既有地鐵車站側墻開洞改造設計方案

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，換乘車站的數量也逐漸增多。但由于城市軌道交通線網規劃調整等原因，一些前期未預留換乘條件的地鐵車站需調整為換乘車站。為滿足換乘功能，不可避免地需要對既有地鐵車站側墻結構進行開洞改造[1]。側墻開洞改造設計方案尤為重要，其關系到既有地鐵車站結構安全及運營安全。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墻改造為例，提出一種一次性鑿除單個開洞的側墻改造方案，并采用三維有限元軟件計算驗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。當初1號線建設時，云谷路站為非換乘車站，后期由于城市軌道交通線網規劃的調整，將云谷路站調整為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行連通。由于1號線車站實施時未預留換乘條件，所以5號線施工時需在既有1號線側墻上進行開洞改造，以實現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 側墻改造方案研究

2.1 側墻開洞改造范圍

新建換乘廳采用明挖順作法施工，擬在換乘廳側墻施工時進行既有車站側墻改造。從建筑功能及視覺效果角度考慮，側墻宜連續開洞、開大洞；從對既有車站結構安全及運營安全角度考慮，既有側墻宜少開洞、開小洞，故側墻改造范圍需根據本站具體情況，結合建筑功能、結構安全等因素綜合確定。

首先，改造時應充分利用既有車站的有利條件進行施工。由于既有車站西側墻已預留了一個寬為5 m的出入口門洞，本次側墻改造工程可直接利用其作為非付費區通道。其次，根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》，開洞改造應滿足既有車站結構承載能力極限狀態計算和正常使用極限狀態驗算。側墻開洞會降低側墻剛度，進而引起既有車站結構位移及內力重分布，且側墻剛度降低越多，結構位移和內力重分布的變化幅度越大。因此，若采用連續大開洞方案會導致側墻局部剛度削弱過多，對既有車站的結構受力和變形影響過大，進而影響既有車站的結構安全及運營安全。為降低對既有車站的影響程度，改造設計中考慮分散側墻開洞的方案，即在側墻開洞總寬度不變的條件下，采取控制單個開洞寬度、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墻。側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構受力和變形的影響程度。

圖2 側墻開洞平面布置圖Fig.2 Floor plan of side wall openings

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

圖3 側墻孔洞上部加強梁做法Fig.3 Construction of side wall opening with upper reinforced beam

2.2 側墻開洞改造工序

由圖2可知，換乘廳范圍內1號線側墻共有5個開洞，其中1個為1號線車站建設時已預留門洞，其余4個為本次新增開洞。為降低對既有車站的影響，新增4個開洞應逐個打開，且相鄰開洞應跳開施工，先行開洞的后澆梁柱框架達到設計強度后，方可進行下一開洞施工，依據此思路確定的開洞順序為：開洞2—開洞4—開洞1—開洞3。

就單個開洞而言，既有地鐵車站側墻按照“化整為零、隨挖隨支”的原則進行改造[2-3]，分塊鑿除單個開洞范圍內既有側墻并分段澆筑框架梁柱。此方案的優點為單次鑿除側墻結構尺寸較小，對既有車站影響相對較小，但同時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。經比選和分析研究，本次改造設計中提出一種既有地鐵車站側墻一次性鑿除單個開洞、施工后澆筑框架的開洞改造方案，單個開洞主要施工工序為：① 既有車站站廳層局部臨時圍擋，并在靠近側墻改造位置架設臨時型鋼支撐；② 鑿除改造范圍側墻結構；③ 施工洞邊加強框架梁柱；④ 待加強框架混凝土達到設計強度后，拆除站廳層臨時支撐和圍擋。側墻單個開洞改造工序如圖4所示。

本改造工序是否可行，需重點進行兩方面驗算：① 由于1號線車站已運營，站臺層軌行區無架設支撐條件，所以僅在站廳層架設臨時支撐，需驗

圖4 側墻單個開洞改造工序圖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 側墻單次開洞范圍較大，在架設臨時支撐條件下，既有車站受力及變形是否滿足要求。

3 有限元計算分析

3.1 計算模型及其參數

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

表1 既有車站結構特性表Tab.1 Structural characteristics of existing station

采用有限元分析軟件建立三維計算模型，對既有車站側墻改造前、改造中和改造后的結構內力重分布及變形情況進行計算分析。車站梁、柱結構用桿單元模擬，車站頂板、中板、底板及側墻結構用殼單元模擬。在側墻及底板邊界處采用只受壓彈簧約束，彈簧剛度根據土體水平及垂直基床系數取值，計算方法采用荷載-結構法。計算所考慮的荷載有結構自重、垂直及水平土壓力、地面超載及其水平分力、人群及設備荷載等，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算模型如圖5所示。

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

3.2 計算結果及分析

有限元計算的主要目的是分析驗算既有車站在改造施工階段及后期使用階段的安全性，同時驗證所提改造方案的可行性。由計算結果可知，既有車站側墻改造對靠近改造一側的頂板、中板、側墻內力影響相對較大，對遠離改造一側的頂板、中板、側墻及底板、頂縱梁、中縱梁、底縱梁、中立柱內力影響相對較小。側墻改造過程中，各工況下既有車站靠近改造一側的頂板、中板、側墻結構在主受力方向的彎矩標準組合值如表2所示。

表2 側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 側墻改造前后，靠近改造一側的頂板和側墻彎矩重分布最為明顯，開洞處頂板與側墻交角處的負彎矩減少了67%，預留短墻與頂板交角處的負彎矩增加了16%，頂板跨中正彎矩增加了16%，負二層側墻跨中正彎矩增加了11%，負二層側墻上支座處負彎矩在開洞處和短墻處分別減少了19%和10%。② 改造期間，由于臨時支撐作用在中板上，中板邊支座負彎矩在開洞處和短墻處分別增加了21%和16%，臨時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開洞時對工況1彎矩重分布范圍未產生疊加影響；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，其對既有車站已完成開洞范圍內的結構彎矩產生了疊加影響，但影響程度較首次開洞要小。

根據三維有限元計算結果，開洞頂部側墻最大沉降為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，側墻改造引起的既有車站沉降相對較小。側墻改造引起既有車站部分結構彎矩增大，根據既有車站結構配筋對彎矩增大后的結構進行了驗算，如表3所示。由表3可知，既有車站配筋可滿足改造中、改造后的結構承載能力極限狀態及正常使用極限狀態的要求。

表3 既有車站結構配筋驗算表

4 結語

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

1) 既有運營地鐵車站側墻改造設計時，應合理確定改造范圍和改造工序，并分析及驗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構安全及運營安全。

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

3) 側墻改造施工工序應綜合考慮結構受力、結構構造和施工難易程度等因素。

4) 側墻改造前后，既有車站結構彎矩重分布較明顯，主要表現為：改造側側墻與頂板交角處負彎矩顯著降低，頂板跨中正彎矩、負二層側墻跨中正彎矩、開洞附近側墻與頂板交角處負彎矩均有一定程度的增加。