既有地铁车站换乘改造方案结构分析及三维数值模拟

苏卜坤，姜 燕

（1、广州市市政工程设计研究总院有限公司 广州510060；

2、广东省水利水电科学研究院 广州510610；3、广东省岩土工程技术研究中心 广州510641）

0 引言

轨道交通对缓解大城市交通压力有着显著而独特的作用，同时地铁建设带动了城市地下空间的开发，随着地铁线网的加密建设，新建地铁车站与既有地铁车站换乘改造的情形也越来越多，在既有地铁站厅层侧墙开洞改造对既有地铁运营造成的影响等问题不可避免。

当前，因使用需要需改变已有建筑物用途或内部布置时，需要对既有结构进行改造。对于地上的建筑结构改造、加固的工程案例和研究较多［1，2］，技术也相对较为成熟。而对于地下车站结构，由于周边既有建筑和结构周围土体的存在，其改造相对地上结构更为复杂，且改造成功的案例不多。鲍鹏等人［3］采用有限元方法对地下结构的改造工程进行了弹塑性分析，提出了一些计算、改造时应采取的措施；文献［4-8］对地下车站、地铁附属结构及其他改造工程等进行了研究。上述研究和案例多为在较小范围实施改造，且改造方案相对简单。

由于地铁建设周期长，早期线路与新建线路常出现不匹配的情况，同时地下工程的复杂性和高风险性导致换乘改造工程风险大，本文以广州某大型换乘站为例，考虑了全施工过程，对破除既有地铁车站侧墙换乘方案进行了数值分析，提出了科学完善的换乘方案及改造措施，并结合施工期既有车站的自动化监测结果验证了方案的可靠性，对类似工程设计与施工具有借鉴意义。

1 工程概况

广州某线新建车站将与已建成的车站L 型站厅通道换乘，两线车站呈“L”形布置，新建车站位于道路交叉口，沿道路南北向布置。车站为地下3 层岛式站台车站，全长166 m，主体基坑标准段宽为23.1 m，车站标准段基坑开挖深度为24.9 m，盾构扩大端宽度为29.0 m，基坑深度约25.1～27.0 m。围护结构采用1 m厚地下连续墙+4 道内支撑的型式。车站采用明挖顺作法施工，车站小里程为端盾构吊出，大里程端为盾构始发。新建车站与既有线车站的相对位置关系如图1所示。

图1 既有车站和新建车站相对位置Fig.1 Relative Location of Existing Station and New Station

2 换乘改造方案

2.1 换乘方案设计

为了缩短换乘距离，方便换乘，新建车站端头尽量靠近既有车站，同时需要废除1个既有出入口，新建1 个22 m 宽的换乘通道，在既有车站负一层侧墙上开4×40 m 的洞，与新建出入口合建形成换乘大厅及通道。开洞位置为图2中云线圈出范围。

图2 改造范围示意图Fig.2 Schematic Diagram of Reconstruction Sope

为保证既有线结构及运营安全，既有车站的侧墙开洞改造需在新建换乘通道的顶板完成后才能施工，同时保持换乘通道基坑降水，保证水位在通道底板下1 m 以下。在施作换乘通道破除既有线车站墙体时，采取分段破除、及时架设竖向支撑、采取既有车站自动化监测等措施，及时反馈数据指导施工，可以有效地减小既有结构的变形。

2.2 换乘改造实施工序

既有车站的侧墙开洞改造在换乘通道的顶板完成后才能施工，同时保持换乘通道基坑降水，保证水位在通道底板下1 m以下。在施作换乘通道破除既有线车站墙体时，采取分段破除、及时架设竖向支撑并采取信息化监测指导施工等措施，可以有效地减小既有结构的变形。

本站改造施工顺序为：

⑴由于既有站顶板范围为施工项目部场地，施工现场用地紧张，顶板卸土范围受限。只能将既有车站顶板（BC 跨靠近C 轴一侧约4.7 m 范围）上覆土挖除，对其边坡进行喷锚支护。

⑵分段破除既有车站开洞范围两侧部分墙体（破除顶板高度范围内的侧墙时，需要保留车站顶板的钢筋，以便锚入新做的顶梁），保留洞口中间部分墙体。

⑶在既有车站开洞范围中楼板上洞口两侧边柱位置进行边柱植筋。

⑷施做洞口边墙防水，浇注边柱和顶梁，预埋侧墙钢筋接驳器，并在既有站边墙位置架设临时竖撑。

⑸侧墙混凝土达到设计强度后，破除既有车站开洞范围中间部分墙体。

⑹施做变形缝处防水，待混凝土强度达到设计强度后，拆除临时支撑。

⑺待变形缝两侧悬挑板施工完毕，处理好变形缝，待混凝土强度达到设计强度后恢复车站及通道顶板覆土，封闭换乘通道底板泄水孔。

侧墙分段具体情况及详细施工步骤如图3所示。

图3 既有车站侧墙改造施工步骤Fig.3 Construction Steps for Reconstruction of Side Wall of Existing Station

其他保护措施：

⑴破除侧墙应分段实施，同时进行竖向临时支顶；

⑵施工围蔽措施：车站中板铺设土工布，其上方铺设PVC 防水板，土工布、PVC 防水板在靠近围蔽板一侧上翻1.0 m，这样可以有效起到防水效果，确保破除施工过程中废水废渣等不会进入既有车站内影响车站正常运营。

3 结构计算分析

对于既有线的改造，首先要保证既有站、区间的结构及运营安全。在此前提下，进行改造的设计和施工，才是正确合理的做法。所以，本次改造计算分为4种工况进行。①工况1：对既有站根据实际覆土厚度和超载情况进行结构复核计算，既有站具体断面如图4a 所示；②工况2：对改造过程中考虑基坑开挖期间、既有站局部顶板卸土期间的结构安全计算；③工况3：对改造过程进行复核计算，考虑侧墙结构拆除、新建梁、柱体系后的结构安全；④工况4：改造完成覆土后，结构永久使用状态期间的结构计算。

3.1 计算参数及典型断面

既有车站现状覆土厚度（3.2 m）、土层和计算参数如表1 所示。既有车站改造前典型断面如图4a 所示，改造后典型断面如图4b所示。

3.2 各工况计算

⑴工况1：取标准断面为车站纵向1.0 m 宽度进行计算。顶、底板及侧墙用实际厚度；中柱不连续采用刚度等效的墙简化计算（柱子截面为圆柱D=1.0 m，标准柱跨L=9.0 m），其厚度满足：EI1/L=EI2。

表1 岩土层参数Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Rock and Soil

图4 既有车站典型断面Fig.4 Cross Section of Existing Station Structure

式中：I1、I2分别为简化前后中柱抗弯模量。

荷载计算如表2 所示，覆土厚度3.2 m，地下水位取至地面。

工况1 下，既有站及换乘通道主要内力计算结果如图5、图6所示。

⑵工况2：卸土阶段计算

工况2 下，既有站及换乘通道主要内力计算结果如图7、图8所示。

⑶工况3：开洞阶段计算

在此阶段，降水至地面下1.0 m，分段破除侧墙，对应施工顺序第2～第6步。

⑷工况4：正常使用阶段计算

在此阶段，水位考虑恢复至地面，恢复顶板覆土。对应施工顺序第7步。

工况3、工况5的主要内力结果如表3、表4所示。

表2 荷载计算Tab.2 External Load Value

图5 工况1基本组合弯矩Fig.5 Case 1 Bending Moment of Fundamental Combination （kN·m）

图6 工况1基本组合剪力Fig.6 Case 1 Shear Force of Fundamental Combination （kN）

3.3 结果分析

通过以上平面矩形框架结构计算结果可以看出，在既有车站改造过程中，在不同阶段不同工况条件下，既有车站和新建结构的内力变化情况。特别是对既有结构需要进行配筋、裂缝验算要选取不同工况下的最大内力进行验算，看是否满足车站的使用要求［9，10］。

图7 工况1基本组合弯矩Fig.7 Case 1 Bending Moment of Fundamental Combination （kN·m）

图8 工况2基本组合剪力图Fig.8 Case 2 Shear Force of Fundamental Combination （kN）

表3 弯矩设计值汇总Tab.3 Summary of Bending Moment Design Values

以既有车站受影响较大部位的主要内力（弯矩、剪力）比较为例，计算结果如表3所示。

从表3中数据可以看出，在整个改造过程中，既有站的结构内力在不断变化，最大值也分别出现在不同工况中。比如顶板支座负弯矩最大值出现在工况4中，顶板端头负弯矩最大值出现在工况2中；负2层侧墙下端剪力最大值出现在工况2 中，主要是因为局部顶板卸土，导致左右两跨荷载不平衡引起的内力转移。其他部位极值详如表3、表4所示。

因此，需要利用各工况内力最大的包络值进行既有车站结构和新建换乘通道结构的配筋验算和裂缝宽度复核，看是否承载力极限状态和正常使用极限状态的要求［11，12］。

表4 剪力设计值汇总Tab.4 Summary of Shear Force Design Values

4 既有车站三维建模分析

为了更好地评估改造对已建地铁结构的安全影响，对既有车站侧墙开洞的影响进行了三维有限元分析。主要考虑正常使用工况下的内力、变形等是否超过规范要求［13，14］。

三维数值模拟计算分析采用MIDAS CIVIL 进行分析，采用荷载结构法。

4.1 计算范围与坐标系

选取既有地铁车站主体结构改造部分，模型平面尺寸为90 m×19.5 m。坐标系以既有车站线路方向为X轴，向东为正；沿高度方向为Z 轴，向上为正；车站横向为Y轴，向北为正。

4.2 三维网格模型及参数

4.2.1 三维网格模型及约束条件

整个模型包括主体结构梁、板、柱、侧墙以及侧墙开洞、新作柱、洞顶过梁，梁柱采用梁单元模拟，墙板采用四节点平面板单元模拟，如图9所示。

图9 既有车站改造三维模型Fig.9 3D Model of Existing Station Reconstruction

计算模型底部、侧面采用弹性支承（只受压弹簧）模拟土体，两个端部采用相应的法向约束。地面超载标准值：标准段顶板按20 kPa，中板均布荷载为4 kPa。

4.2.2 荷载计算

土体计算参数包括重度、抗剪强度等物理力学性质同前。荷载计算覆土厚度（3.2 m，地下水位取至地面）同工况1。

4.3 计算结果

全水头基本组合下既有车站结构的弯矩、剪力及位移结果如图10、图11所示。

图10 基本组合弯矩及剪力Fig.10 Basic Combined Bending Moment and Shear

图11 准永久组合位移等值线Fig.11 Displacement Contour of Quasi-permanent Combination （m）

根据图10、图11 中的数值，发现既有站侧墙开洞对车站开洞范围的顶板、中板、侧墙、底板均有不同程度的影响。特别是对开洞范围的负2 层侧墙影响较大，设计时需要进行重点复核验算。对既有侧墙配筋、裂缝、挠度等分别进行了验算。经验算配筋、变形和裂缝，改造后的既有车站内力及变形均满足既有配筋及规范要求。

5 结论

本文针对广州地铁某换乘车站提出了合理的换乘改造设计方案，给出了完善的施工工序和施工措施，并对既有车站改造前、改造（开洞）中、改造后（运营）等不同工况进行了结构计算及三维有限元模拟，研究成果保证了既有线车站结构的施工和运营安全，新旧线路换乘通道得以顺利实施，有效地指导了设计和施工。通过计算对比分析，得到以下结论：

⑴既有换乘站改造设计需要进行全过程计算分析，找出最大内力包络图进行计算、验算。

⑵破除既有侧墙方案，采用隔跨跳仓、分段破除墙体并及时架设支撑的方案，对既有结构内力及变形控制有效，能确实保证既有车站的结构和运营安全。