地铁望城坡站附属结构改造设计的数值分析

王 林,谭佩莲,王 根

(1.中铁隧道勘测设计院有限公司,天津 300133；2.湖南工业职业技术学院,湖南 长沙 410208；3.长安大学公路学院,陕西 西安 710064)

地铁望城坡站附属结构改造设计的数值分析

王 林1,谭佩莲2,王 根3

(1.中铁隧道勘测设计院有限公司,天津 300133；2.湖南工业职业技术学院,湖南 长沙 410208；3.长安大学公路学院,陕西 西安 710064)

长沙地铁2号线望城坡站建设先于大河西交通枢纽工程中心，交通枢纽工程中心与望城坡站附属2号风道与Ⅲ号出入口结合部位考虑进行合建。因此，交通枢纽施工前需要对望城坡站附属2号风道与Ⅲ号出入口结构进行改造。为研究改造措施的合理性，采用有限元分析软件ANSYS，对施工过程进行模拟。通过对地铁附属结构改造前后周边位移、内力的变化进行对比分析，确定采取桩顶连梁将围护桩、出入口结构和风道连成一个整体，以增强车站附属结构的整体性。得出结论如下：改造工程主要是对出入口通道结构进行保护；由于围护桩的隔离作用，不需要对风道进行保护。

长沙地铁；望城坡站；附属建筑物；基坑；结构改造；数值分析

0 引言

随着国家基础建设投资的增加，城市轨道交通建设规模不断扩大。但由于城市空间的限制，地铁与周边建筑的交错或合建成为工程设计中常遇到的问题之一[1]。对于地铁规划、设计与周边建筑物同步开展的工况，往往能够在结构、功能上很好地考虑不同建筑物相互结合的互补性；而对于不同时期建设的相互干扰的工况，则需要进行对先期建设的建筑物进行评估和处理后，才能再进行后续建筑物的建设[2]。

目前，国内许多学者对地铁车站及建筑物施工的相互影响进行过研究分析。文献[3]针对铁路明挖车站宽大深基坑分步开挖及基坑开挖完毕后邻近航站楼桩基础的加载对建筑物的影响，通过二维有限元模拟分析了大楼基础的位移场；文献[4]考虑邻近运营地铁车站基坑开挖土层位移与一般基坑不同的特点，采用FLAC 3D程序进行数值模拟，分析了车站和基坑间距不同时，基坑周围土体的变形特点及变形规律；文献[5]以分析基坑开挖引起紧邻车站变形为目的,对实际基坑开挖进行数值模拟，研究了地铁车站基坑开挖时新旧两车站间距、源头变形及土体弹性模量3个因素对运营车站变形的影响；文献[6]采用有限差分软件FLAC 3D对不同工况下车站结构的受力过程进行三维数值模拟，得到了不同工况下车站及周边地层的位移特征、车站梁柱板节点应力及抗拔桩力学特征；文献[7]结合上海某地铁隧道穿越地面既有严重倾斜危房的工程实例，计算分析盾构穿越引起的施工期沉降、后期固结沉降及其对房屋的影响。以上相关文献较少涉及车站附属与建筑物相互影响的研究。本文通过长沙地铁2号线望城坡站先期建设的地铁附属建筑物与规划的大河西交通枢纽工程中心(以下简称交通枢纽)相互干扰的实例，分析相互影响的原因，提出避免后施工对既有建筑物可能造成风险的改造方案，并通过数值对比分析改造前后的受力状态，得出改造措施的合理性评价。

1 工程概况

长沙地铁2号线望城坡站是一期工程起点站，位于长沙原汽车西站南侧，沿游园东路布置。车站南侧是即将投入运营的汽车西站客运站，北侧是处于拆迁状态的原汽车西站，该部位是新规划的长沙大河西交通枢纽工程中心，拟新建一个大型地下停车场、商场和几栋高层写字楼，地下停车场轮廓紧贴车站主体北侧及附属外轮廓。目前，地铁车站主体及附属结构均已完成施工，北侧交通枢纽处于基坑开挖状态。

车站设计为地下两层三跨箱式结构，地下一层为站厅设备层，二层为站台层，站台为宽12 m的岛式站台。有效站台中心里程为DK0+400，车站起点里程为DK0+204.1，终点里程为DK0+469.1，车站总长为265 m，站内设单渡线。车站附属共设6个出入口通道、2组风亭及1个消防出入口。

地铁车站附属2号风道与Ⅲ号出入口属于合建结构，附属结构基坑深10.5 m，围护结构采用φ800 mm@1 500 mm钻孔灌注桩+3.5 m间距钢管内支撑，嵌固深度为3 m，基底地基承载力为180 kPa。沿着Ⅲ号出入口外结构西侧和北侧是交通枢纽的开挖线，交通枢纽基坑深度为9.7 m。根据交通枢纽规划，拟在2号风道与Ⅲ号出入口上方新建一栋2层框架结构的临时营销中心。工程总平面示意如图1所示。

图1 工程总平面示意图Fig.1 General plan of the project

根据详勘资料，施工场地覆盖层主要有第四系全新统人工填土层、更新统冲积及残积层，基岩为元古界板溪群泥(砂)质板岩。地层自上而下依次为杂填土(1～2 m)、素填土(1～2 m)、粉质黏土(2～3 m)、强风化板岩(5～7 m)和中风化板岩(20 m以上)。场地地下水按赋存方式主要分为第四系松散层和全风化带中的孔隙潜水、强至中风化基岩裂隙水。

2 附属结构加固改造方案

由于交通枢纽规划晚于地铁车站，车站附属结构2号风道与Ⅲ号出入口设计和施工时未考虑侧边基坑开挖及上部房屋的影响。现阶段需要在交通枢纽施工该部位之前对车站附属结构进行改造和加固，以防止交通枢纽施工对地铁附属结构产生破坏。根据相关保护要求，地铁附属结构在交通枢纽施工期间的保护标准为：地表水平位移<10 mm；地表竖向位移<10 mm；各构件混凝土应力不超过规范规定的应力数值；出入口及风道结构受力满足原配筋的要求。

经调查，地铁附属结构设计参数如表1和表2所示。

表1围护结构参数表
Table 1 Parameters of retaining structure

参数 围护结构围护桩/mmϕ800@1500桩长/m11．5(嵌固3)冠梁/(mm×mm)800×800临时钢支撑/mm2道ϕ609，t=16

加固改造方案为：

1)交通枢纽基坑围护结构借用出入口外侧围护桩，但需要进行一定的处理。

表2附属结构参数表
Table 2 Parameters of ancillary structure

参数 出入口通道风道外包尺寸/(mm×mm)7500×535023300×6750顶板/mm800800底板/mm800800侧墙/mm600600隔墙/mm400顶板覆土/mm46503300

2)2号风道与Ⅲ号出入口中部有一部分围合土体，尺寸为13.2 m×24.5 m，需要对该部位土体增加一排围护桩处理。2号风道与Ⅲ号出入口改造平面如图2所示。

图2 2号风道与Ⅲ号出入口改造平面图Fig.2 Plan of protection measures for No.2 ventilation passage and No.3 entrance/exit passage

3)充分利用出入口、风道围护桩和冠梁，增加横、竖向连梁，将围护桩、冠梁和连梁形成一个整体的受力体系，对风道和出入口结构形成保护。2号风道与Ⅲ号出入口改造断面如图3所示。

图3 2号风道与Ⅲ号出入口改造断面图Fig.3 Profile of protection measures for No.2 ventilation passage and No.3 entrance/exit passage

3 改造措施数值分析

3.1 计算模型与计算参数

地层自上而下为杂填土、粉质黏土、强风化板岩及中风化板岩，基底位于强风化板岩部位，地下水位取至地下2 m。临时营销中心按每层15 kPa加在出入口地表部位，施工超载按20 kPa考虑。计算模型如图4所示。

(a) 几何模型

(b) 网格划分

计算采用ANSYS软件进行数值模拟，采取摩尔-库伦理想弹塑性模型。模型以Ⅲ号出入口为主体，考虑风道的影响，截取风道两跨参与计算。模型尺寸为25 m×50 m，出入口左侧为20 m，出入口底部深度为15 m。模型采用平面单位Plane 42模拟各层土体及围护桩，采用梁单元Beam 3并通过杆件析取方式获得出入口及风道结构梁单元[8-11]。

模型中各层土体及围护桩参数见表3。

表3物理力学参数
Table 3 Physical and mechanical parameters

土体 厚度/m天然重度/(kN/m3)杨氏模量/MPa泊松比μ黏聚力/kPa内摩擦角/(°)〈1-1〉杂填土3．2194．50．291710〈4-2〉粉质黏土3．219．860．282612〈11-2〉强风化板岩4．624．2300．256527〈11-3〉中风化板岩1427．33000．229031围护桩及连梁253．15×1040．2

3.2 2号风道与Ⅲ号出入口改造措施数值分析

计算模型假定地铁附属结构上方完成2层营销中心修建，地表有营销中心超载工况下，通过对比分析附属结构改造前后各计算构件位移、内力变化，对安全性进行评价。

3.2.1 周边地层位移变化分析

3.2.1.1 附属结构改造前后周边地层水平位移对比

见图5。

由图5(a)可知：1)地层最大水平位移发生在出入口上方土体右上角内侧，数值为3.28 mm，向左；2)与交通枢纽临近的出入口左侧围护桩，从上至下均发生向左的位移，最大位移发生在出入口左上角，数值为1.31 mm，向左；3)出入口上方土体均有向左位移的趋势。

(a) 改造前

(b) 改造后

由图5(b)可知：1)地层最大水平位移发生在出入口上方土体右上角外侧，数值为1.49 mm，向左；2)与交通枢纽临近的出入口左侧围护桩，顶部位移向右、中部位移向左，向右位移最大为1.17 mm，向左位移最大为1.26 mm；3)出入口上方土体位移趋势不明显。

对比图5(a)与5(b)可知：附属结构增加围护桩与连梁后，周边土体水平位移明显降低，发生部位由出入口上方土体右上角内侧变化为外侧，这说明通过连梁作用后，出入口左右侧围护桩、连梁和出入口上方土体可以看作为一个整体，来共同抵抗侧边基坑开挖导致的水平向位移。

3.2.1.2 附属结构改造前后周边地层竖向位移对比

见图6。

由图6(a)可知：1)地层最大竖向位移发生在出入口上方土体右上角外侧，数值为0.82 mm，向下；2)出入口上方土体均有向下沉降的趋势，且沉降较均匀，约为0.5 mm。

由图6(b)可知：1)地层竖向位移最大发生在出入口正上方，数值为1.01 mm，向下；2)出入口上方土体发生较明显的沉降，侧边几乎无沉降。

对比图6(a)和6(b)可知：附属结构增加围护桩与连梁后，周边土体竖向位移略微增加。结合图5分析其原因主要是由于改造前水平位移较大，出现水平滑动的趋势，竖向受力不明显，改造后各构件形成整体，抵抗了水平位移，主要为竖向受力，因此竖向位移增加。

(a) 改造前

(b) 改造后

附属建筑物周边地层在改造前后的位移变化对比如表4所示。

表4 位移对比分析表Table 4 Displacement before protection Vs that after protection

3.2.2 附属结构构件力学分析

3.2.2.1 附属结构改造前后围护桩及连梁应力对比

见图7。

由图7(a)可知：最大主应力发生在与交通枢纽临近的出入口左侧围护桩，发生部位在出入口左上角，数值为4.38 MPa。

由图7(b)可知：围护桩最大主应力出现下降，最大数值为1.95 MPa，发生在与交通枢纽临近的出入口左侧围护桩的出入口左上角；但该工况下，将各围护桩连接起来的连梁发生较大应力集中，最大主应力为8.75 MPa，发生在与各围护桩连接的节点部位。

(a) 改造前围护桩最大主应力云图

(b) 改造后围护桩及连梁最大主应力云图

对比图7(a)和7(b)可知：附属结构增加围护桩与连梁后，有效地改善了围护桩的应力集中，应力降低了60%。经静力计算，围护桩配筋为22φ25 mm，能够抵抗1.95 MPa的应力，但不能抵抗4.38 MPa的应力；连梁构件出现较大应力集中情况，最大应力为8.75 MPa，换算成连梁轴力，每根连梁所受轴力为4 600 kN，根据此轴力对连梁进行配筋计算，每根连梁设置配筋为40φ32 mm。

3.2.2.2 附属结构改造前后出入口通道弯矩对比

见图8。

由图8(a)可知：出入口结构顶板出现较大弯矩，跨中弯矩为718.2 kN·m，左侧端部弯矩为 823.2 kN·m。

由图8(b)可知：较大弯矩同样出现在出入口结构顶板，跨中弯矩为637.8 kN·m，左侧端部弯矩为685.3 kN·m。

对比图8(a)和8(b)可知：附属结构增加围护桩与连梁后，有效地降低了出入口通道的各构件特别是顶板的弯矩，顶板跨中弯矩降低了11%，端部弯矩降低了16%。由于出入口通道已经施工完成，经查阅，该部位顶板上下侧配筋均为φ32 mm@150 mm，根据计算可知，顶板跨中所受的最大弯矩为782 kN·m，端部所受的最大弯矩为634 kN·m(折减至侧墙)，考虑顶板、端部弯矩的折减，结构在原配筋工况下施工是安全的。

(a) 改造前

(b) 改造后

3.2.2.3 附属结构改造前后风道(两跨)弯矩对比

见图9。

(a) 改造前

(b) 改造后

由图9(a)可知：风道结构各构件弯矩较小，顶板跨中最大弯矩为214.3 kN·m，顶板隔墙端部最大弯矩为294.3 kN·m。

由图9(b)可知：风道结构各构件弯矩较小，顶板跨中最大弯矩为242.7 kN·m，顶板隔墙端部最大弯矩为312.5 kN·m。

对比图9(a)和9(b)可知：附属结构增加围护桩与连梁后，对风道结构的影响较小，弯矩数值增加不超过30 kN·m。通过核算风道部位结构设计配筋参数，改造前后的跨中和端部弯矩在原配筋工况下的施工均是安全的。

附属结构构件在改造前后的受力变化如表5所示。

表5受力对比分析表
Table 5 Force conditions before protection Vs those after protection

项目 阶段部位数值围护桩及连梁应力/MPa改造前改造后围护桩 4．38连梁围护桩 1．95连梁 8．75出入口通道弯矩/(kN·m)改造前通道(跨中)718．2改造后通道(跨中)637．8风道弯矩(两跨)/(kN·m)改造前风道(跨中)214．3改造后风道(跨中)242．7

4 结论与建议

通过对地铁附属建筑物的改造方案数值模拟，得出了既有建筑物受力特性和位移变化规律，供设计和施工参考。主要结论如下：

1)在已经建成的地下建筑物上方及侧边施工时，可以通过数值模拟定量地进行评估，防止对既有建筑物产生影响。

2)通过增加连梁改造，将围护桩、出入口结构和连梁等形成为一个整体构件，可以有效降低地层的水平位移、围护桩应力和出入口通道弯矩等，以降低既有构件发生破坏的风险。连梁构件起到连接各构件的纽带作用，所受的应力比较大，需要通过计算来确定连梁尺寸及配筋。

3)由于围护桩的隔离作用，风道所受施工的影响作用已经很小，改造方案可以不考虑对风道的保护。

由于受现场条件及篇幅所限，此次改造尚未考虑后施工基坑的深度大于已施工基坑的情况，可以此为切入点进一步研究在不同基坑深度情况下的受力工况。

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韩国:釜山拟修建地下高速公路缓解交通拥堵状况

近年来釜山市交通拥堵问题越来越严重。为了缓解交通拥堵的状况，釜山市政府决定在地下40 m的地方修建总长度为87 km的高速路，这种高速路被称为“地下高速公路”。

为了改善交通拥堵的问题，将会在地下修建5条高速公路，1条为南北走向，另外4条为东西走向，这5条高速公路的总里程将会达到87.77 km。据釜山市政府相关人员透露，南北走向的高速公路和东西走向的1号高速公路将会在2015年开工，预计将会在2019年竣工;东西走向的4号高速公路将于2015年开工建设，2021年实现通车;其他2条高速公路还没确定具体的开工日期。

地下高速公路经过釜山交通拥堵最严重的地区，比如西面、黄岭山隧道周边、万德路口和南浦洞等。因此，地下高速公路的建成将会大大缓解这一地区交通拥堵的状况。例如，三山路口到中央洞这段距离，从地上的道路走需要40～60 min，但如果从地下高速公路走，仅需要10 min左右。

地下高速公路将会修建在地下40 m的地方。釜山市道路规划部部长林京茂(音译)表示：“现在城市的地上道路已经趋近饱和，再建设新的道路几乎是不可能的，而且修建道路的花费也相当庞大。”

釜山市政府透露，这5条地下高速公路的总预算为48 257亿韩元。一般来说，在地上修建道路每km大概要花费676亿韩元，因此建设87.77 km的道路大概要花费59 300亿韩元，和地下高速路的48 257亿韩元相比要多花将近11 000亿韩元。除此之外，专家们在考虑釜山市的现状后认为，在地上修建同等规模的高速路几乎不可能，而且市政府也表示，考虑到釜山的高层建筑等因素，在地上修建高速路缺乏可行性。

按照计划，修建这些地下高速公路的资金大部分是民间资本，另一部分是由财政出资。据悉，有一部分大型建筑公司想参与东西走向的1号高速公路建设。但是也有人批评地下高速公路建设的经济性和可行性。虽然地下高速公路的建设费用比地上高速公路低，但这笔开支仍然是个天文数字，施工中如何保障安全也是一个需要考虑的问题；而且，如果使用民间资本建设地下高速公路，公路建成后的道路通行费也是个不小的负担。

釜山市建设防灾办官员透露，会按照民意调查的结果决定是否建设地下高速公路以及建设的时间，至于民间资本这个敏感问题会逐渐实现透明化。如果地下高速公路顺利开通的话，可以极大地缓解釜山现在的交通拥堵状况。

(摘自 中国公路网 http://www.gtja.com/share/NewsContent.jsp?docId=14132508&oneColum=index&twoColum=jccy&threeColum=cxzl&fourColum=xw 2014-01-14)

瑞士哥达基线隧道部分区间实施首次试运行

2013年12月16日，瑞士哥达基线隧道部分区间实施了首次正式的试运行。瑞士运输部长和国铁(SBB)的CEO等人出席了活动。

试运行区间位于已建成的2条并列隧道中的西侧的那条隧道上，从南侧出入口Bodio到隧道内的Faido站,长约13 km，Faido是隧道内的2个多用途车站之一，列车采用SBB的524型电车，试运行速度为160 km/h。在该区间上还计划从现在到2014年6月实施最高速度为220 km/h的试运行。

哥达基线隧道全长约57 km，开通后将成为世界上最长的铁路隧道，比日本的青函隧道(53.85 km)还要长3 km。2010年整体已经贯通，目前正在推进铁路设施的建设，预计将在2016年6月完成建设，同年12月开通运营。开通后的最大速度是250 km/h。

(摘自 中铁工程装备集团有限公司 http://www.crectbm.com/News/View/5505.aspx 2013-12-27)

NumericalAnalysisonDesignofProtectionMeasuresforAncillaryStructuresofWangchengpoMetroStation

WANG Lin1,TAN Peilian2,WANG Gen3

(1.ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China;2.HunanIndustryPolytechnic,Changsha410208,Hunan,China;3.SchoolofHighway,Chang’anUniversity,Xi’an710064,Shaanxi,China)

Wangchengpo station on line 2 of Changsha Metro is built before the Grand Hexi Transportation Center Project is planned.The Grand Hexi Transportation Center Project is to be integrated with No.2 ventilation passage and No.3 entrance/exit passage of Wangchengpo Metro station.Therefore,protection measures should be taken for No.2 ventilation passage and No.3 entrance/exit passage of Wangchengpo Metro station before the construction of the Grand Hexi Transportation Center Project is started.The execution of the protection measures for the ancillary structures is simulated by means of FE analysis program ANSYS,so as to study the rationality of the protection measures.The surrounding displacement and internal forces of the ancillary structures of the Metro works before and after taking protection measures are analyzed and it is determined that connection beams should be installed along the top of the retaining piles to transform the retaining piles,entrance/exit passage and ventilation passage into an integral structure,so as to improve the integrality of the ancillary structures of the Metro station.Conclusion is drawn that the protection should be focused on the entrance/exit passage structure and that,due to the separation effect of the retaining piles,the ventilation passage needs no protection measures.

Changsha Metro; Wangchengpo Metro station; ancillary structure; foundation pit; protection measure; numerical analysis

2013-09-25;

2013-11-10

王林(1981—)，男，安徽庐江人，2008年毕业于长安大学，桥梁与隧道工程专业，硕士,工程师,主要从事地铁与地下工程的设计和研究工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.01.007

U 45

A

1672-741X(2014)01-0041-07