鳳凰港上蓋物業對地鐵百家湖車站結構的影響分析

黃 波，陳長江

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

0 引言

隨著我國工程技術的快速發展和經濟實力的大幅提升，原來的城市公共交通已經愈加不能滿足人民群眾的生產生活需要，而地鐵作為城市的快速軌道交通形式，不僅是城市的重要交通運輸工具，還是一種規模浩大的交通性公共建筑［1］。目前，我國的地鐵建設已經到了高速發展的時期，地鐵已經成為我國很多大城市的最重要的公共交通工具，地鐵建設也從最初單一的線條形發展到了網絡化模式，這使得地鐵與周邊公共交通融為一體，真正成為一種立體式的交通網絡。文獻［1－2］總結了地鐵建設和周邊物業開發相結合的類型，包括車站內商業開發及車站上蓋物業結合周邊空間開發2個方面，并分析了國內外地鐵車站與物業開發相結合的工程實例，對地鐵建設與物業開發進行研究及探討。文獻［3］通過介紹廣州、南京、成都和深圳等城市的開發實例，總結并提出了昆明地鐵地下空間開發利用的原則和建議。文獻［4］介紹了杭州地鐵1號線文化廣場站—艮山門站明挖區間工程結合物業開發的設計方案，提出在地鐵設計中應充分考慮預留物業開發條件及對后期物業開發的技術要求和建議。

通過以上文獻可以發現，城市土地資源的稀缺給地鐵建設提出了更加嚴格的要求，所以必須充分利用軌道交通的便捷性和吸引客流的優勢，讓地鐵車站及周邊物業開發越來越有經濟價值［5－9］。地鐵建設通常優先于物業開發，所以在地鐵設計中必須充分考慮預留物業建設的前提條件，設計者就必須考慮后期物業開發給地鐵結構帶來的影響，而以上文獻均未對地鐵車站結構的受力過程進行深入研究。本文依托南京地鐵1號線百家湖站與物業相結合的項目，采用大型有限差分軟件FLAC 3D 對不同工況下上蓋結構對地鐵車站結構的影響進行分析，對該項目提出了一些施工措施和建議。

1 工程概況

百家湖站是南京地鐵1號線南延線的中間站，車站位于寧溧路與天元路交叉口以北、道路西側的鳳凰港地塊內，靠近鳳凰港中軸線，呈南北走向。擬建場地為施工區，場地平坦、空曠。

車站設計為地下2層3跨箱形結構，島式站臺，站臺寬12m，地下1層為站廳層及設備層，地下2層為站臺層。有效站臺中心里程為K11+764.256，與北端和南端區間的設計分界里程分別為K11+635.156、K11+843.756，車站總長210.2 m，如圖1所示。車站標準段結構外包尺寸為21.2 m ×13.48 m(寬 × 高)，如圖2所示。車站兩端盾構加寬段結構外包尺寸為25.2 m×13.82 m(寬 × 高)，車站近期頂部覆土 0.75 ～1.0 m。車站主體結構采用明挖順作法施工，基坑深14.494～14.834 m，圍護結構采用φ850水泥土三軸攪拌樁內插HN700×300型鋼支護。內插型鋼采用插2跳1、密插型2種方式布置，主體結構施工完成后回收型鋼，如圖3所示。目前車站已經施工完畢，各種監測數據均處于設計可控范圍內。

圖3 地鐵車站施工方法(單位:mm)Fig.3 Construction method of the Metro station(mm)

車站頂部兩端規劃為鳳凰港大型超市，超市為4層框架結構，總高19.2 m。百家湖車站與鳳凰港上蓋物業分期實施，目前鳳凰港上蓋物業還處于設計階段，尚未實施。

1.1 既有百家湖站上部預留新建工程條件

百家湖地鐵站主體結構為上蓋物業提供了以下預留條件:

1)車站立柱鋼筋甩出車站頂板頂面1 000 mm，東、西側內襯墻上與立柱同一軸線位置按立柱甩筋數量及規格預留插筋，插筋長度2 000 mm(甩出結構頂板1 000 mm)。其中4—8軸頂板已經澆筑完成，立柱鋼筋維持原設計。

2)車站頂板立柱及側墻增設立柱混凝土澆筑出回填地面，已甩筋段立柱鋼筋進行焊接接長處理，未甩筋段進行化學植筋處理，未甩筋部分實際未施工。

1.2 地鐵施工工況分析

百家湖站主體車站上部新建結構建設之前，需要將車站頂板1 m左右的覆土取走。在上部覆土卸載過程中，由于車站的豎向力學平衡被打破，會產生一定程度的上浮，而周邊的地層由于車站的上浮，也會受到不同程度的影響。車站的整體上浮和局部變形差異程度取決于抗拔樁力學特征及車站側墻摩阻力的大小，這些都需要通過三維數值模擬來進一步分析，最終確定該工況對車站及周邊地層的影響。

百家湖站卸載完成以后，將會進行上部建筑工程建設。上部建筑將荷載直接傳遞到地鐵車站的結構柱上，利用地鐵車站的結構柱承重，這將會對地鐵車站及周邊地層造成一定程度的影響，也需要進行進一步的分析。因此，百家湖站主體車站上部新建結構建設過程中，百家湖站受到最主要影響的工況為車站頂板覆土卸載工況和車站上部新建工程工況。本文就這2種工況從以下3個方面來進行分析:1)百家湖站主體車站及周邊地層力學分析;2)百家湖站主體車站梁柱板節點應力分析;3)百家湖站主體車站抗拔樁強度及變形分析。

2 上蓋物業對地鐵結構影響的數值模擬

2.1 計算模型與計算參數

采用美國Itasca公司開發的大型有限差分軟件FLAC 3D進行數值模擬分析。模型以百家湖車站為主體，考慮車站縱向跨度及結構柱大小，選擇6－6和7－7斷面，并對比上蓋商業開發工程作用在柱頂集中力大小，綜合考慮最終選擇10軸處7－7斷面進行模擬。模型考慮3～4 d(d為車站寬度)的影響范圍，并且考慮抗拔樁的作用范圍，最終選定模型橫向取151.2 m(左右各65 m)，車站底部模型深度為65 m，既有車站埋深取1 m(該埋深內的水土壓力通過施加等效面荷載模擬)。考慮到百家湖站上部新建結構通過車站主體結構柱傳力的特點，最終取模型縱向為12.8 m，即考慮1個7－7橫斷面，并縱向前后延伸6 m，考慮柱間影響。具體模型見圖4。

圖4 三維計算模型Fig.4 3D calculation model

以車站圍護結構標準斷面地質參數為建模基礎，本模型包含了9個土層，埋深分別為1.6m(①－1雜填土層)，3.7m(③ －1b1 －2 粉質黏土層)，4.1 m(③ －2 －1c2－3粉土層)，6.6 m(③ －2d2－3粉砂層)，8.5 m(③ －2－2c2－3粉土層)，5.0 m(③ －2b2－3粉質黏土層)，1.5 m(③ －4e砂礫石層)，1.6 m(K1g－1 強風化泥質粉砂巖)，45.9 m(K1g－2中風化泥質粉砂巖)。詳細土層參數見表1。車站周圍的地層采用實體單元，本構模型采用摩爾－庫倫模型進行模擬分析;車站采用實體單元，本構模型采用彈性模型進行模擬;車站與周邊地層之間采用設立接觸面模擬，以模擬實際車站與地層之間的相互作用關系。抗拔樁采用pile sel結構單元模擬，見圖5。

表1 地層參數表Table 1 Parameters of the stratum

圖5 車站與抗拔樁相對位置Fig.5 Relationship between Metro station and uplift piles

2.2 百家湖站主體車站及周邊地層力學分析

2.2.1 百家湖站車站頂板覆土卸載工況

圖6顯示了百家湖站卸載完成以后，地鐵車站及周邊地層的豎向位移值?？梢园l現車站和周邊地層均有不同程度的隆起，車站部分隆起值超過周邊地層。可以看到車站在中柱處橫斷面位置，頂板變形最大，頂板正中也就是兩結構中柱之間的最大變形有1.86 mm，中板正中最大變形1.6 mm，底板正中最大變形1.4 mm，底板軌行區最大變形1.0mm。由于抗拔樁和車站側墻處摩阻力在卸載過程中提供了不同程度的抵抗浮力的作用，車站結構的不同位置出現了不同程度的變形值，由此產生了變形差異，但最終車站最大變形差異值不超過0.4 mm，而在車站軌行區的底板位置，沉降差異值在0.2 mm以內，不影響車站的正常運營。頂梁柱板節點處的豎向位移值要小于板帶中央的豎向位移值，這是由于節點處起到了一定的約束作用引起的，而在中板及底板的相應位置，該現象并不明顯。通過圖6可以發現，在三維數值模擬中，邊墻的摩阻力在抵抗浮力的過程中提供了相當大的一部分力，由此產生了車站不同位置處變形的差異性。

圖7顯示了百家湖站卸載完成以后，地鐵車站及周邊地層的水平位移值?？梢钥吹?車站中板以上周邊一定深度的地層有遠離車站的趨勢，而車站中板以下周邊地層向車站發生了擠壓現象，車站頂板處地層的水平位移僅0.2 mm左右，對車站基本沒有影響;車站水平最大位移值出現在站廳層側墻處，也就是周邊土體位移值方向改變的位置，此處的車站側墻受到了周邊土體的擠壓，最大水平位移值不到0.1 mm。

因此，在車站卸載過程中，會產生2方面的不利影響。1)在卸載工況下，周邊地層會有不同程度的隆起，上部新建工程落于車站以外的建筑與前期車站的部分建筑應當分期修建。2)應當極力避免一次性全部卸載工況的出現，即應當采取相應的工程措施避免車站上部覆土一次性全部取走。

2.2.2 百家湖站車站頂板新建工程工況

圖8顯示了百家湖站上部新建工程完成以后，地鐵車站及周邊地層的豎向位移值，周邊地層受影響范圍為車站周邊30 m以內。可以發現車站和周邊地層發生了不同程度的沉降，車站部分沉降值超過周邊地層，周邊地層在車站附近發生的沉降變形最大。車站在中柱處橫斷面位置，頂板變形最大，頂板正中也就是兩結構中柱之間的最大變形有5.3mm左右，中板正中最大變形4.5 mm左右，底板正中最大變形3.0 mm左右，底板軌行區最大變形4.5mm左右。由于抗拔樁和車站側墻摩阻力對車站沉降產生了不同程度的約束力，車站結構的不同位置出現了不同程度的變形值，由此產生了變形差異，但最終車站最大變形差異值不超過0.37 mm，而在車站軌行區的底板位置，沉降差異值在1mm以內，不影響車站的正常運營。頂梁柱板節點處的豎向位移值要大于板帶中央的豎向位移值，這是由于節點處起到了一定的約束作用。

圖9顯示了百家湖站上部新建工程完成以后，地鐵車站及周邊地層的水平位移值?？梢钥吹?車站頂板周邊一定深度的地層有擠壓車站的趨勢，而車站中板以下周邊地層向車站發生了遠離車站的現象，車站頂板處地層的水平位移僅1.14mm左右，對車站基本沒有影響;車站水平位移最大值出現在站臺層結構中柱處，也就是車站此時的主要承力點，此處車站結構中柱受到上部荷載的擠壓，最大水平位移值不到0.4mm。

因此，在車站上部新建工程建設過程中，會產生2方面的不利影響。1)在加載工況下，周邊地層會有不同程度的沉降，上部新建工程落于車站以外的建筑與前期車站的部分建筑應當分期修建，且應設置沉降縫。2)應當力爭中柱和預留邊柱處混凝土澆筑的同步性，避免給車站結構，特別是車站軌行區底板帶來附加沉降差異值，影響車站的正常運營。

2.3 百家湖站主體車站梁柱板節點應力分析

2.3.1 百家湖站車站頂板覆土卸載工況

圖10顯示了百家湖站卸載完成以后，車站頂、中、底縱梁柱板節點處最小主應力云圖。根據FLAC 3D軟件的設定，最小主應力云圖中負值表示最大壓應力值，因此，我們需要根據節點處的最大壓應力來判斷節點處的主壓應力是否超過結構的承載力。由3個應力云圖可知，最大主壓應力為2.09 MPa，發生在站臺層中柱位置及站廳板靠近中柱一側。中柱為C50混凝土，C50混凝土的軸心抗壓強度設計值為 23.1 MPa［10］。柱截面為 0.7 m ×0.8 m。根據計算可知，最大主壓應力沒有超過中柱混凝土允許的最大壓應力(13 MPa)。站廳板為C30混凝土，根據計算可知，僅中板混凝土的壓應力允許值就超過了5 MPa，結構是安全的。

圖11顯示了百家湖站卸載完成以后，車站頂、中、底縱梁柱板節點處最大主應力云圖。根據FLAC 3D軟件的設定，最大主應力云圖中正值表示最大拉應力值，因此，我們需要根據節點處的最大拉應力來判斷節點處的主拉應力是否超過結構的承載力。由3個應力云圖可知，最大主拉應力為1.544 MPa，發生在站臺層梁柱節點處中縱梁下部。中縱梁為C30混凝土，C30混凝土的軸心抗拉強度設計值為1.43 MPa［10］。中縱梁截面為0.8m ×1.1m，中縱梁下部配筋為12φ22。根據計算可知，中縱梁下部允許的最大拉應力為2.284 MPa，因此，結構是安全的。

根據上述應力分析，百家湖車站在頂板卸載過程中，結構是安全的。

2.3.2 百家湖站車站頂板新建工程工況

圖12顯示了百家湖站頂板新建工程完成后，車站頂、中、底縱梁柱板節點處最小主應力云圖。由3個應力云圖可知，最大主壓應力為10.074 MPa，發生在站臺層中柱位置。中柱為C50混凝土，根據計算可知，最大主壓應力沒有超過中柱混凝土允許的最大壓應力(13 MPa)，結構是安全的。

圖13顯示了百家湖站上部新建結構工程完成以后，車站頂、中、底縱梁柱板節點處最大主應力云圖。由3個應力云圖可知，最大主拉應力為2.02MPa，發生在兩中柱之間底縱梁跨中上部。底縱梁為C30混凝土，中縱梁截面為1.0 m×1.6 m，底縱梁上部配筋為14φ32。根據計算可知，底縱梁上部允許的最大拉應力為5.7 MPa，因此，結構是安全的。

根據上述對車站結構梁柱板最大壓、拉應力的分析可知，車站結構在這2種荷載工況下都是安全的。

2.4 百家湖站主體車站抗拔樁強度及變形分析

百家湖站在每根中柱及兩中柱之間均設置了抗拔樁，樁徑為1.2 m，樁身為 C30混凝土，主筋為25φ25，樁底進入強風化巖層。具體樁號及位置見圖14。

圖14 抗拔樁編號Fig.14 Numbering of uplift piles

FLAC 3D采用his命令跟蹤監測樁頂處的最大變形值，以此來判斷單樁最大軸力及位移是否超過設計允許值。根據車站主體圍護結構施工圖及變更圖可知，變更后單樁抗拔承載力設計值為1 640 kN，單樁抗拔靜載試驗極限承載力標準值為2 220 kN。

2.4.1 百家湖站車站頂板覆土卸載工況

頂板覆土卸載完成后抗拔樁軸力及最大沉降如表2所示。

由表2可知，在車站頂板覆土卸載完成后，抗拔樁最大軸力僅為519.7 kN。由數值模擬計算可知，最大拉拔力僅為144.1 kN，樁頂位移向上，最大值為1.008 mm，與底縱梁變形一致。由此可知:車站結構與抗拔樁是一同受力，一同抵抗上浮力的，而結構荷載計算模型中的抗拔力是偏保守的、安全的。

表2 頂板覆土卸載完成后抗拔樁軸力及最大沉降Table 2 Axial force and maximum settlement of uplift piles

2.4.2 百家湖站車站頂板新建工程工況

頂板新建工程抗拔樁軸力及最大沉降如表3所示。

表3 頂板新建工程完成后抗拔樁軸力及最大沉降Table 3 Axial force and maximum settlement of uplift piles

由表3可知，在車站頂板上部新建工程完成后，抗拔樁最大軸力為1 435 kN，由數值模擬計算可知，最大拉拔力為0，此時抗拔樁體現為承受上部荷載，樁頂位移向下，最大值為3.253 mm，與底縱梁變形一致。由此可知:車站結構中柱將上部荷載傳遞到了抗拔樁上，由抗拔樁來承受一定的上部荷載，而結構荷載計算模型中的承載力是偏保守的、安全的。

由上述分析可以看出:不論是卸載過程還是加載過程，柱下抗拔樁及底縱梁跨中以下抗拔樁均參與了受力，其對車站抵抗上浮及承受上部加載均起到了重要作用，且是安全的。

3 結論與建議

綜上所述，不論是卸載過程還是加載過程，在采取相應工程措施的前提下，上部新建結構通過中柱及預留邊柱來進行傳力，對地鐵車站及上部新建結構來說是安全可靠的。

對于在百家湖站上部新建結構建設過程中產生的一系列卸載及加載工況，建議建設方采取有效的工程措施，確保地鐵車站及上部新建結構的安全。

1)與車站施工圖比對，核實柱子尺寸等預留條件，檢查柱頂鋼筋是否預留、銹蝕等情況，如不滿足要求需采取相應措施。

2)加強監測，確保地鐵車站結構的使用安全，不影響其正常運營。

3)應當采取跳槽開挖、分段施工。根據監測數據在必要時進行頂板反壓，確保卸載過程中車站結構的安全及列車的正常運行。

4)建議施工順序為:先車站外地下室，再車站部分上部結構，最后車站外上部結構，且兩結構主體之間應設置沉降縫(或者采取其他有效措施)，避免相互影響。

5)應當采取工程措施保證中柱和預留邊柱處混凝土澆筑的同步性，避免給車站結構特別是車站軌行區底板帶來附加的沉降差異，影響車站的正常運營。

國內對于上蓋物業與地鐵關系的文獻均未對地鐵車站結構的受力過程進行深入的研究。本文對于此方向的研究亦處于初步階段，尚需后期上蓋物業實施過程中對車站監測資料的進一步驗證。建議下一步配合施工單位對地鐵車站及周邊地層進行細致詳實的監測，以達到深入研究本課題的目的。

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