地铁车站结构扩建改造顶板接口方案分析

刘昕铭， 王佳庆

(中铁二院工程集团有限责任公司， 四川成都 610031)

我国城市轨道交通行业正处于快速发展建设时期,不断有新的城市轨道交通线路投入运营。新线路的开通,不仅使网络拓扑结构更加复杂、网络覆盖范围不断扩大,而且促进了轨道交通客流的增长[1]。

既有车站在规划新增线路接入的情况下，可能出现换乘客流量达到甚至超过设计远期换乘客流量的情况。既有车站运营承载能力不足、客流交叉干扰等问题，严重影响了乘客的正常出行和运营安全。为提升换乘功能，对既有地铁车站结构进行扩建改造，利用新增站厅面积科学合理的引导客流，可以有效解决车站内拥堵、提高换乘效率。

1 工程概况

成都市轨道交通火车南站为三线换乘车站，已运营1号线与在建7号线之间通过站台“T字”换乘，1、7号线与在建18号线之间通过通道换乘，地铁车站同时与铁路车站、公交枢纽之间通过通道换乘。

7号线设计时已充分考虑1、7两线之间的换乘客流，且车站主体结构已实施完成。由于18号线建设时序提前且定位为8A编组的机场快线，结合成都市成都火车北站封闭改造引起火车南站功能调整，导致客流规模及车站性质发生了重大变化。基于三线换乘客流特点及换乘客流量的分析，1、7号线车站需破除已建成站厅层侧墙，与新建地下1层站厅层连通，达到提升换乘功能的目的(图1)。

图1 改造后车站总平面

火车南站换乘功能提升工程涉及扩建改造部位较多，本文选取具有代表性的1号线主体结构改造部分为研究对象，结构基本情况如表1所示。

2 结构改造方案

既有车站顶板与侧墙均承受着垂直于结构面的水、土压力，墙、板节点处为刚性支座，结构侧墙上未预留远期开孔条件。既有结构侧墙打开与新建负一层结构连通后，原结构的荷载边界条件和约束边界条件发生巨大变化。侧墙大面积凿除后，顶板边跨靠侧墙一侧的支座由固支变成了近似铰支。因此，若新旧结构接口方案设计不当，不仅会造成原结构的破坏，还会导致接口处漏水、新旧结构无法有效连接，对后期运营维护及结构安全造成巨大隐患。

表1 扩建改造结构基本参数

2.1 结构改造原则

(1)扩建改造工程的主体结构部分，设计使用年限为100 a。地下结构根据环境类别，按设计使用年限为100 a的要求进行耐久性设计[2]。

(2)结构设计应保证在施工及正常使用期间具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性。结构设计时分别按施工阶段和正常使用阶段进行结构计算。并根据结构类型、受力条件及耐久性要求，考虑相应的结构构造处理措施。

(3)车站结构净空尺寸应满足车站建筑限界、使用功能和施工工艺等要求，同时考虑施工误差、结构变形和位移的影响。

(4)结构的安全等级为一级，在进行承载能力计算时，其重要性系数取γ0=1.1。钢筋混凝土结构的最大裂缝宽度允许值为0.2 mm[3]。

2.2 结构改造方案

结合设计原则及工程实际情况，本工程采用方案一的“C形梁”接口型式，而普通地铁工程中多采用设置变形缝的方案二接口型式，典型剖面如图2所示。

图2 结构改造方案典型剖面

2.2.1 方案一

新旧结构之间通过“C形梁”刚性连接，既有结构侧墙的钢筋通过“分步分块”破除后锚入新浇筑梁内。新作结构柱横跨新旧结构，与底部接口梁整体浇筑，新旧混凝土结合面通过表面处理增加结构整体性，原车站采用外包防水，改造后防水材料连续铺设。

(1)“分步”是指大面积的钢筋混凝土采用线拉绳具切割破除，剩余0.5 m人工风镐破除，将原结构钢筋留出。“分块”是指单次破除4～5 m范围侧墙，待接口梁、柱施工完毕后破除剩余侧墙，最终接口封闭，侧向开孔形成。

(2)“C形梁”需与既有结构共同受力才能最大发挥其作用，界面处理的措施如下：①清除垃圾、表面上松动的砂石和软弱的混凝土层，表面凿毛处理(凿毛深度不小于6 mm，100 mm×100 mm2范围不小于5处)。采用压力水将面层冲洗干净并充分润湿(一般润湿时间不宜小于24 h)，残留在混凝土表面的积水应消除。②施工缝附近的钢筋回弯时，要注意不要使混凝土受到松动和损坏。钢筋上的油污，水泥浆及浮锈等杂物也应清除。③应避免直接靠近施工缝已终凝的混凝土边缘下料和机械振捣，但应对施工缝内新浇筑的混凝土加强振捣，使其结合密实(为确保混凝土浇注密实及新老混凝土结合紧密，浇注混凝土可采用补偿收缩混凝土细石混凝土，并在12 h内开始养护)。④施工缝表面应涂刷混凝土界面处理剂或水泥基渗透结晶型防水涂料，并应及时浇筑混凝土。对于水平施工缝，在涂刷界面剂或水泥基渗透结晶型防水涂料后，应在施工缝表面铺30～50 mm厚的1∶1水泥砂浆。⑤遇水膨胀止水条(胶)应与接缝表面密贴(图3～图5)。

图3 分步分块破除侧墙工序

图4 分步分块破除侧墙现场效果

图5 结构改造方案典型剖面

2.2.2 方案二

新旧结构之间设置变形缝，各自形成框架受力结构，先利用“分步分块”工序改造既有结构，预留半边变形缝内止水措施，后与新建结构侧变形缝连接。与方案一相比，方案二在运营使用时存在渗漏水风险，接口处结构柱占用空间过大也影响整体建筑效果，对既有结构的变形影响详见下文分析。

3 既有结构数值分析

采用有限元软件ANSYS建立三维数值模型进行分析计算。分别分析了改造前原结构、侧墙分步破除后结构、方案一改造后结构、方案二改造后结构的内力及变形。对两种结构改造分案进行分析与验证。

3.1 有限元模型建立

对于地铁车站结构，通常情况下构件尺寸与车站宽度、长度尺寸相比很小，可利用板(壳)单元模拟结构板、墙，梁单元模拟框架梁、柱，进行简化计算。本工程关注的重点在于不同接口类型下结构的变形趋势，接口梁的构件尺寸大、形状不规律，导致板(壳)、梁单元不再适用，故选用Solid65实体单元进行建模。

为简化计算量，沿1号线车站纵向中线剖开，取半边建模，剖面处施加对称边界约束条件。为减小边界条件对计算结果的影响，纵向取连续五跨，分析时仅读取中间一跨的计算结果。新建负一层结构、接口梁、既有车站结构的有限元模型如图5所示(限于篇幅，本文仅列出方案一的有限元模型，原结构及方案二省略)。

由于原结构钢筋锚入新建结构且混凝土表面完成凿毛、涂刷界面剂等措施，新、旧结构之间接触面按施工缝考虑，界面节点之间共同受力、变形。Solid65是专门模拟钢筋混凝土的实体单元，本次计算采用该单元的整体式(钢筋分布于整个单元中，假定钢筋和混凝土粘结很好，并把单元视为连续均匀材料)，结构参数按GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》(2015版)进行取值。

3.2 计算结果分析

图6所示为原1号线正常使用状态下的竖向变形云图。车站覆土厚度1.5 m，地面荷载按20 kPa计，侧向水土压力按静止土压力计算。从图中可以看出，顶板最大竖向变形发生在边跨跨中，数值约为2.27 mm。

图6 原结构变形云图

图7所示为在顶板覆土及负一层侧土压力均卸载情况下，既有结构负一层侧墙按图3中间隔破除工序施工时的变形云图。从图中可以看出，顶板最大竖向变形发生在侧向开孔处对应边跨跨中，数值约为0.85 mm，小于正常使用状态下变形值。

图7 原结构间隔开孔后变形云图

图8所示为按方案一改造扩建既有车站后的竖向变形云图。车站覆土厚度1.5 m，地面荷载按20 kPa计，侧向水土压力按静止土压力计算。从图中可以看出，顶板最大竖向变形发生在边跨跨中，数值约为2.45 mm。

图8 方案一结构变形云图

图9所示为按方案二改造扩建既有车站后的竖向变形云图。车站覆土厚度1.5 m，地面荷载按20 kPa计，侧向水土压力按静止土压力计算。从图中可以看出，顶板最大竖向变形发生在边跨跨中，数值约为3.56 mm。

图9 方案二结构变形云图

3.3 结构变形控制标准

既有结构的构件尺寸及配筋情况已确定，竖向变形控制值应根据如下思路计算得出:对构件施加荷载试算验算构件裂缝是否小于0.3 mm→逐步增加荷载直裂缝接近许用限值→读取竖向变形值。此时的竖向变形为既有构件能承受的最大竖向变形量(表2)。

表2 顶板竖向变形控制值

根据表2，既有结构顶板的竖向变形控制值约为3.2 mm，参考《城市轨道交通工程监测技术规范》，变化速率的控制值定位0.5/(mm·d-1)[4]。方案一的结构变形满足变形控制要求，方案二的结构变形超出限值，此时原1号线的顶板已超出正常使用极限状态，需增加顶板叠合板。

此外，建议实测变形的绝对值和速率值双控指标均超过控制值的70 %或双控指标之一超过控制值的85 %作为黄色预警；两个指标均超过控制值的85 %或双控指标之一超过控制值作为橙色预警；双控指标均超过控制值或实测变化速率出现急剧增长作为红色报警。工程施工中，根据监测结果，对以上不同级别的预警提前做好相应的应急预案[5]。

4 结论

本文以火车南站换乘功能提升的改造工程为背景，开展了三维整体有限元计算分析，分别计算了不同接口型式对既有地铁车站顶板变形的影响，得出以下结论：

(1)对于未预留远期开孔条件的侧墙，大面积连续开孔与新建结构接驳时，顶板采用C形梁的刚性连接比采用变形缝的分离式连接能够更好地控制既有结构的变形。

(2)在卸除车站顶板覆土的条件下，对车站负一层侧墙实施间隔破除，既有顶板、侧墙受力及变形均处于正常使用状态，分析结果为施工方案的选择提供了直接依据。

(3)地铁车站扩建改造对既有结构顶板的影响最为重大。在大型换乘枢纽的设计中，设计上应有一定的前瞻性。不确定远期扩建改造或结构接驳的条件下，侧墙中预留暗梁暗柱，顶板考虑后期侧墙打开的工况进行受力验算，用前期少量增加的透气来避免后期面临更高的工程风险、投资造价。

目前，改造工程已经完工并投入运营使用，施工过程中监控量测数据与理论计算结果基本相符，该车站多处扩建改造均采用了方案一的接口型式，将既有结构变形控制在构件正常使用范围之内。该工程的安全实施可为后续类似工程提供参考经验。