既有地铁车站底板开孔的力学特性分析

周小涵，周晓军，李红亮

(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉 430050；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都　610031 ；3.西南交通大学土木工程学院，成都　610031)



既有地铁车站底板开孔的力学特性分析

周小涵1，2，周晓军2，3，李红亮3

(1.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉 430050；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都610031 ；3.西南交通大学土木工程学院，成都610031)

摘要：当新建地铁线换乘车站遇到既有站没有预留换乘条件而需要在既有车站底板开孔以实现换乘时，对既有车站底板开孔后既有站的受力和变形预测很有必要。应用有限元计算软件，计算分析单柱和双柱既有车站站台层底板在不同部位开孔时对既有车站的影响。结果表明，单柱车站和双柱车站底板开孔后的底板变形差异较大，需根据具体情况采用不同的预加固方案。建议尽量在既有底板柱间开孔，同时做好开孔处底纵梁和柱等结构的保护。

关键词：地铁车站；底板；开孔；单柱；双柱；内力；位移

1概述

城市地铁发展的趋势不可阻挡，随着地铁建设的不断深入，会遇到越来越多的工程难题。特别是在复杂换乘节点车站，由于规划等原因造成的设计和施工难度越来越大。

对换乘车站楼板开孔及复杂换乘站力学分析的研究主要有：刘招伟[1]介绍了广州地铁1、2号线换乘车站公园前站的复杂修建技术，进行了换乘节点的力学分析；崇志国[2]通过分析研究以及客流模拟，提出对既有结构进行改造实现扩容，同时增加换乘通道，形成 “井”字形 、“8 节点”方便快捷的平层换乘车站；朱继文[3]结合“十字”换乘已施工和将要施工的换乘车站结构，预测分析了换乘车站施工中存在的风险点和难点，并提出了解决问题的措施；刘洪波、刘晨、杨红伟[4]提出通过改造既有线风井结构实施两线换乘通道的方案，其中涉及到了风道顶板的开孔扩容；任力青[5]分析了换乘通道施工顶板开孔前使用H形钢立柱在顶板和底板之间进行加固的方法；魏重丽[6]研究了如何处理好三线的换乘关系、做好换乘节点的对接规划预留以及处理好与市政工程之间的关系；曹宏[7]叙述了与既有车站通过换乘大厅和换乘通道进行换乘的施工难点，包含了既有站顶板开孔的步骤；周书明[8]介绍了北京地铁4号线宣武门站下穿既有地铁2号线宣武门站时在既有站底板开孔连接新站台层的施工工法和关键技术；陈浩[9]根据北京地铁 9 号线军事博物馆车站下穿既有地铁1号线具体特点，针对既有结构变形采取有效的控制措施，严格控制既有地铁结构的变形不大于3 mm，满足了既有线变形控制指标；赵德平[10]对大尺寸开孔用简化的平面应变模型进行了计算分析；王春希[11]对暗挖隧道下穿既有站采用不同工法及不同加固范围进行了计算分析。

从已有的研究可以看到，在既有车站顶板、底板开孔实现换乘，利用风井等结构改造成换乘通道等已经有实践经验，但是学者多是针对某个具体工程进行了介绍。本文着眼于既有车站底板开孔问题，分析单柱和双柱既有车站在站台层底板不同部位开孔时的力学效应及对既有车站的影响，同时分析施工中应注意的问题。

2换乘车站简介

新建车站与既有车站需实现换乘时，通常有两种换乘方式，即站厅层换乘和站台层换乘。站厅层换乘方式施工相对简单，施工时对地铁运营安全影响小，但换乘距离远，换乘时间长，服务水平低；而站台层间直接换乘，能够有效地缩短换乘距离，减少换乘时间，提高服务水平，但如果既有车站建设年代较久，通常不会预留站台层直接换乘条件。采用站台层换乘存在以下风险：(1)破除既有车站站台层底板施工时对地铁运营有较大影响；(2)可能改变既有车站结构受力模式。

如今，如北京、上海、广州等城市的地铁建设已经进入了新一轮建设高峰。很多新建地铁线，特别是在环线的建设中，出现大量换乘站的情况是很常见的。换乘站的布置大致可以分为：纵轴平行布置和纵轴相交布置[12]。纵轴相交布置分为“十”字换乘、“T”形换乘、“L”形换乘等。

就车站结构形式而言，一般多为双柱车站或单柱车站。对于单柱、双柱车站来讲，“十”字换乘和T”形换乘都可能遇到站台层底板开孔设置连接通道的情况，开孔对两种形式结构的影响是不一样的。选择某既有2层车站结构，在相同的埋深、层高和地质条件下，对比计算单柱车站和双柱车站分别在柱间开孔和跨柱开孔时车站结构的内力和变形。

3计算模型和计算参数

选取单柱和双柱两种车站结构形式和两柱间开孔及跨柱开孔两种开孔位置进行对比计算和分析。其三维计算模型和底板平面开孔模型示意如图1～图4所示。为了直观地观察开孔后车站的变形，仅考虑主体结构，不考虑围护结构。单柱车站开孔在底纵梁两侧，双柱车站开孔在底纵梁之间。车站总长248 m，标准柱间距8.5 m，单柱车站和双柱车站开孔大小分别为8.5 m×2 m和8.5 m×4 m。

图1　单柱车站柱间开孔时的计算模型

图2　单柱车站跨柱开孔时的计算模型

图3　双柱车站柱间开孔时的计算模型

图4　双柱车站跨柱开孔时的计算模型

根据某地铁车站地质勘察资料和设计资料，顶板覆土厚度3 m，底板埋深15.5 m，地面超载取为20 kPa，水位取实际水位，底板位于残积中密状粉土层上，垂直基床系数Kv取50 MPa/m，水平基床系数取60 MPa/m，侧墙位于冲击-洪积粉细砂层、冲击-洪积中粗砂层、残积中密状粉土层，静止侧压力系数K0取0.55。计结构自重、楼面荷载及列车荷载。车站结构材料参数如表1所示。

表1　车站结构材料参数

4计算结果分析

分别计算在相同外部荷载、地质条件下单柱和双柱地铁车站底板不同位置开孔前后的结构受力。

4.1　单柱车站

单柱车站开孔前后的变形如图5～图7所示。将变形和内力变化较大的部位列出如表2所示。

图5　单柱车站开孔前底板竖向位移云图

图6　单柱车站柱间开孔底板竖向位移云图

图7　单柱车站跨柱开孔底板竖向位移云图

开孔位置柱间开孔跨柱开孔工况长边中点(远离底纵梁)最大竖向变形/mm开孔断面侧墙底最大弯矩/(kN·m)开孔断面底纵梁最大竖向变形/mm孔边柱最大竖向位移/mm开孔前1.1-1362-0.05-0.7开孔后3.7-1428-2.1-2.0开孔前0.9-1356-0.5-0.7开孔后4.0-1441-2.8-2.8

注：表中变形值向上为正，向下为负。

对单柱车站来说，总体而言，在底板柱间和跨柱开孔后，底板孔边范围内出现了较大的竖向变形，而对车站底板其他部位影响不大。

对于长边中点的竖向变形，跨柱开孔较底板柱间开孔时增量大。对于孔边柱竖向变形，底板跨柱开孔比在柱间开孔时大。对于开孔断面侧墙底弯矩，跨柱开孔比柱间开孔时大。对于开孔断面底纵梁竖向变形，跨柱开孔比柱间开孔时大。

4.2　双柱车站

双柱车站开孔前后的变形如图8～图10所示。将变形和内力变化较大的部位列出如表3所示。

图8　双柱车站开孔前底板竖向位移云图

图9　双柱车站柱间开孔底板竖向位移云图

图10　双柱车站跨柱开孔底板竖向位移云图

开孔位置柱间开孔跨柱开孔工况长边中点最大竖向变形/mm短边中点最大竖向变形/mm开孔断面底纵梁最大竖向变形/mm孔边柱最大竖向变形/mm开孔断面底板最大负弯矩/(kN·m)开孔前-0.4-0.3-0.3-0.8-578开孔后-1.9-1.5-1.4-1.6-652开孔前-0.7-0.2-0.8-0.8-590开孔后-2.3-1.2-1.8-1.8-672

注：表中变形值向上为正，向下为负。

对双柱车站来说，总体而言，在底板柱间和跨柱开孔后，底板孔边范围内出现了较大的竖向变形，而对车站底板其他部位影响不大。

从计算结果可以看到，开孔前后变化较大的有：长边中点的竖向变形、短边中点竖向变形、孔边柱竖向变形、开孔断面侧墙底弯矩、开孔断面底纵梁竖向变形和开孔断面底板最大负弯矩等。同时，从计算结果可以看出，柱间开孔和跨柱开孔时上述变形和内力的变化差异不大。

4.3　加固探讨

根据上述计算结果可知，单柱车站和双柱车站底板开孔后的变形规律和应力变化存在差异。所以在进行加固之前应该根据具体情况制定加固方案。总的来讲，双柱车站的开孔位置对底板变形和内力的影响不大，而单柱车站开孔位置对底板变形和内力的影响较大。同时，双柱车站由于本身双柱结构的稳定性更强，所以开孔后较安全。

根据计算结果，考虑到既有车站在施工过程中通常需要继续运营，同时参考既有工程经验，建议先在既有车站底板下暗挖换乘通道，采用注浆、立柱、布设千斤顶等底板加固措施。随后再开挖底板孔洞，贯通换乘通道。鉴于开孔后的影响范围较大，建议至少对结构周围3 m范围内地层进行注浆加固。

针对单柱车站底板开孔，应加强孔边、孔边柱、底纵梁及开孔断面侧墙的保护加固。针对双柱车站，虽然其变形比单柱车站小，但仍需加强孔边、底纵梁、孔边柱及开孔断面负弯矩底板的保护加固。

从实际设计和施工的角度讲，由于开孔后换乘通道的功能要求，开孔大小和位置可能不规则，所以具体情况应该具体分析。

5结论及建议

通过对单柱和双柱既有车站在站台层底板柱间及跨柱开孔的模拟计算和分析，得出如下结论及建议。

(1)双柱车站和单柱车站站台层底板开孔后，开孔影响范围内的变形规律有差异。两种结构车站在柱间和跨柱开孔时，底板孔洞周边及邻近柱的变形和应力有较大差异。从控制变形及施工便利的角度出发，建议尽量采用柱间开孔方案。

(2)为了保证既有线路的正常通行，建议在开孔前对站台层底板进行预加固。根据计算结果，参考既有工程经验，建议先在既有车站底板下暗挖换乘通道，采用注浆、立柱、布设千斤顶等加固措施。随后再分步对底板进行开孔，贯通换乘通道。鉴于开孔后的影响范围较大，建议至少对结构周围3 m范围内地层进行注浆加固，并使用千斤顶等重点加固变形较大的部位。

(3)为了结构安全，在施工过程中做好既有车站结构变形的实时监测工作，通过监测数据来指导施工，做到信息化施工。

参考文献：

[1]刘招伟.繁华城区大型地铁换乘车站修建技术[J].中国铁道科学，2002(6):136-140.

[2]崇志国.北京地铁呼家楼站换乘方案研究[J].铁道标准设计，2014(10):105-108.

[3]朱继文.地铁换乘车站施工风险预测分析与措施[J].建筑施工，2010(6):515-516.

[4]刘洪波，刘晨，杨红伟.上海轨道交通11号线愚园路站换乘通道实施方案[J].城市轨道交通研究，2008(2):35-38.

[5]任力青.地铁车站换乘通道施工控制技术[J].建筑施工，2011(3):232-234.

[6]魏重丽.武汉地铁徐家棚换乘站设计方案研究[J].铁道工程学报，2012(6):109-113.

[7]曹宏.上海轨道交通7号线常熟路站换乘通道施工技术[J].施工技术，2014(18):52-56.

[8]周书明. 拆除运营地铁车站底板施工换乘结构的关键技术[J].都市快轨交通，2010(5):83-87.

[9]陈浩.地铁暗挖车站下穿既有地铁隧道变形控制关键技术[J].铁道标准设计，2013(11):97-100.

[10]赵德平.大尺寸开洞结构的简化平面应变模型的分析和探讨[J].特种结构，2010(4)：18-21.

[11]王春希.暗挖隧道下穿既有站沉降控制措施[J].铁道标准设计，2014(6):107-110.

[12]吴敏慧，张庆贺.大型地铁车站换乘方式比选[J].现代隧道技术，2006(S1)：520-523.

Mechanical Property Analysis of Opening Holes in Existing Subway Station Platform Floor

ZHOU Xiao-han1，2, ZHOU Xiao-jun2，3, LI Hong-liang3

(1.China Zhongtie Major Bridge Reconnaissance & Design Institute Co.， Ltd.， Wuhan 430050， China;

2.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering， Ministry of Education， Southwest Jiaotong University，

Chengdu 610031， China; 3.School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

Abstract：Where there is no designed gallery in the existing subway station holes have to be opened to allow passengers to transfer from the existing subway station to the newly built subway station， and the internal forces and deformation of the existing station have to be predicted after holes are opened. The existing single-pillar and double-pillar stations are analyzed with finite element analysis software where holes are opened in different places in the platform floor. The results show that single-pillar and double-pillar stations differ greatly in internal forces and deformation after holes are opened in different places in the platform floor， and different reinforce measures have to be taken accordingly. It is recommended that holes should be opened between existing floor pillars and bottom girders and pillars should be protected carefully.

Key words：Subway station; Platform floor; Opening holes; Single-pillar; Double-pillar; Internal force; Deformation

作者简介：周小涵(1988—)，男，博士研究生，E-mail：zhouxh2008@126.com。

收稿日期：2015-06-01； 修回日期：2015-06-15

中图分类号：U231+.4

文献标识码：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.026

文章编号：1004-2954(2016)01-0119-03