既有地鐵車站節點改造技術研究

摘 要：為了進一步探索既有車站部分節點的結構改造設計防范，以深圳市桃園站為例進行分析，并結合桃園站改造設計的具體內容，構建三維有限元模型，對結構的變形、內力進行模擬。

關鍵詞：既有車站；節點改造；沉降；內力

中圖分類號：TU753;U231.4" " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2023）08-0025-03

0 引言

既有結構的改造一般具有施工組織復雜、技術要求高、風險大等特點，整個改造施工過程中，必須控制既有地鐵車站的各項變形及受力指標，保證既有線的正常運營。

目前，既有地鐵車站的改造設計及施工大多處于研究發展階段，改造過程主要涉及施工工序、受力體系轉換、既有車站變形控制等。本文結合實際的工程案例，為今后地鐵車站改造積累寶貴經驗。

1 工程概況

桃園站為 1號線與 12號線換乘站。既有1號線桃園站為地下兩層，局部三層預留與12號線換乘節點，原設計方案1號線與12號線采用十字島側換乘。由于北邊12號線大里程端用地問題，換乘方式調整T型島島換乘，12號線桃園站由側式站臺車站調整為島式站臺車站，導致1號線預留接口需要改造。

桃園站負三層軌行區節點改造是在既有1號線桃園站運營的條件下，在1號線承軌層下對換乘節點進行改造。本次節點改造的設計邊界條件極為復雜（預留節點凈高有限、側墻未預留接駁條件、底板上翻梁侵限等），施工風險大、難度高（施工空間狹小，需不影響既有1號線桃園站運營），因此對運營中的1號線桃園站的變形指標控制極為嚴格。

到目前為止，國內外對于此類地鐵工程情況結構設計、施工安全、施工監測、結構安全等關鍵技術問題研究還比較少。對桃園站負三層軌行區節點改造設計，不僅要保證車站改造后，結構構件尺寸、配筋均能夠符合設計要求，還要確保既有1號線桃園站結構承載力、耐久性、變形及軌道變形滿足結構及運營安全。

2 工程水文地質

車站場地范圍內上覆第四系全新統人工填堆填層（Q4ml，回填時間大于5年）、晚更新世沖洪積層（Q3al+pl）、坡積層（Qdl）、殘積層（Qel），下伏基巖為全、強、中、微風化粗粒花崗巖。

根據其賦存介質的類型，車站地下水主要有3種類型：第一種是賦存于第四系人工填土層中的上層滯水，主要賦存于填砂、填碎石中。第二種是孔隙潛水，賦存于第四系上更新統沖洪積粗砂、礫砂中，殘積砂質粘性土及粘性土層中含少量孔隙潛水，具微承壓性。第三種為基巖裂隙水，主要賦存于基巖強-中等風化帶中，為基巖裂隙承壓水，富水性因基巖裂隙發育程度、貫通程度及膠結程度而變化。

本場地地下水對混凝土結構具弱腐蝕性，長期浸水環境下，地下水對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性。在干濕交替環境下，地下水對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性。

3 改造設計

3.1 施工工序

因為12號線左線穿越換乘節點區域與原設計節點位置基本重合，車站的側墻部位已經預留梁柱結構體系，為此破除該位置的側墻不會對既有結構造成很大的影響。

改造的重難點主要在12號線右線穿越區域。首先是側墻未預留梁柱體系，其次1號線的兩道中縱梁采用了上翻，上翻梁的突出底板的高度達到了1 400 mm，根據限界要求，突出板面部分的縱梁必須進行鑿除。側墻孔洞及中縱梁鑿除，必然改變原有結構的受力狀態。改造的施工順序如表1。

3.2 側墻開洞處理

在對既有箱型框架結構側墻進行鑿除并改造時，側墻開洞將引起結構局部應力改變，進而使得軌行區變形量增大。而桃園站負三層軌行區節點改造是在既有1號線桃園站運營的條件下，在1號線承軌層下對換乘節點進行改造，此問題尤為突出。既有1號線桃園站承軌層下對換乘節點進行改造，對如何確定側墻的開孔距離、開孔尺寸、開孔工序，以及補強結構的結構形式、構件尺寸等都會有很大影響[1]。

結合上述條件，本項目側墻開孔要求如下：在保證結構安全施工的前提下，側墻開孔需給后期補強結構預留施作條件，且開孔尺寸不宜過大。開孔擬采用矩形洞口，洞口尺寸滿足建筑、行車、限界、軌道等各專業的最小凈空尺寸要求即可。開孔尺寸擬定為左線側墻開5.2 m×6 m矩形孔洞，右線側墻開5.4 m×6 m矩形孔洞，孔洞間凈距為11.8 m。

鑒于開孔尺寸為（5.2～5.4 m）×6 m，為提高施工效率，且保障施工期間的安全性，需要在輔助措施的幫助下進行開洞。擬采用在開洞范圍內增加豎向支承并結合“分倉跳拆法”進行施工。

3.3 底縱梁鑿除處理

在改建過程中，右線區域底縱梁為上翻結構，根據限界要求需鑿除1號線底縱梁（縱向跨度為7.8 m）。由于原設計車站底板為單向板，縱梁為底板的中支座，底縱梁的鑿改變了原有的受力體系。本次改造考慮通過設置垂直底縱梁的箱型型鋼混凝土結構進行受力轉換，先施工箱型結構，待其達到設計強度之后，再進行底縱梁鑿除，保證受力轉換[2]。

4 數值模擬

針對節點改造部位施工方案，采用Midas-Gen建立三維有限元模型進行計算分析，選桃園站預留節點（7跨）范圍內所有的構件（含節點改造新建箱型結構）進行模擬。模擬采用三維網格單元，共劃分節點8 857個，單元10 067個。

4.1 位移分析結果統計

對桃園站預留節點（7跨）范圍內所有的構件（含節點改造新建箱型結構）進行模擬計算，位移計算結果見圖1和圖2。

根據表2數值模擬分析結果，桃園站負三層軌行區改造引起既有地鐵結構軌行區變形在安全控制要求范圍內（未超過控制值），影響總體可控。

4.3 內力分析結果統計

通過桃園站節點改造三維有限元模型，讀取得1號線軌行區位置處內力云圖，如圖3所示。

針對桃園站負三層軌行區改造方案，對二維斷面模型中的內力數據及Midas-Gen三維有限元模型中的內力數據進行對比，驗算1號線換乘節點處原設計鋼筋混凝土結構，是否滿足極限狀態承載能力及正常使用承載能力的要求。根據三維有限元模型內力數值進行計算，裂縫最大值、耐久性及承載能力滿足要求[3]。

5 監測方案

1號線為已運營的線路，為保證運營中的1號線的安全，根據本工程對運營中的地鐵 1 號線桃園站的外部作業影響等級，本工程與影響范圍地鐵車站（隧道）位置關系以及設計要求，對既有線車站和區間自動化監測。

根據最終的監測數據可知，1號線桃園站軌行區豎向位移累計最大量為3.25 mm，軌行區水平位移累計最大量為1.3 mm，左右道床橫向高差值為0.04 mm。現場監測的節點改造施工時結構狀態監測值見表3。表3數據說明，節點改造對運營車站的保護是相當成功的。

6 結束語

本文對既有運營線路承軌層下側墻開孔、補強工藝及施工采用的安全保障措施進行闡述，通過對承軌層下側墻開孔、中縱梁的鑿除、箱型結構受力轉換帶來的條件變化，進行模擬驗算分析，制訂詳細的節點改造施工方案，嚴格按照施工工序進行模擬計算，并對1號線軌行區進行監測，最終保證了施工期間軌道交通的正常運營，達到了理想目標。目前該12號線已經開通運營，本次改造方案可為類似工程提供借鑒方案。

參考文獻

[1] 馬騰霄，邵生俊，吳昊，等.PBA工法裝配式地鐵車站結構設計關鍵技術研究[J].建筑結構，2023，53（S1）：1296-1303.

[2] 楊建喜，陳富強，楊光華，等.圓形地下連續墻環向剛度影響因素及折減系數取值研究[J].廣東土木與建筑，2023，30（5）：1-6+41.

[3] 費耀明，何政熙，周亞東.基于流固耦合的深基坑開挖對鄰近地鐵站影響研究[J].鐵道建筑技術，2023（4）：178-181.