件建模分析，根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告中車站范圍巖土的物理力學(xué)性質(zhì)，在有限元計(jì)算當(dāng)中采用了理想彈塑性材料。模擬計(jì)算模型尺寸選取，兩側(cè)取車站跨度三倍寬度，底部也取三倍車站跨度寬度。

利用莫爾-庫侖土體模型。模擬計(jì)算時(shí)，采用實(shí)體單位，約束條件兩側(cè)限制水平移動，豎向限制水平和豎向兩個(gè)方向?？紤]初始地應(yīng)力平衡，忽略構(gòu)造應(yīng)力。通道開挖及既有站底板改造過程通過軟件提供的“鈍化”來實(shí)現(xiàn)。

計(jì)算簡圖：

圖8 有限元模型網(wǎng)格

圖9 水平位移云圖

圖10 豎向位移云圖

模擬按照時(shí)機(jī)開挖工況進(jìn)行，既有線底板位于中、微風(fēng)化巖層，底板下進(jìn)行放坡開挖，坡率為0.1，側(cè)壁進(jìn)行噴混，下部巖體開挖完成進(jìn)行分段破除既有站底板。

模擬結(jié)果揭示，既有站底板最大沉降1.17mm，軌道變形限制為3mm，滿足控制保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。既有線站臺改造方案可行，風(fēng)險(xiǎn)可控。

6 結(jié)論與建議

利用構(gòu)建有限元模型對站臺改造分析，變形滿足控制要求，風(fēng)險(xiǎn)相對可控；客流仿真模擬揭示臺-臺換乘優(yōu)勢，但換乘樓梯范圍側(cè)站臺寬度受限，且樓扶梯為倒八字布置，抵抗大客流沖擊能力較弱。通過對車站換乘通道研究，可以得到如下結(jié)論，方案一（廳-廳雙通道換乘）方案在接口處采用明挖施工，施工風(fēng)險(xiǎn)較小，占路范圍較長，管遷改范圍較大，對周邊環(huán)境影響相對較大，換乘通道長度較長，工程投資較高，方案二（廳-廳、廳-臺雙通道換乘）方案占路及管線遷改范圍較小，工程投資相對較小，但站臺改造對運(yùn)營短期影響較大。從經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合考量，方案二更優(yōu)。建議后期車站線網(wǎng)規(guī)劃中，提前考慮遠(yuǎn)期客流，進(jìn)行提前預(yù)留換乘條件。