黄土地区地铁车站换乘改造施工力学行为研究

李储军,王立新,胡瑞青,汪 珂,白阳阳

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043； 2.陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

引言

随着我国城市化进程的不断加快和经济的日益发展，城市公共交通压力与日俱增，而地铁作为大运量的交通运输工具在缓解城市交通拥堵方面起着至关重要的作用[1-4]，随着地铁工程的大量修建和迅猛发展，使得新建地铁车站与既有地铁车站衔接并形成整体已成为换乘站设计的一个重要内容。但是由于线网规划、建设时序等因素，先期建设的地铁车站未给远期地铁车站预留换乘条件或预留换乘条件无法满足现行客流及规范等相关要求，因此新建车站时需对既有车站结构板墙进行局部破除改造[5-8]。由于车站主体结构板墙开洞后，将导致板墙支承约束条件和传递荷载路径的变化，从而改变车站局部结构的受力状态[9]，针对既有地铁车站板墙开洞施工工艺及施工力学行为，国内外众多专家学者进行了广泛而深入的研究，并取得了大量的理论与实践成果。刘元杰[9]通过典型明挖地铁车站三维数值计算分析总结了板墙开孔尺寸对主体结构内力的变化规律，张长泰[5]、徐斌[6]采用有限元分析程序对施工破除既有侧墙方案进行理论分析，并对施工阶段监测数据进行回归分析验证了施工方案是切实可行的，李昂等[7]通过方案优化、理论分析及数值模拟等方法对单拱独柱地铁车站侧墙开洞的影响进行分析，并提出了新、旧结构连接的防水设计及施工工艺，吴洪墙[10]总结了在既有运营地铁站厅层侧墙开洞施工中的方法和注意事项。

然而既有研究多采用弹性地基框架(荷载-结构模型)计算模型对板墙开洞施工力学行为进行模拟分析，未考虑结构与地层的共同作用，且既有研究的分析对象多集中于板墙开洞的单一工况，而对邻近新建换乘厅基坑及换乘通道开挖引起的叠加效应鲜有报道，而往往地铁车站和横通道接口部位空间结构受力复杂，孔洞周边应力集中，是结构的薄弱环节[11]。本文运用有限元程序分析研究黄土地区既有地铁车站换乘改造的空间施工力学行为，以期为后续类似换乘改造设计和施工提供理论依据和技术支撑。

1 工程概况

西安地铁2号线南稍门站位于友谊路与长安北路交叉口南侧，沿长安北路南北向布置；南稍门站为地下二层岛式站台车站，未预留换乘条件，车站结构采用10 m站台的双层单柱双跨框架结构形式。新建西安地铁5号线南稍门站位于友谊路与长安北路交叉口西侧，沿友谊西路东西向布置，与既有2号线采用“L形”通道换乘方式。为增加换乘能力，在既有2号线车站西侧新建地下一层换乘厅，并通过新建换乘横通道将换乘厅与2号线既有站厅连接，且需在既有车站主体结构站厅层侧墙开洞以实现联通。新建换乘厅与既有2号线南稍门站之间夹土体铺设有混凝土DN1000雨水管(直埋)和混凝土DN600污水管(直埋)，受场地条件限制及周边环境等影响[12]，管线迁改困难，因此换乘横通道考虑采用平顶直墙矿山法隧道断面形式，施工工法为交叉中隔墙法或双侧壁导坑法，南稍门换乘站总平面如图1所示，换乘大厅、暗挖横通道及既有车站剖面关系如图2所示。

图1 南稍门车站总平面

图2 换乘大厅、暗挖横通道及既有车站剖面关系

2 侧墙开洞施工工艺

在地铁车站进行局部破除改造时，因开洞上端和下端部位约束发生变化，传递荷载路径亦将发生改变，使车站主体结构局部受力变化明显。为确保既有线结构安全，侧墙开洞施工宜遵循“化整为零，随挖随支”的原则，即加强圈梁应尽快封闭成环，完成施工过程中结构承载体系的有效转换与协调变形[5]，当换乘通道施工到既有车站结构外皮位置时，拟对地铁车站侧墙分3次进行破洞施工。

第一步：分段破除图3(a)中阴影部分墙体I区，破除高度控制在新做顶梁底500 mm左右(柱位处全破除)，架立临时竖向支撑(I28a工字钢)，施作洞口边柱及顶梁端部；第二步：破除图3(b)中阴影部分墙体Ⅱ区至新做顶梁底500 mm左右，架立临时竖向支撑；第三步：施作顶梁结构，与先期施工顶梁完成接驳；第四步：待边柱及顶梁混凝土强度达到设计强度要求后，拆除梁下临时型钢支撑以及临时支撑体系，破除顶梁底剩余墙体，地铁车站侧墙开洞施工步序如图3所示。

图3 地铁车站侧墙开洞施工步序(单位：mm)

3 侧墙开洞计算工况

因先期建设的既有2号线南稍门站未预留任何换乘条件，为实现与既有站的换乘功能需在既有地铁车站侧墙开洞接入。根据南稍门站远期预测超高峰小时的换乘客流量，确定换乘横通道总宽度为15 m，考虑到地铁车站板墙破除开洞势必会改变车站局部结构的受力状态，为保证既有线结构安全，拟分析研究侧墙开洞尺寸(5，7.5，15 m)及孔洞净距(0.5D、1.0D、1.5D)对既有地铁车站变形特性及受力特征的影响，为既有地铁车站换乘改造设计和施工提供有益的借鉴和指导。

4 模型建立

4.1 计算模型

运用有限元分析软件MIDAS/GTS NX建立三维有限元模型，对黄土地区新建换乘厅基坑开挖、横通道施工及既有车站侧墙开洞的空间施工力学行为进行分析研究，数值模拟建模时，模型横向宽度取165 m，纵向宽度取80 m，竖向高度取35 m，新建暗挖换乘通道埋深4.8 m，污水管混凝土DN600和雨水管混凝土DN1000埋深分别为3.7 m和2.7 m，地层从上至下依次为素填土1-2、新黄土3-1-1、新黄土3-1-3、古土壤3-2-2、老黄土4-1-1及粉质黏土4-4。围岩、新建换乘厅基坑及既有2号线车站主体结构整体有限元模型如图4所示，新建换乘厅基坑围护结构、暗挖横通道及既有车站主体结构如图5～图7所示。基坑水平对撑、冠梁、围檩、换乘厅与既有车站纵梁及中柱、既有车站侧墙开洞临时型钢支撑、边柱及顶梁、地下管线等均采用1D梁单元模拟，超前大管棚采用植入式梁单元模拟，基坑等效地下连续墙及角撑、换乘厅及既有车站板墙等均采用2D板单元模拟，横通道初支、二衬和土体等均采用3D实体单元模拟，静力计算时模型底部采用固定边界条件，模型四周采用法向约束边界，顶面采用自由变形边界[13-15]。

图4 围岩与地下建(构)筑物整体有限元模型(单位：m)

图5 新建换乘厅基坑围护结构

图6 暗挖换乘通道(平顶直墙+仰拱)

图7 既有南稍门站主体结构

4.2 计算参数

新建换乘厅基坑围护结构、横通道支护结构及换乘厅、既有地铁车站梁板柱等均采用线弹性本构模型，土体采用修正摩尔库伦本构模型，超前小导管注浆预加固作用采用等效地层加固方式[16]，考虑到暗挖横通道施工的时间效应，开挖、支护过程中荷载释放率分别为30%和70%[17-19]，土层和结构的基本物理力学参数如表1、表2所示。

表1 土层基本物理力学参数

注：①地下连续墙厚度由围护桩等效刚度计算；②暗挖横通道不同跨度断面尺寸；③大管棚壁厚由等效抗弯刚度计算。

5 换乘通道不同开挖跨度下计算结果分析

5.1 变形结果分析

(1)混凝土DN600污水管与混凝土DN1000雨水管

由于新建换乘厅基坑开挖卸载影响，坑周及坑底土体均产生偏向基坑侧的位移[20-21]，进而导致既有地铁车站和雨污水管线的上抬变形及水平侧移。

横通道不同开挖跨度下基坑开挖邻近地下管线水平变形极值曲线如图8所示。由图8可知，地下管线整体表现为水平侧移且变化规律基本一致，其中，混凝土DN600污水管和混凝土DN1000雨水管的水平变形极值分别为1.12 mm和0.78 mm。地下管线变形部位均主要发生在基坑范围，且偏向基坑侧，同时基坑开挖至坑底时水平侧移量最大；由于基坑围护结构水平对撑布置不同(即支撑刚度不同)，地下管线基坑范围局部水平变形较大。

图8 横通道不同开挖跨度下地下管线水平变形极值曲线

横通道不同开挖跨度下地下管线竖向变形极值曲线如图9所示。由图9可知，随着暗挖横通道开挖跨度的增加，地下管线竖向沉降值显著增大且变形规律基本一致，呈“漏斗”状，换乘改造施工过程中地下管线沉降变形极值如表3所示。由表3可知，暗挖横通道7.5 m和15 m净跨方案地下管线的竖向沉降极值分别为2.14 mm和3.46 mm，较暗挖横通道5 m净跨方案增幅分别为48.6%和140.3%，地下管线下沉变形极值部位均位于隧道拱顶正上方。

图9 横通道不同开挖跨度下地下管线竖向变形极值曲线

隧道跨度/m5.07.515.0沉降变形/mmDN600-1.32-1.72-2.79DN1000-1.44-2.14-3.46

由于新建换乘厅基坑开挖已对坑周土体产生了扰动，当暗挖横通道施工时将会对周围土层造成二次扰动，进一步增加邻近雨污水管线的变位。因此在暗挖横通道超近距下穿年代久远、非刚性接头的雨污水干管时，宜控制隧道开挖跨度，且建议基坑开挖卸荷前对基坑范围管线采用地表袖阀管注浆，预加固后注浆管及时洗管，留作跟踪注浆加固用，保证市政管线的正常使用及隧道施工安全。

(2)换乘通道

横通道不同开挖跨度下衬砌结构竖向变形极值如表4所示。由表4可知，随着暗挖横通道开挖跨度的增加，衬砌结构变形极值增大且增幅较大，其中暗挖横通道7.5 m和15 m净跨方案拱顶沉降极值分别为2.35 mm和3.60 mm，较暗挖横通道5 m净跨方案增幅分别为35.8%和108.1%。

表4 横通道不同开挖跨度下衬砌结构竖向变形极值

(3)地铁车站主体结构

由于既有地铁车站侧墙未预留换乘通道接口条件，而侧墙开洞必然会改变原结构的受力承载体系，导致既有结构局部发生变形及应力重分布。

新建换乘厅基坑开挖卸荷使近基坑侧车站整体发生上抬变形，而侧墙开洞导致孔洞上端和下端部位支承约束减弱，开孔洞顶发生下沉变形，横通道不同开挖跨度下既有车站变形极值曲线如图10所示。由图10可知，随着侧墙开洞跨度的增加，既有车站主体结构下沉变形极值显著增大且变形增幅较大，基本呈线性增长趋势，而上浮变形主要由新建换乘厅基坑开挖卸载引起，侧墙开洞对既有车站隆起变形影响较小，因此横通道不同开挖跨度下既有车站隆起变形极值曲线变化甚小，沉隆变形极值部位分别位于侧墙开洞洞顶和换乘通道与既有车站中板接口处。因换乘改造施工使作用于侧墙的水平土压力减小，即地层对侧墙的水平约束作用减弱，因此横通道与既有车站中板接口处发生偏向基坑侧的横向变形，且随着侧墙开洞跨度的增加，横向变形极值增大。横通道不同开挖跨度下既有车站变形极值如表5所示，其中，暗挖横通道15 m净跨方案侧墙开洞完成后既有车站主体结构沉隆变形极值分别为0.74 mm和0.69 mm，水平侧移极值为0.81 mm，但考虑到既有车站结构正常使用阶段整体刚度降低等实际工程因素，尚应遵循“少扰动，紧封闭”的开洞原则，严格控制既有车站结构变形。

表5 横通道不同开挖跨度下既有车站变形极值

图10 横通道不同开挖跨度下既有车站变形极值曲线

5.2 内力结果分析

侧墙开洞必然使孔洞周边的支承约束发生变化，同时传递荷载路径亦将发生改变，导致与侧墙孔洞相邻的顶板跨和中板跨纵横向弯矩增加，经核算，既有车站结构断面配筋满足受力要求和裂缝宽度限值，限于篇幅，重点讨论侧墙开洞施工引起的侧墙受力变化情况。

侧墙开洞导致孔洞上端部位发生下沉变形，下端部位(横通道与既有车站中板接口处)发生上抬变形，孔洞上端由受压区转变为受拉区，且孔洞顶部下沉底部隆起导致孔洞两边侧墙受到挤压，竖向压力突增。因此，在既有车站侧墙破除开洞时加强圈梁应尽快封闭成环，以抵抗由于侧墙开洞引发的周边结构复杂的内力形式。横通道不同开挖跨度下既有车站侧墙内力极值曲线如图11、图12所示。由图可知，随着侧墙开洞跨度的增加，孔洞上端部位拉力及两边压力增大且增幅较大，横通道不同开挖跨度下既有车站侧墙轴力极值如表6、表7所示。

图11 横通道不同开挖跨度下侧墙轴力Fxx极值曲线

图12 横通道不同开挖跨度下侧墙轴力Fyy压力极值曲线

表6 横通道不同开挖跨度下既有车站侧墙轴力Fxx极值kN

横通道跨度/m57.515基坑开挖前-21.5-347.1-1.74-341.8-2.6-352.4侧墙开洞后+326.6-432.4+520.6-533.7+923.8-794.8

表7 横通道不同开挖跨度下既有车站侧墙轴力Fyy极值 kN

横通道不同开挖跨度下既有车站侧墙弯矩极值如表8、表9所示。由表8、表9可知，侧墙开洞引起的侧墙弯矩极值变化幅度较小，弯矩极值均位于车站侧墙跨中处。

表8 横通道不同开挖跨度下既有车站侧墙弯矩Mxx极值 kN·m

表9 横通道不同开挖跨度下既有车站侧墙弯矩Myy极值 kN·m

6 换乘通道不同水平净距下计算结果分析

为研究暗挖横通道不同水平净距工况下换乘改造施工阶段既有地铁车站及邻近雨污水管的空间施工力学行为，通过对比分析暗挖横通道不同开挖跨度条件下地下建(构)筑物的变形规律及受力特征，选取暗挖横通道7.5 m净跨不同水平净距下(0.5D、1.0D、1.5D)的3种工况，分析研究换乘改造施工对既有地下建(构)筑物的变形和受力影响。

6.1 变形结果分析

(1)混凝土DN600污水管与混凝土DN1000雨水管

换乘改造过程中雨污水管的水平变形主要由新建换乘厅基坑开挖卸荷引起，因此，横通道不同水平净距下雨、污水管线水平变形较横通道不同开挖跨度工况基本无变化，在此不再赘述。

横通道不同水平净距下地下管线竖向变形极值曲线如图13所示。由图13可知，随着暗挖横通道水平净距的增加，地下管线下沉变形增幅较小但变形规律基本一致，呈“驼峰”状，横通道不同水平净距下地下管线竖向变形极值如表10所示。由表10可知，暗挖横通道不同水平净距下雨污水管竖向沉降变形极值基本相同，混凝土DN600污水管和混凝土DN1000雨水管的下沉变形极值分别为1.70 mm和2.07 mm，地下管线竖向变形极值部位均位于隧道拱顶正上方。

图13 横通道不同水平净距下地下管线竖向变形极值曲线

表10 横通道不同水平净距下地下管线竖向变形极值

横通道水平净距0.5D1.0D1.5D沉降变形/mmDN600-1.68-1.70-1.70DN1000-2.01-2.07-2.07

(2)换乘通道

横通道不同开挖跨度下衬砌结构竖向变形极值如表11所示。由表11可知，随着暗挖横通道水平净距的增大，衬砌结构竖向变形极值略微减小。暗挖横通道水平净距为0.5D时衬砌结构变形较大，沉隆极值分别为-2.37 mm和1.82 mm。

表11 横通道不同水平净距下衬砌结构竖向变形极值

(3)地铁车站主体结构

既有线换乘改造施工中新建换乘厅大范围的基坑开挖卸荷是引起既有车站结构发生上浮变形的主因，故横通道不同水平净距下既有车站隆起变形极值基本不变，上抬变形部位位于换乘通道与既有车站中板接口处。随着侧墙开孔水平净距的增加，开孔对上端支承约束削弱的影响减小，故孔洞上端发生下沉变形的极值亦逐渐减小。考虑到换乘改造施工使作用于侧墙的地层抗力减小，因此横通道与既有车站中板接口处发生偏向基坑侧的横向变形，横通道不同水平净距下既有车站竖向变形极值曲线如图14所示。由图14可知，横通道不同水平净距下既有车站变形均呈减小趋势，而变化幅度较小，横通道不同水平净距下既有车站变形极值如表12所示。

图14 横通道不同水平净距下既有车站变形极值曲线

表12 横通道不同水平净距下既有车站变形极值

横通道水平净距0.5D1.0D1.5D竖向变形/mm隆起+0.68+0.68+0.67沉降-0.21-0.19-0.17水平变形/mm0.700.680.68

6.2 内力结果分析

横通道不同水平净距下既有车站侧墙轴力极值如表13所示。由表13可知，横通道不同水平净距下侧墙轴力变化极小，但为最大限度地减少开洞施工对既有线的影响，建议左右换乘通道破除改造宜分期实施，待洞口加强梁柱达到设计强度之后方可进行下一横通道的开洞破除施工。

横通道不同水平净距下既有车站侧墙弯矩极值如表14所示。由表14可知，横通道不同水平净距下侧墙双向弯矩变化均较小，变化幅度10%以内，经核算既有车站结构断面配筋满足施工及使用阶段结构强度及刚度的要求。

表13 横通道不同水平净距下既有车站侧墙轴力极值 kN

表14 横通道不同水平净距下既有车站侧墙弯矩极值 kN·m

7 结论与建议

以西安地铁5号线新建南稍门站对既有地铁车站换乘改造工程为背景，运用有限元程序分析研究了黄土地区既有地铁车站换乘改造的空间施工力学行为，主要结论如下。

(1)侧墙开洞必然导致板墙支承约束条件和传递荷载路径的变化，从而改变既有车站局部结构的变形和受力状态，故侧墙开洞应遵循“化整为零，随挖随支”的原则，以尽快完成既有车站结构承载体系的有效转换和协调变形。该施工工艺可为后续类似侧墙开洞设计和施工提供理论依据和技术支撑。

(2)换乘改造施工过程中，新建换乘厅基坑开挖卸荷是引起邻近雨污水管水平侧移及既有地铁车站上抬变形的主因，其引起的变形量占换乘改造施工累计变形的97%以上，而横通道开挖是导致雨、污水管下沉变形的关键工序，约占总沉降量的95%，同时侧墙开洞使板墙支承约束减弱导致孔洞上端发生下沉变形，因此实际工程中应加强动态监测，以确保既有线及周边环境的安全。

(3)侧墙开洞导致孔洞上端发生下沉变形，横通道与既有车站中板接口处发生上抬变形，从而引起孔洞顶部由受压区转为受拉区，其中横通道15 m开挖跨度下拉力最值达923.8 kN，另外洞口周边竖向压力突增，其中横通道15 m开挖跨度下竖向压力最值达2 279.3 kN，为基坑开挖前的2.4倍，而侧墙弯矩变化幅度较小(5%以内)。因此，在既有车站侧墙开洞时加强圈梁应尽快封闭成环，以抵抗由于侧墙开洞所引发的周边结构复杂的内力形式。

(4)随着横通道开挖跨度的增加，雨、污水管及既有车站的变形和内力增大且增幅较大，而横通道水平净距对雨、污水管及既有车站的变形和内力基本无影响。因此，破除既有线侧墙方案建议选取7.5 m净跨0.5D水平净距的施工方案，可确保既有线的运营及施工安全。