既有地鐵車站側(cè)墻開洞改造設(shè)計(jì)方案

王 斌

(安徽省綜合交通研究院股份有限公司，230001，合肥∥高級工程師)

隨著各大城市中軌道交通線路的不斷增加，換乘車站的數(shù)量也逐漸增多。但由于城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃調(diào)整等原因，一些前期未預(yù)留換乘條件的地鐵車站需調(diào)整為換乘車站。為滿足換乘功能，不可避免地需要對既有地鐵車站側(cè)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行開洞改造[1]。側(cè)墻開洞改造設(shè)計(jì)方案尤為重要，其關(guān)系到既有地鐵車站結(jié)構(gòu)安全及運(yùn)營安全。本文以合肥軌道交通1號線(以下簡稱“1號線”)云谷路站既有車站側(cè)墻改造為例，提出一種一次性鑿除單個(gè)開洞的側(cè)墻改造方案，并采用三維有限元軟件計(jì)算驗(yàn)證所提方案的可行性，可為類似工程提供參考與借鑒。

1 工程概況

1號線云谷路站位于廬州大道與云谷路交叉口，沿廬州大道南北向布置，為地下兩層雙柱三跨島式站臺車站。當(dāng)初1號線建設(shè)時(shí)，云谷路站為非換乘車站，后期由于城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的調(diào)整，將云谷路站調(diào)整為1號線與合肥軌道交通5號線(以下簡稱“5號線”)的換乘車站。5號線車站為地下三層雙柱三跨島式站臺車站，垂直于1號線沿云谷路東西向布置。云谷路站車站總平面圖如圖1所示。5號線與1號線采用站廳層換乘方式，兩車站之間通過換乘廳進(jìn)行連通。由于1號線車站實(shí)施時(shí)未預(yù)留換乘條件，所以5號線施工時(shí)需在既有1號線側(cè)墻上進(jìn)行開洞改造，以實(shí)現(xiàn)兩條線路的換乘功能。

圖1 云谷路站車站總平面圖Fig.1 General plan of Yungu Road Station

2 側(cè)墻改造方案研究

2.1 側(cè)墻開洞改造范圍

新建換乘廳采用明挖順作法施工，擬在換乘廳側(cè)墻施工時(shí)進(jìn)行既有車站側(cè)墻改造。從建筑功能及視覺效果角度考慮，側(cè)墻宜連續(xù)開洞、開大洞；從對既有車站結(jié)構(gòu)安全及運(yùn)營安全角度考慮，既有側(cè)墻宜少開洞、開小洞，故側(cè)墻改造范圍需根據(jù)本站具體情況，結(jié)合建筑功能、結(jié)構(gòu)安全等因素綜合確定。

首先，改造時(shí)應(yīng)充分利用既有車站的有利條件進(jìn)行施工。由于既有車站西側(cè)墻已預(yù)留了一個(gè)寬為5 m的出入口門洞，本次側(cè)墻改造工程可直接利用其作為非付費(fèi)區(qū)通道。其次，根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，開洞改造應(yīng)滿足既有車站結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)計(jì)算和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。側(cè)墻開洞會降低側(cè)墻剛度，進(jìn)而引起既有車站結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力重分布，且側(cè)墻剛度降低越多，結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力重分布的變化幅度越大。因此，若采用連續(xù)大開洞方案會導(dǎo)致側(cè)墻局部剛度削弱過多，對既有車站的結(jié)構(gòu)受力和變形影響過大，進(jìn)而影響既有車站的結(jié)構(gòu)安全及運(yùn)營安全。為降低對既有車站的影響程度，改造設(shè)計(jì)中考慮分散側(cè)墻開洞的方案，即在側(cè)墻開洞總寬度不變的條件下，采取控制單個(gè)開洞寬度、增大各開洞之間的間距等措施，在相鄰兩開洞之間保留一定寬度的既有側(cè)墻。側(cè)墻開洞平面布置圖如圖2所示。該方案既可滿足車站建筑功能，又可降低對既有車站結(jié)構(gòu)受力和變形的影響程度。

圖2 側(cè)墻開洞平面布置圖Fig.2 Floor plan of side wall openings

在高度方向上，側(cè)墻開洞的凈高需要3.35 m，1號線車站主體結(jié)構(gòu)凈高為4.85 m，新建工程一般利用結(jié)構(gòu)高差設(shè)置孔邊加強(qiáng)梁，如圖3 a)所示。本次側(cè)墻改造工程中，若設(shè)置此種孔邊加強(qiáng)梁，需先鑿除孔洞上方側(cè)墻及板墻相交處的頂板結(jié)構(gòu)，對既有車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形影響較大。為降低對既有車站的影響，改造過程中考慮保留頂板與側(cè)墻腋角以上結(jié)構(gòu)，將側(cè)墻鑿除至腋角底部，再在腋角下及換乘廳內(nèi)設(shè)置L型加強(qiáng)梁，如圖3 b)所示。

圖3 側(cè)墻孔洞上部加強(qiáng)梁做法Fig.3 Construction of side wall opening with upper reinforced beam

2.2 側(cè)墻開洞改造工序

由圖2可知，換乘廳范圍內(nèi)1號線側(cè)墻共有5個(gè)開洞，其中1個(gè)為1號線車站建設(shè)時(shí)已預(yù)留門洞，其余4個(gè)為本次新增開洞。為降低對既有車站的影響，新增4個(gè)開洞應(yīng)逐個(gè)打開，且相鄰開洞應(yīng)跳開施工，先行開洞的后澆梁柱框架達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，方可進(jìn)行下一開洞施工，依據(jù)此思路確定的開洞順序?yàn)椋洪_洞2—開洞4—開洞1—開洞3。

就單個(gè)開洞而言，既有地鐵車站側(cè)墻按照“化整為零、隨挖隨支”的原則進(jìn)行改造[2-3]，分塊鑿除單個(gè)開洞范圍內(nèi)既有側(cè)墻并分段澆筑框架梁柱。此方案的優(yōu)點(diǎn)為單次鑿除側(cè)墻結(jié)構(gòu)尺寸較小，對既有車站影響相對較小，但同時(shí)存在框架梁施工縫多、鋼筋接頭多、施工難度相對較大等缺點(diǎn)。經(jīng)比選和分析研究，本次改造設(shè)計(jì)中提出一種既有地鐵車站側(cè)墻一次性鑿除單個(gè)開洞、施工后澆筑框架的開洞改造方案，單個(gè)開洞主要施工工序?yàn)椋孩?既有車站站廳層局部臨時(shí)圍擋，并在靠近側(cè)墻改造位置架設(shè)臨時(shí)型鋼支撐；② 鑿除改造范圍側(cè)墻結(jié)構(gòu)；③ 施工洞邊加強(qiáng)框架梁柱；④ 待加強(qiáng)框架混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除站廳層臨時(shí)支撐和圍擋。側(cè)墻單個(gè)開洞改造工序如圖4所示。

本改造工序是否可行，需重點(diǎn)進(jìn)行兩方面驗(yàn)算：① 由于1號線車站已運(yùn)營，站臺層軌行區(qū)無架設(shè)支撐條件，所以僅在站廳層架設(shè)臨時(shí)支撐，需驗(yàn)

圖4 側(cè)墻單個(gè)開洞改造工序圖Fig.4 Process drawing of side wall single opening reconstruction

算加撐后的中板受力是否滿足要求；② 側(cè)墻單次開洞范圍較大，在架設(shè)臨時(shí)支撐條件下，既有車站受力及變形是否滿足要求。

3 有限元計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型及其參數(shù)

既有1號線車站主體為地下兩層矩形框架結(jié)構(gòu)，采用明挖順作法施工，車站底板及側(cè)墻主要位于硬塑狀黏土層中，頂板覆土厚約1.8 m，主要結(jié)構(gòu)尺寸及材料特性如表1所示。

表1 既有車站結(jié)構(gòu)特性表Tab.1 Structural characteristics of existing station

采用有限元分析軟件建立三維計(jì)算模型，對既有車站側(cè)墻改造前、改造中和改造后的結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布及變形情況進(jìn)行計(jì)算分析。車站梁、柱結(jié)構(gòu)用桿單元模擬，車站頂板、中板、底板及側(cè)墻結(jié)構(gòu)用殼單元模擬。在側(cè)墻及底板邊界處采用只受壓彈簧約束，彈簧剛度根據(jù)土體水平及垂直基床系數(shù)取值，計(jì)算方法采用荷載-結(jié)構(gòu)法。計(jì)算所考慮的荷載有結(jié)構(gòu)自重、垂直及水平土壓力、地面超載及其水平分力、人群及設(shè)備荷載等，由于車站位于硬塑黏土層中，滲透性較低，所以施工期間不考慮地下水壓力的影響。所建立的三維有限元計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 三維有限元計(jì)算模型Fig.5 Three-dimensional finite element calculation model

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

有限元計(jì)算的主要目的是分析驗(yàn)算既有車站在改造施工階段及后期使用階段的安全性，同時(shí)驗(yàn)證所提改造方案的可行性。由計(jì)算結(jié)果可知，既有車站側(cè)墻改造對靠近改造一側(cè)的頂板、中板、側(cè)墻內(nèi)力影響相對較大，對遠(yuǎn)離改造一側(cè)的頂板、中板、側(cè)墻及底板、頂縱梁、中縱梁、底縱梁、中立柱內(nèi)力影響相對較小。側(cè)墻改造過程中，各工況下既有車站靠近改造一側(cè)的頂板、中板、側(cè)墻結(jié)構(gòu)在主受力方向的彎矩標(biāo)準(zhǔn)組合值如表2所示。

表2 側(cè)墻改造過程既有車站彎矩變化情況Tab.2 Bending moment change of existing station during side wall reconstruction

由表2可知：① 側(cè)墻改造前后，靠近改造一側(cè)的頂板和側(cè)墻彎矩重分布最為明顯，開洞處頂板與側(cè)墻交角處的負(fù)彎矩減少了67%，預(yù)留短墻與頂板交角處的負(fù)彎矩增加了16%，頂板跨中正彎矩增加了16%，負(fù)二層側(cè)墻跨中正彎矩增加了11%，負(fù)二層側(cè)墻上支座處負(fù)彎矩在開洞處和短墻處分別減少了19%和10%。② 改造期間，由于臨時(shí)支撐作用在中板上，中板邊支座負(fù)彎矩在開洞處和短墻處分別增加了21%和16%，臨時(shí)支撐拆除后彎矩有一定的回落，相對改造前分別增加了7%和5%。③ 工況1開洞對既有車站彎矩重分布影響最大；工況2與工況1開洞凈距為13.3 m，工況2開洞時(shí)對工況1彎矩重分布范圍未產(chǎn)生疊加影響；工況3和工況4新增開洞與已完成的開洞凈距僅為2.3～3.9 m。新增開洞時(shí)，其對既有車站已完成開洞范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)彎矩產(chǎn)生了疊加影響，但影響程度較首次開洞要小。

根據(jù)三維有限元計(jì)算結(jié)果，開洞頂部側(cè)墻最大沉降為0.2 mm，頂板跨中最大沉降為0.1 mm，框架柱頂最大沉降為0.1 mm。由此可知，側(cè)墻改造引起的既有車站沉降相對較小。側(cè)墻改造引起既有車站部分結(jié)構(gòu)彎矩增大，根據(jù)既有車站結(jié)構(gòu)配筋對彎矩增大后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)算，如表3所示。由表3可知，既有車站配筋可滿足改造中、改造后的結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)的要求。

表3 既有車站結(jié)構(gòu)配筋驗(yàn)算表

4 結(jié)語

本文以合肥軌道交通1號線云谷路站側(cè)墻改造為例，研究擬定了側(cè)墻改造范圍和改造施工工序，并采用三維有限元軟件計(jì)算分析了側(cè)墻改造對既有車站的影響，獲得主要結(jié)論如下：

1) 既有運(yùn)營地鐵車站側(cè)墻改造設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理確定改造范圍和改造工序，并分析及驗(yàn)算改造對既有車站的影響，確保改造中及改造完成后既有地鐵車站的結(jié)構(gòu)安全及運(yùn)營安全。

2) 側(cè)墻大面積改造開洞時(shí)，可通過控制單個(gè)開洞尺寸、增大相鄰開洞之間的凈距和保留一定寬度側(cè)墻等措施,降低改造對既有車站結(jié)構(gòu)的影響程度。

3) 側(cè)墻改造施工工序應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和施工難易程度等因素。

4) 側(cè)墻改造前后，既有車站結(jié)構(gòu)彎矩重分布較明顯，主要表現(xiàn)為：改造側(cè)側(cè)墻與頂板交角處負(fù)彎矩顯著降低，頂板跨中正彎矩、負(fù)二層側(cè)墻跨中正彎矩、開洞附近側(cè)墻與頂板交角處負(fù)彎矩均有一定程度的增加。