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54Municipal EngineeringTianjin ConstructionScienceandTechnology2023年8 月市政工程天津建设科技第3 3 卷第4 期既有地铁车站侧墙开洞对车站变形影响分析黎建，吴乐婕，彭坤（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津3 0 0 3 0 8）【摘商要】：为了研究在既有地铁车站侧墙开洞对结构安全的影响，以实际工程为例，采用有限元数值模拟计算方法对侧墙开洞各工况进行模拟，分析各工况对既有车站结构内力及变形的影响，总结施工过程中影响既有结构安全的因素，提出了相应的破除方案和降低安全风险的措施，保证既有地铁结构的安全。【关键词】：地铁；车站；侧墙；开洞【中图分类号】:U231.3【文献标志码】：C【文章编号】：10 0 8-3 19 7(2 0 2 3)0 4-5 4-0 4【D O I 编码:10.3 9 6 9/j.issn.1008-3197.2023.04.015Analysis of the Influence of Openings in the Side Walls of Existing Subway Sta-tions on Station DeformationLI Jian,WUYuejie,PENGKun(China Railway Liuyuan Group Co.Ltd.,Tianjin 300308,China)Abstract:In order to study the structural safety impact of opening a opening in the side wall of an existing subway sta-tion,taking the actual project as an example,the various working conditions of opening the side wall weresimulated by using the finite element numerical simulation method,and the impact of each working conditionon the internal force and deformation of the existing station structure was analyzed,Ensure the safety of exist-ing subwaystructures.Keywords:subway;station;side walls;opening随着地铁建设快速发展，换乘车站越来越多，由于规划、建设时序、地势条件等原因，先期建设的地铁车站未给后期建设的地铁车站预留换乘条件或预留条件不满足新建车站要求的情况时有发生，因此后期建设的地铁车站如果要与既有车站进行换乘，必须在既有车站侧墙上开洞。瞿跃方 2 通过对地铁车站结构墙体大面积凿除的数值模拟分析，提出“化整为零”的施工方式，首先将需要破除的墙体在纵向划分为若干个小洞，随后再分部破除，在不采取任何安全措施的情况下，建议开洞尺寸以不超过1m为宜。张长泰 3 采用有限元软件对破除既有侧墙的方法进行分收稿日期：2 0 2 2-0 5-3 0作者简介：黎建（19 7 9），男，教授级高级工程师，从事隧道及地下工程方面设计和研究工作析，并将理论成果与实际施作过程中的变形监测结果进行对比，提出了“化大为小、分段破除、及时支撑的侧墙破除方案。文献 4 7 对地下车站、附属结构及其他改建工程等开展了较为深人的研究。以上案例大多是对车站侧墙在较小范围进行破除改造，鲜少有侧墙开洞超过6 0 m的研究。本文以成都地铁6 号线工程人民北路站的换乘通道施工和既有1号线车站大面积侧墙开洞为例，考虑换乘通道施工及对既有侧墙开洞改造的全过程，用Midas/GTS软件对换乘通道施工过程及既有侧墙开洞方案的各工况进行三维有限元分析，给出了科学完善的换乘通道方案及改造措施，结合施工期间既有车站的自动化监测结果验证了方案的可行性。55Municipal Engineering黎第3 3 卷第4 期建，等：既有地铁车站侧墙开洞对车站变形影响分析市政工程1工程概况1.1车站概况成都地铁6 号线人民北路站呈东西向布置，位于龙湖地块范围内，较龙湖商业先行建设，与南北走向的既有地铁1号线人民北路站交叉，两线车站呈L形布置，通道换乘，换乘通道位于6 号线车站东南方向。1号线人民北路站主体结构施工时，已为换乘通道预留5 m宽的打开条件；但6 号线人民北路站站建设时，预留换乘节点已不满足现行客流要求，需加大换乘通道跨度为6 8 m；因此需要在既有结构侧墙上开洞。见图1。人民光路铁路局办公楼铁路局展览馆F口一环路北二段6号线人民E口北路站（在建）：6号线附属换既有1号线乘通道部分B出人口龙湖地产新建1号线改1号线人民北路站造B出入口（既有线已运营）a)平面地面接口C型顶纵梁号线车站顶板换乘通道顶板接口底纵梁1号线车站中板换乘通道底板底过梁底回填C15素混凝土原主体强构凿除的围护桩b）剖面图1车站与换乘通道位置1.2工程地质与水文地质情况地下水埋深约2 m。工程场地地势较平坦，车站范围上覆第四系全新统人工填土；其下为第四系全新统冲洪积层粉质黏土、黏质粉土、细砂、中砂、卵石，下伏基岩为白垩系上统灌口组紫红色泥岩，基岩埋深约3040m。场地地下水主要有3 种类型：一是赋存于黏性土层之上填土层中的上层滞水，二是第四系砂、卵石层的孔隙潜水，三是基岩裂隙水。换乘通道底板位于卵石土，进人潜水层，施工时考虑降水施工。见表1。表1计算中各地层参数岩土层名称振力内摩擦卸载泊松比重度/割线切线重新EI序号MPa(kN.刚度/刚度/加载m)MPaMPa刚度/MPa杂填土粉质黏土细砂1-11.290.421851099.9362-22.6220.3519.520162224.21102-40.82100.3518.5025101150松散卵石2-9-12.5220.30200352224.2110稍密卵石2-9-24.1350.28210383538.5175中密卵石2-9-316600.252204560663001.3侧墙开洞原则及安全保护措施侧墙开洞遵循“化整为零、对称破除、随破随支”的原则，同时采取既有车站自动化监测等措施，及时反馈数据指导施工。1)侧墙大面积开洞将改变车站的原有结构受力体系，因此保留中间2 两跨侧墙不开孔，以弥补开洞带来的结构削弱效应。见图2。6号线人民北路站换乘通道原预留换乘通道侧墙不开孔侧墙不开孔图2不开洞位置2)分块对称破除并及时支撑，补强C形梁、柱和临时钢支撑能够提供足够的刚度，来抵消开洞带来的卸荷效应。3)每一跨侧墙分3 部分破除，先对称破除两侧后破除中间部分，在破除两侧墙体时及时架设临时钢支撑。该破除顺序对侧墙扰动小,有利于既有结构的安全。4)施工时严禁破坏既有车站的梁、柱结构，在重点敏感部位进行全过程监控量测，及时将监测数据与56天津建设科技第3 3 卷第4 期Municipal Engineering市政工程理论数据对比，以判断施工工艺及保护措施是否达到了预期要求，进而确定下一步施工是否需要做出调整，以确保整个施工过程的安全。5)开洞位置的顶板与侧墙防水均有一定的损坏，新旧防水层搭接是薄弱点。补强C形梁与顶板可形成叠合结构，可以作为新旧防水层的搭接平台，确保新旧结构的防水搭接长度满足要求，实现新旧结构的良好过渡。2数值模拟2.1建立模型为分析换乘通道施工及侧墙开洞对既有车站结构内力以及变形的影响，采用Midas/CGTS软件建立三维计算模型，尺寸为长18 3 m、宽13 5 m、高4 0 m。采用实体单元模拟地层，板单元模拟围护结构、车站底板、中板、顶板与车站边墙，梁单元模拟车站柱子。围护结构、车站底板、中板、顶板、车站边墙及车站柱子等为线弹性本构，各层土体均采用修正莫尔-库伦本构。假定模型边界条件：四边施以水平约束，下边界施以垂直约束，地表为自由面。将要开孔的侧墙根据施工工序分为3 部分，分别命名为侧墙、侧墙、侧墙。见图3 和图4。换乘厅1号线车站主体图3车站有限元计算模型侧墙不开孔侧墙不开孔图4车站侧墙开孔2.2施工方案及施工工序模拟通过有限元软件的“激活”和“钝化”功能来模拟侧墙开洞的各工序。工序1将生成的位移场位移清零；工序2 既有1号线车站主体结构施工完成，同时将位移清零，但认为存在应力场；工序3 主体顶板局部卸土并施作开洞范围底纵梁，施工换乘通道全部底板及大部分顶板（包含侧墙未开孔处的换乘通道顶板）；工序4 侧墙开孔，施作开孔范围顶板C形梁及通道柱；工序5 施作侧墙相对应的换乘通道顶板；工序6 侧墙开孔，施作开孔范围顶板C形梁及通道柱；工序7 施作侧墙相对应的换乘通道顶板；工序8 侧墙开孔，施作开孔范围顶板C形梁及通道柱；工序9 施作侧墙相对应的换乘通道顶板；工序10 回填。2.3计算结果分析开洞过程中外部荷载变化很小，主要是局部承载体系的变化对结构受力影响较大，选取9 个关键点，分别位于主体结构底板、中板、顶板不同位置。见图5。地面图5结构内力关键点对既有车站结构断面复核计算，复核结果与地铁1号线车站原计算结果基本一致。2.3.1内力通过对换乘通道施工及既有侧墙开洞方案进行三维有限元分析，得到改造前后的弯矩值和剪力值。见表2。表2改造前后1号线人民北路站各点弯矩值弯矩值/kNm）剪力值/kN关键点改造前改造后改造前改造后11519256754771281161011012103691157251241023840744467512672999865295306334626845705632810538586625914031侧墙开洞后各工况下的弯矩值及剪力值基本上均小于改造前的数值。2.3.2变形各工序施工过程中，既有车站结构及轨道结构位移见图6 和图7。57Municipal Engineering黎第3 3 卷第4 期建，等：既有地铁车站侧墙开洞对车站变形影响分析市政工程43210678910-1工序-2-3a)向0.80.60.40.20210-0.2工序-0.4-0.6Fb)X向+1+5-6+8+图6 1号线人民北路车站结构位移3.466.3%3.0312.3%2.605.9%2.172.9462.8%1.743.34572.83452.9%2.70302.64442.91001.303.1654.6%203C.3802.88628.7410-14.1%3714.4310-12230:832.7036.42911.8%1.28x10-228893.41.793745418.5%-4.1810-12.67152.37769.7%5452.322713.1%-8.48x10-12.200.62.6786-1.288.5%5488-1.74单位：mm图71号线人民北路站轨道结构竖向位移由图6 a看出，工序1 5 的各点变形速率和幅度均较为稳定；工序6 侧墙开的跨度较大，其中，工序5 和工序6 变形速率和幅度相比较其他工序较大；工序7 9各点的变形速率和幅度又趋于平稳；最后回填阶段工序10 的各点竖向位移有所增大。最大竖向隆起发生在底板交纵梁区域，工序6 竖向隆起最大，为3.4 5 9mm。由图6 b看出，各点的水平变形在施工整个过程中均较缓慢，点均相较其他各点水平位移值较大，这3 个点均位于中板上，最大水平位移发生在侧墙开孔的中板与侧墙交界位置，为0.8 6 5 mm。由图7 可知，邻近侧墙开挖一侧的轨道结构竖向位移较另一侧大，最大竖向位移位于中间位置，为3.4 6 mm。隧道的差异沉降值为0.5 7 mm。地铁隧道结构最终绝对沉降量及水平位移量预警值为10 mm、控制值为2 0 mm，轨道横向高差预警值为2 mm（预警值）、控制值为4 mm；通过上述分析既有车站结构是安全可控的，施工工序及保护措施是切实可行的且是满足运营要求的。3施工监测结果对比采用人工和自动化监测相结合的方式且引进第三方监测，对既有1号线人民北路站结构竖向和水平位移进行监测，在换乘通道施工及既有线侧墙破除过程中引起的车站主体结构竖向变形累计最大为3.1mm，水平变形累计最大为1.1mm，隧道的差异沉降值为0.4 mm，均小于规范要求。4结语本文通过采用Midas/GTS软件并结合工程实际案例，对换乘通道施工及大面积侧墙破除过程进行了各个工况的数值模拟，分析了换乘通道施工及侧墙破除在时空上对既有1号线车站结构内力及位移的影响并进行实际的自动化监测，结果表明：整体采取“化整为零、对称破除、随破随支”及每跨侧墙采取“先两边后中间”的施工工序及适当的安全保护措施，对既有结构内力及变形控制以及新旧结构防水层施工搭接有效，可确保既有车站的结构和运营安全。参考文献：1徐斌.既有地铁车站侧墙开洞浅析 中外建筑，2 0 15(2):121-123.2瞿跃方.地铁运营车站墙体结构大面积改造方案的优化措施 J.上海建设科技，2 0 0 8(6)：4 9-5 0.3张长泰.换乘站施工破除既有车站结构的力学分析 J.市政技术,2 0 14,3 2(1):9 0-9 2.4付先进.既有地铁车站两侧基坑施工对车站结构变形影响分析 J.武汉理工大学学报，2 0 13，3 7(6)：13 4 7-13 5 0+13 5 4.5杜志涛，郭宏博.既有线地铁车站侧墙改造破除方案分析 J施工技术,2 0 2 0,4 9(13)：10 9-113.6王林，谭佩莲，王根.地铁望城坡站附属结构改造设计的数值分析 J.隧道建设，2 0 14,3 4(1):4 1-4 7.7苑春雨.既有地铁车站结构侧墙开洞施工安全分析 .市政技术,2 0 19,3 7(2):10 6-10 9.