劉昕銘， 王佳慶

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

我國城市軌道交通行業(yè)正處于快速發(fā)展建設(shè)時(shí)期,不斷有新的城市軌道交通線路投入運(yùn)營。新線路的開通,不僅使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不斷擴(kuò)大,而且促進(jìn)了軌道交通客流的增長[1]。

既有車站在規(guī)劃新增線路接入的情況下，可能出現(xiàn)換乘客流量達(dá)到甚至超過設(shè)計(jì)遠(yuǎn)期換乘客流量的情況。既有車站運(yùn)營承載能力不足、客流交叉干擾等問題，嚴(yán)重影響了乘客的正常出行和運(yùn)營安全。為提升換乘功能，對(duì)既有地鐵車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行擴(kuò)建改造，利用新增站廳面積科學(xué)合理的引導(dǎo)客流，可以有效解決車站內(nèi)擁堵、提高換乘效率。

1 工程概況

成都市軌道交通火車南站為三線換乘車站，已運(yùn)營1號(hào)線與在建7號(hào)線之間通過站臺(tái)“T字”換乘，1、7號(hào)線與在建18號(hào)線之間通過通道換乘，地鐵車站同時(shí)與鐵路車站、公交樞紐之間通過通道換乘。

7號(hào)線設(shè)計(jì)時(shí)已充分考慮1、7兩線之間的換乘客流，且車站主體結(jié)構(gòu)已實(shí)施完成。由于18號(hào)線建設(shè)時(shí)序提前且定位為8A編組的機(jī)場快線，結(jié)合成都市成都火車北站封閉改造引起火車南站功能調(diào)整，導(dǎo)致客流規(guī)模及車站性質(zhì)發(fā)生了重大變化。基于三線換乘客流特點(diǎn)及換乘客流量的分析，1、7號(hào)線車站需破除已建成站廳層側(cè)墻，與新建地下1層站廳層連通，達(dá)到提升換乘功能的目的(圖1)。

圖1 改造后車站總平面

火車南站換乘功能提升工程涉及擴(kuò)建改造部位較多，本文選取具有代表性的1號(hào)線主體結(jié)構(gòu)改造部分為研究對(duì)象，結(jié)構(gòu)基本情況如表1所示。

2 結(jié)構(gòu)改造方案

既有車站頂板與側(cè)墻均承受著垂直于結(jié)構(gòu)面的水、土壓力，墻、板節(jié)點(diǎn)處為剛性支座，結(jié)構(gòu)側(cè)墻上未預(yù)留遠(yuǎn)期開孔條件。既有結(jié)構(gòu)側(cè)墻打開與新建負(fù)一層結(jié)構(gòu)連通后，原結(jié)構(gòu)的荷載邊界條件和約束邊界條件發(fā)生巨大變化。側(cè)墻大面積鑿除后，頂板邊跨靠側(cè)墻一側(cè)的支座由固支變成了近似鉸支。因此，若新舊結(jié)構(gòu)接口方案設(shè)計(jì)不當(dāng)，不僅會(huì)造成原結(jié)構(gòu)的破壞，還會(huì)導(dǎo)致接口處漏水、新舊結(jié)構(gòu)無法有效連接，對(duì)后期運(yùn)營維護(hù)及結(jié)構(gòu)安全造成巨大隱患。

表1 擴(kuò)建改造結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)改造原則

(1)擴(kuò)建改造工程的主體結(jié)構(gòu)部分，設(shè)計(jì)使用年限為100 a。地下結(jié)構(gòu)根據(jù)環(huán)境類別，按設(shè)計(jì)使用年限為100 a的要求進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)[2]。

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證在施工及正常使用期間具有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)分別按施工階段和正常使用階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。并根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、受力條件及耐久性要求，考慮相應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造處理措施。

(3)車站結(jié)構(gòu)凈空尺寸應(yīng)滿足車站建筑限界、使用功能和施工工藝等要求，同時(shí)考慮施工誤差、結(jié)構(gòu)變形和位移的影響。

(4)結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為一級(jí)，在進(jìn)行承載能力計(jì)算時(shí)，其重要性系數(shù)取γ0=1.1。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的最大裂縫寬度允許值為0.2 mm[3]。

2.2 結(jié)構(gòu)改造方案

結(jié)合設(shè)計(jì)原則及工程實(shí)際情況，本工程采用方案一的“C形梁”接口型式，而普通地鐵工程中多采用設(shè)置變形縫的方案二接口型式，典型剖面如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)改造方案典型剖面

2.2.1 方案一

新舊結(jié)構(gòu)之間通過“C形梁”剛性連接，既有結(jié)構(gòu)側(cè)墻的鋼筋通過“分步分塊”破除后錨入新澆筑梁內(nèi)。新作結(jié)構(gòu)柱橫跨新舊結(jié)構(gòu)，與底部接口梁整體澆筑，新舊混凝土結(jié)合面通過表面處理增加結(jié)構(gòu)整體性，原車站采用外包防水，改造后防水材料連續(xù)鋪設(shè)。

(1)“分步”是指大面積的鋼筋混凝土采用線拉繩具切割破除，剩余0.5 m人工風(fēng)鎬破除，將原結(jié)構(gòu)鋼筋留出?！胺謮K”是指單次破除4～5 m范圍側(cè)墻，待接口梁、柱施工完畢后破除剩余側(cè)墻，最終接口封閉，側(cè)向開孔形成。

(2)“C形梁”需與既有結(jié)構(gòu)共同受力才能最大發(fā)揮其作用，界面處理的措施如下：①清除垃圾、表面上松動(dòng)的砂石和軟弱的混凝土層，表面鑿毛處理(鑿毛深度不小于6 mm，100 mm×100 mm2范圍不小于5處)。采用壓力水將面層沖洗干凈并充分潤濕(一般潤濕時(shí)間不宜小于24 h)，殘留在混凝土表面的積水應(yīng)消除。②施工縫附近的鋼筋回彎時(shí)，要注意不要使混凝土受到松動(dòng)和損壞。鋼筋上的油污，水泥漿及浮銹等雜物也應(yīng)清除。③應(yīng)避免直接靠近施工縫已終凝的混凝土邊緣下料和機(jī)械振搗，但應(yīng)對(duì)施工縫內(nèi)新澆筑的混凝土加強(qiáng)振搗，使其結(jié)合密實(shí)(為確?；炷翝沧⒚軐?shí)及新老混凝土結(jié)合緊密，澆注混凝土可采用補(bǔ)償收縮混凝土細(xì)石混凝土，并在12 h內(nèi)開始養(yǎng)護(hù))。④施工縫表面應(yīng)涂刷混凝土界面處理劑或水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料，并應(yīng)及時(shí)澆筑混凝土。對(duì)于水平施工縫，在涂刷界面劑或水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料后，應(yīng)在施工縫表面鋪30～50 mm厚的1∶1水泥砂漿。⑤遇水膨脹止水條(膠)應(yīng)與接縫表面密貼(圖3～圖5)。

圖3 分步分塊破除側(cè)墻工序

圖4 分步分塊破除側(cè)墻現(xiàn)場效果

圖5 結(jié)構(gòu)改造方案典型剖面

2.2.2 方案二

新舊結(jié)構(gòu)之間設(shè)置變形縫，各自形成框架受力結(jié)構(gòu)，先利用“分步分塊”工序改造既有結(jié)構(gòu)，預(yù)留半邊變形縫內(nèi)止水措施，后與新建結(jié)構(gòu)側(cè)變形縫連接。與方案一相比，方案二在運(yùn)營使用時(shí)存在滲漏水風(fēng)險(xiǎn)，接口處結(jié)構(gòu)柱占用空間過大也影響整體建筑效果，對(duì)既有結(jié)構(gòu)的變形影響詳見下文分析。

3 既有結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

采用有限元軟件ANSYS建立三維數(shù)值模型進(jìn)行分析計(jì)算。分別分析了改造前原結(jié)構(gòu)、側(cè)墻分步破除后結(jié)構(gòu)、方案一改造后結(jié)構(gòu)、方案二改造后結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形。對(duì)兩種結(jié)構(gòu)改造分案進(jìn)行分析與驗(yàn)證。

3.1 有限元模型建立

對(duì)于地鐵車站結(jié)構(gòu)，通常情況下構(gòu)件尺寸與車站寬度、長度尺寸相比很小，可利用板(殼)單元模擬結(jié)構(gòu)板、墻，梁單元模擬框架梁、柱，進(jìn)行簡化計(jì)算。本工程關(guān)注的重點(diǎn)在于不同接口類型下結(jié)構(gòu)的變形趨勢(shì)，接口梁的構(gòu)件尺寸大、形狀不規(guī)律，導(dǎo)致板(殼)、梁單元不再適用，故選用Solid65實(shí)體單元進(jìn)行建模。

為簡化計(jì)算量，沿1號(hào)線車站縱向中線剖開，取半邊建模，剖面處施加對(duì)稱邊界約束條件。為減小邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，縱向取連續(xù)五跨，分析時(shí)僅讀取中間一跨的計(jì)算結(jié)果。新建負(fù)一層結(jié)構(gòu)、接口梁、既有車站結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖5所示(限于篇幅，本文僅列出方案一的有限元模型，原結(jié)構(gòu)及方案二省略)。

由于原結(jié)構(gòu)鋼筋錨入新建結(jié)構(gòu)且混凝土表面完成鑿毛、涂刷界面劑等措施，新、舊結(jié)構(gòu)之間接觸面按施工縫考慮，界面節(jié)點(diǎn)之間共同受力、變形。Solid65是專門模擬鋼筋混凝土的實(shí)體單元，本次計(jì)算采用該單元的整體式(鋼筋分布于整個(gè)單元中，假定鋼筋和混凝土粘結(jié)很好，并把單元視為連續(xù)均勻材料)，結(jié)構(gòu)參數(shù)按GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(2015版)進(jìn)行取值。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖6所示為原1號(hào)線正常使用狀態(tài)下的豎向變形云圖。車站覆土厚度1.5 m，地面荷載按20 kPa計(jì)，側(cè)向水土壓力按靜止土壓力計(jì)算。從圖中可以看出，頂板最大豎向變形發(fā)生在邊跨跨中，數(shù)值約為2.27 mm。

圖6 原結(jié)構(gòu)變形云圖

圖7所示為在頂板覆土及負(fù)一層側(cè)土壓力均卸載情況下，既有結(jié)構(gòu)負(fù)一層側(cè)墻按圖3中間隔破除工序施工時(shí)的變形云圖。從圖中可以看出，頂板最大豎向變形發(fā)生在側(cè)向開孔處對(duì)應(yīng)邊跨跨中，數(shù)值約為0.85 mm，小于正常使用狀態(tài)下變形值。

圖7 原結(jié)構(gòu)間隔開孔后變形云圖

圖8所示為按方案一改造擴(kuò)建既有車站后的豎向變形云圖。車站覆土厚度1.5 m，地面荷載按20 kPa計(jì)，側(cè)向水土壓力按靜止土壓力計(jì)算。從圖中可以看出，頂板最大豎向變形發(fā)生在邊跨跨中，數(shù)值約為2.45 mm。

圖8 方案一結(jié)構(gòu)變形云圖

圖9所示為按方案二改造擴(kuò)建既有車站后的豎向變形云圖。車站覆土厚度1.5 m，地面荷載按20 kPa計(jì)，側(cè)向水土壓力按靜止土壓力計(jì)算。從圖中可以看出，頂板最大豎向變形發(fā)生在邊跨跨中，數(shù)值約為3.56 mm。

圖9 方案二結(jié)構(gòu)變形云圖

3.3 結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)

既有結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸及配筋情況已確定，豎向變形控制值應(yīng)根據(jù)如下思路計(jì)算得出:對(duì)構(gòu)件施加荷載試算驗(yàn)算構(gòu)件裂縫是否小于0.3 mm→逐步增加荷載直裂縫接近許用限值→讀取豎向變形值。此時(shí)的豎向變形為既有構(gòu)件能承受的最大豎向變形量(表2)。

表2 頂板豎向變形控制值

根據(jù)表2，既有結(jié)構(gòu)頂板的豎向變形控制值約為3.2 mm，參考《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，變化速率的控制值定位0.5/(mm·d-1)[4]。方案一的結(jié)構(gòu)變形滿足變形控制要求，方案二的結(jié)構(gòu)變形超出限值，此時(shí)原1號(hào)線的頂板已超出正常使用極限狀態(tài)，需增加頂板疊合板。

此外，建議實(shí)測變形的絕對(duì)值和速率值雙控指標(biāo)均超過控制值的70 %或雙控指標(biāo)之一超過控制值的85 %作為黃色預(yù)警；兩個(gè)指標(biāo)均超過控制值的85 %或雙控指標(biāo)之一超過控制值作為橙色預(yù)警；雙控指標(biāo)均超過控制值或?qū)崪y變化速率出現(xiàn)急劇增長作為紅色報(bào)警。工程施工中，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，對(duì)以上不同級(jí)別的預(yù)警提前做好相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案[5]。

4 結(jié)論

本文以火車南站換乘功能提升的改造工程為背景，開展了三維整體有限元計(jì)算分析，分別計(jì)算了不同接口型式對(duì)既有地鐵車站頂板變形的影響，得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)于未預(yù)留遠(yuǎn)期開孔條件的側(cè)墻，大面積連續(xù)開孔與新建結(jié)構(gòu)接駁時(shí)，頂板采用C形梁的剛性連接比采用變形縫的分離式連接能夠更好地控制既有結(jié)構(gòu)的變形。

(2)在卸除車站頂板覆土的條件下，對(duì)車站負(fù)一層側(cè)墻實(shí)施間隔破除，既有頂板、側(cè)墻受力及變形均處于正常使用狀態(tài)，分析結(jié)果為施工方案的選擇提供了直接依據(jù)。

(3)地鐵車站擴(kuò)建改造對(duì)既有結(jié)構(gòu)頂板的影響最為重大。在大型換乘樞紐的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)上應(yīng)有一定的前瞻性。不確定遠(yuǎn)期擴(kuò)建改造或結(jié)構(gòu)接駁的條件下，側(cè)墻中預(yù)留暗梁暗柱，頂板考慮后期側(cè)墻打開的工況進(jìn)行受力驗(yàn)算，用前期少量增加的透氣來避免后期面臨更高的工程風(fēng)險(xiǎn)、投資造價(jià)。

目前，改造工程已經(jīng)完工并投入運(yùn)營使用，施工過程中監(jiān)控量測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果基本相符，該車站多處擴(kuò)建改造均采用了方案一的接口型式，將既有結(jié)構(gòu)變形控制在構(gòu)件正常使用范圍之內(nèi)。該工程的安全實(shí)施可為后續(xù)類似工程提供參考經(jīng)驗(yàn)。