大客流条件下新建地铁与既有线通道换乘方案比选研究

丁仓

中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 100000

近年来，我国城市人口持续增加，地面交通系统拥堵问题暴露出来，城市轨道交通具有着运能大，绿色环保，高效安全优势，得以快速发展，线网不断加密，成网状发展，线网交叉点越来越多，为满足城市轨道交通网格化的要求，线网节点处新旧地铁预留换乘节点及设置换乘通道实现多条地铁线路的联通，是城市轨道交通线网及车站结构设计关注的重点[1]，既有线路由于建设较早，前期线网规划难以考虑周全，较多车站未预留换乘条件，将大大制约了地铁车站运能，地铁车站设计中需要综合各方因素研究合适方案。王丽华等通过对多种地铁换乘模式的优缺点分析，总结了地铁车站不同换乘模式的适用条件。余海以西安地铁开远门站为例，通过客流模拟论证分析换乘形式的可行性。

本文通过对既有青岛地铁2号线石老人浴场站周边环境及运营条件分析，利用BIM技术、客流仿真模拟及有限元方法，分析换乘方式的优缺点及对既有线结构改造的影响，比较选定科学可行的换乘方案。

1 研究背景

新建青岛地铁5号线线网成“C”型，是连接青岛主城区的城市轨道交通骨干线路，与1、2、3、4、7、8、11、15号线等8条线路相交，是青岛轨道交通线网闭网成环的一条重要线路。5号线建设将极大带动多个城区的建设发展，并可缓解城市交通系统拥堵情况，带动和引导城市空间结构调整，推动城市总体规划实现具有重要的意义。

新建5号线石老人浴场站是青岛三期批复后实施的车站，与既有2号线石老人浴场换乘，由于上版线网规划并未考虑该站换乘需求，既有石老人浴场站按照标准地下两层12.5m岛式站台车站设计，未预留远期换乘接口。车站位于香港东路与海尔路交叉口、沿香港东路侧呈一字形布置，结构类型为两层三跨箱型框架。

2 工程概况

青岛市地铁5号线石老人浴场站为5号线第26座车站，车站位于海尔路与香港东路交叉口北侧绿化带内，沿海尔路方向呈西北至东南向布置。海尔路道路红线宽50m，双向10车道，香港东路红线宽32m，双向8车道，南侧为既有2号线石老人浴场站。新建石老人浴场站为13m岛式站台车站，地下三层单柱双跨矩形框架结构，标准段宽为22.1m，底板埋深约29.0～30.0m，车站长度179.4m。车站共设2个出入口。

图1 车站总平面图

既有站距离石老人海水浴场海岸线约300m。场区地势平坦，地面高程7.2～8.5m。场地地貌类型为构造～剥蚀地貌和滨海堆积地貌。第四系主要为人工填土层、全新统海相沉积层及上更新统冲洪积层，基岩为燕山晚期花岗岩，岩体局部节理、裂隙密集发育，局部侵入煌斑岩岩脉，受次生构造影响。地下水类型主要为第四系孔隙水及基岩裂隙水，第四系孔隙水又分为上层滞水、潜水和承压水，场区涌水量Q= 338 m3/d，地下水与海水有一定水力联系[2]。

3 换乘方案研究

基于2号线石老人浴场站为端厅及双柱三跨结构条件，研究对其端厅侧墙及站台底板进行改造与新建5号线石老人浴场站实现通道连接。提出既有站端厅侧墙改造的厅-厅双通道换乘及既有站东厅侧墙及站台底板改造的台-台换乘通道及厅-厅双通道换乘两种换乘方案。

方案一（台-厅、厅-厅双通道换乘）： 东厅换乘通道：既有站东厅设置79m通道连接5号线车站站厅层。通道下穿香港东路采用顶管法施工，改造2号线站厅侧墙段采用明挖法施工。西厅换乘通道：5号线站台层站内提升至设备层转换后，由端部侧墙引出132m暗挖通道至2号线侧墙，再由明挖施工的提升段与2号线西侧站厅层相接。

图2 方案一换乘方案

既有站侧墙改造，位于香港路上，明挖施工需围挡共计2800m2，占用4车道，需按照“占一还一”进行交通调流。需对35KV供电砼管沟1.8m×1.8m、铸铁DN800给水管、PE DN200中压燃气管、2根钢DN426热力管等管线进行墙改。换乘通道施工总工期20个月。工程总投资约5811万。

方案二（厅-厅、台-台双通道换乘）：东厅换乘通道：既有站东厅设置79m通道连接5号线车站站厅层。通道下穿香港东路采用顶管法施工，改造2号线站厅侧墙段采用明挖法施工[3]。

台-台换乘通道：5号线车站站台层通过站端楼扶梯提升至设备层，并设置113m暗挖通道至2号线车站底板下，改造2号线车站底板、站台板，采用楼梯与暗挖通道连接，实现付费区换乘。2号线站台下换乘通道梯段宽度4.5m。 底板改造长度11m。

图3 方案二换乘方案

图4 既有线底板改造地质图

既有站侧墙改造，位于香港路上，明挖施工需围挡共计1320m2，占用4车道，需按照“占一还一”进行交通调流。需对35KV供电砼管沟1.8m×1.8m、铸铁DN800给水管、2根钢DN426热力管等管线进行墙改。换乘通道施工总工期20个月。工程总投资约4480万。

4 客流模拟分析

石老人浴场站位于崂山石老人浴场风景区内，旅游季客流量较大，设计考虑短期大客流影响，通过客流仿真模拟手段分析换乘方案能否抵抗短时大客流冲击。

表1 早高峰客流参数表

表2 换乘客流

客流（初期）为：（4211+259+334+4125）×1.33=11876（人/小时）

客流（近期）为：（3009+1662+1031+2897）×1.33=11437（人/小时）

客流（远期）为：（3657+2003+1262+3562）×1.33=13944（人/小时）

本站设计客流为远期时段：13944（人/小时）

车站远期早高峰换乘客流量为：（3563+2824）×1.33=8495（人/小时）

车站的设计换乘客流量占总客流量的：8495/13944=61%

图5 方案一站厅层客流密度分布

图6 方案一站台层客流密度分布

经过客流模拟分析：双通道换乘方案早高峰、超高峰时段（15min）站厅和站台层大部分区域处于较为舒适等级（A～C级），能抵抗短时大客流冲击，没有出现大面积拥堵（红色），同时保持较高的空间利用率。

图7 方案二站台层客流密度分布

经客流模拟分析：1）车站客流组织流线基本顺畅，乘客在车站内正常集散，车站楼扶梯作为客流合流、分流的重要节点，客流聚集情况较少，其中5换2换乘量较大，应根据实际情况做好疏导预案，避免形成瓶颈。2）两站L型台台通道换乘关系5号线站体乘客平均进站时间为 2.28min，出站乘客平均出站时间约为 2.17min。2号线站体乘客平均进站时间为2.8 min；出站乘客平均出站时间约为 2.91min。5换2平均走行时间为2.1min，2换5平均走行时间为3.61min。换乘通道服务水平为A级，功能优良。3）车站主要设施承载度数值均小于1，按目前所提供的客流数据，因客流量引起事故的可能性较小。综上，本站空间布局及设施整体能力满足需求[4]。

5 有限元计算分析

地层结构法计算采用Midas GTS（NX 2017 R1）有限元分析软件建模分析，根据地质勘探报告中车站范围岩土的物理力学性质，在有限元计算当中采用了理想弹塑性材料。模拟计算模型尺寸选取，两侧取车站跨度三倍宽度，底部也取三倍车站跨度宽度。

利用莫尔-库仑土体模型。模拟计算时，采用实体单位，约束条件两侧限制水平移动，竖向限制水平和竖向两个方向。考虑初始地应力平衡，忽略构造应力。通道开挖及既有站底板改造过程通过软件提供的“钝化”来实现。

计算简图：

图8 有限元模型网格

图9 水平位移云图

图10 竖向位移云图

模拟按照时机开挖工况进行，既有线底板位于中、微风化岩层，底板下进行放坡开挖，坡率为0.1，侧壁进行喷混，下部岩体开挖完成进行分段破除既有站底板。

模拟结果揭示，既有站底板最大沉降1.17mm，轨道变形限制为3mm，满足控制保护标准。既有线站台改造方案可行，风险可控。

6 结论与建议

利用构建有限元模型对站台改造分析，变形满足控制要求，风险相对可控；客流仿真模拟揭示台-台换乘优势，但换乘楼梯范围侧站台宽度受限，且楼扶梯为倒八字布置，抵抗大客流冲击能力较弱。通过对车站换乘通道研究，可以得到如下结论，方案一（厅-厅双通道换乘）方案在接口处采用明挖施工，施工风险较小，占路范围较长，管迁改范围较大，对周边环境影响相对较大，换乘通道长度较长，工程投资较高，方案二（厅-厅、厅-台双通道换乘）方案占路及管线迁改范围较小，工程投资相对较小，但站台改造对运营短期影响较大。从经济技术综合考量，方案二更优。建议后期车站线网规划中，提前考虑远期客流，进行提前预留换乘条件。