既有地铁车站侧墙开洞改造设计方案

2023-02-12王斌

城市轨道交通研究 2023年1期

王斌

(安徽省综合交通研究院股份有限公司，230001，合肥∥高级工程师)

随着各大城市中轨道交通线路的不断增加，换乘车站的数量也逐渐增多。但由于城市轨道交通线网规划调整等原因，一些前期未预留换乘条件的地铁车站需调整为换乘车站。为满足换乘功能，不可避免地需要对既有地铁车站侧墙结构进行开洞改造[1]。侧墙开洞改造设计方案尤为重要，其关系到既有地铁车站结构安全及运营安全。本文以合肥轨道交通1号线(以下简称“1号线”)云谷路站既有车站侧墙改造为例，提出一种一次性凿除单个开洞的侧墙改造方案，并采用三维有限元软件计算验证所提方案的可行性，可为类似工程提供参考与借鉴。

1 工程概况

1号线云谷路站位于庐州大道与云谷路交叉口，沿庐州大道南北向布置，为地下两层双柱三跨岛式站台车站。当初1号线建设时，云谷路站为非换乘车站，后期由于城市轨道交通线网规划的调整，将云谷路站调整为1号线与合肥轨道交通5号线(以下简称“5号线”)的换乘车站。5号线车站为地下三层双柱三跨岛式站台车站，垂直于1号线沿云谷路东西向布置。云谷路站车站总平面图如图1所示。5号线与1号线采用站厅层换乘方式，两车站之间通过换乘厅进行连通。由于1号线车站实施时未预留换乘条件，所以5号线施工时需在既有1号线侧墙上进行开洞改造，以实现两条线路的换乘功能。

图1 云谷路站车站总平面图Fig.1 General plan of Yungu Road Station

2 侧墙改造方案研究

2.1 侧墙开洞改造范围

新建换乘厅采用明挖顺作法施工，拟在换乘厅侧墙施工时进行既有车站侧墙改造。从建筑功能及视觉效果角度考虑，侧墙宜连续开洞、开大洞；从对既有车站结构安全及运营安全角度考虑，既有侧墙宜少开洞、开小洞，故侧墙改造范围需根据本站具体情况，结合建筑功能、结构安全等因素综合确定。

首先，改造时应充分利用既有车站的有利条件进行施工。由于既有车站西侧墙已预留了一个宽为5 m的出入口门洞，本次侧墙改造工程可直接利用其作为非付费区通道。其次，根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》，开洞改造应满足既有车站结构承载能力极限状态计算和正常使用极限状态验算。侧墙开洞会降低侧墙刚度，进而引起既有车站结构位移及内力重分布，且侧墙刚度降低越多，结构位移和内力重分布的变化幅度越大。因此，若采用连续大开洞方案会导致侧墙局部刚度削弱过多，对既有车站的结构受力和变形影响过大，进而影响既有车站的结构安全及运营安全。为降低对既有车站的影响程度，改造设计中考虑分散侧墙开洞的方案，即在侧墙开洞总宽度不变的条件下，采取控制单个开洞宽度、增大各开洞之间的间距等措施，在相邻两开洞之间保留一定宽度的既有侧墙。侧墙开洞平面布置图如图2所示。该方案既可满足车站建筑功能，又可降低对既有车站结构受力和变形的影响程度。

图2 侧墙开洞平面布置图Fig.2 Floor plan of side wall openings

在高度方向上，侧墙开洞的净高需要3.35 m，1号线车站主体结构净高为4.85 m，新建工程一般利用结构高差设置孔边加强梁，如图3 a)所示。本次侧墙改造工程中，若设置此种孔边加强梁，需先凿除孔洞上方侧墙及板墙相交处的顶板结构，对既有车站结构内力和变形影响较大。为降低对既有车站的影响，改造过程中考虑保留顶板与侧墙腋角以上结构，将侧墙凿除至腋角底部，再在腋角下及换乘厅内设置L型加强梁，如图3 b)所示。

图3 侧墙孔洞上部加强梁做法Fig.3 Construction of side wall opening with upper reinforced beam

2.2 侧墙开洞改造工序

由图2可知，换乘厅范围内1号线侧墙共有5个开洞，其中1个为1号线车站建设时已预留门洞，其余4个为本次新增开洞。为降低对既有车站的影响，新增4个开洞应逐个打开，且相邻开洞应跳开施工，先行开洞的后浇梁柱框架达到设计强度后，方可进行下一开洞施工，依据此思路确定的开洞顺序为：开洞2—开洞4—开洞1—开洞3。

就单个开洞而言，既有地铁车站侧墙按照“化整为零、随挖随支”的原则进行改造[2-3]，分块凿除单个开洞范围内既有侧墙并分段浇筑框架梁柱。此方案的优点为单次凿除侧墙结构尺寸较小，对既有车站影响相对较小，但同时存在框架梁施工缝多、钢筋接头多、施工难度相对较大等缺点。经比选和分析研究，本次改造设计中提出一种既有地铁车站侧墙一次性凿除单个开洞、施工后浇筑框架的开洞改造方案，单个开洞主要施工工序为：① 既有车站站厅层局部临时围挡，并在靠近侧墙改造位置架设临时型钢支撑；② 凿除改造范围侧墙结构；③ 施工洞边加强框架梁柱；④ 待加强框架混凝土达到设计强度后，拆除站厅层临时支撑和围挡。侧墙单个开洞改造工序如图4所示。

本改造工序是否可行，需重点进行两方面验算：① 由于1号线车站已运营，站台层轨行区无架设支撑条件，所以仅在站厅层架设临时支撑，需验

图4 侧墙单个开洞改造工序图Fig.4 Process drawing of side wall single opening reconstruction

算加撑后的中板受力是否满足要求；② 侧墙单次开洞范围较大，在架设临时支撑条件下，既有车站受力及变形是否满足要求。

3 有限元计算分析

3.1 计算模型及其参数

既有1号线车站主体为地下两层矩形框架结构，采用明挖顺作法施工，车站底板及侧墙主要位于硬塑状黏土层中，顶板覆土厚约1.8 m，主要结构尺寸及材料特性如表1所示。

表1 既有车站结构特性表Tab.1 Structural characteristics of existing station

采用有限元分析软件建立三维计算模型，对既有车站侧墙改造前、改造中和改造后的结构内力重分布及变形情况进行计算分析。车站梁、柱结构用杆单元模拟，车站顶板、中板、底板及侧墙结构用壳单元模拟。在侧墙及底板边界处采用只受压弹簧约束，弹簧刚度根据土体水平及垂直基床系数取值，计算方法采用荷载-结构法。计算所考虑的荷载有结构自重、垂直及水平土压力、地面超载及其水平分力、人群及设备荷载等，由于车站位于硬塑黏土层中，渗透性较低，所以施工期间不考虑地下水压力的影响。所建立的三维有限元计算模型如图5所示。

图5 三维有限元计算模型Fig.5 Three-dimensional finite element calculation model

3.2 计算结果及分析

有限元计算的主要目的是分析验算既有车站在改造施工阶段及后期使用阶段的安全性，同时验证所提改造方案的可行性。由计算结果可知，既有车站侧墙改造对靠近改造一侧的顶板、中板、侧墙内力影响相对较大，对远离改造一侧的顶板、中板、侧墙及底板、顶纵梁、中纵梁、底纵梁、中立柱内力影响相对较小。侧墙改造过程中，各工况下既有车站靠近改造一侧的顶板、中板、侧墙结构在主受力方向的弯矩标准组合值如表2所示。

表2 侧墙改造过程既有车站弯矩变化情况Tab.2 Bending moment change of existing station during side wall reconstruction

由表2可知：① 侧墙改造前后，靠近改造一侧的顶板和侧墙弯矩重分布最为明显，开洞处顶板与侧墙交角处的负弯矩减少了67%，预留短墙与顶板交角处的负弯矩增加了16%，顶板跨中正弯矩增加了16%，负二层侧墙跨中正弯矩增加了11%，负二层侧墙上支座处负弯矩在开洞处和短墙处分别减少了19%和10%。② 改造期间，由于临时支撑作用在中板上，中板边支座负弯矩在开洞处和短墙处分别增加了21%和16%，临时支撑拆除后弯矩有一定的回落，相对改造前分别增加了7%和5%。③ 工况1开洞对既有车站弯矩重分布影响最大；工况2与工况1开洞净距为13.3 m，工况2开洞时对工况1弯矩重分布范围未产生叠加影响；工况3和工况4新增开洞与已完成的开洞净距仅为2.3～3.9 m。新增开洞时，其对既有车站已完成开洞范围内的结构弯矩产生了叠加影响，但影响程度较首次开洞要小。

根据三维有限元计算结果，开洞顶部侧墙最大沉降为0.2 mm，顶板跨中最大沉降为0.1 mm，框架柱顶最大沉降为0.1 mm。由此可知，侧墙改造引起的既有车站沉降相对较小。侧墙改造引起既有车站部分结构弯矩增大，根据既有车站结构配筋对弯矩增大后的结构进行了验算，如表3所示。由表3可知，既有车站配筋可满足改造中、改造后的结构承载能力极限状态及正常使用极限状态的要求。