0 引言

　　随着我国城市轨道交通建设的加速发展，换乘车站中新建车站与既有线的接驳成为设计的重点。轨道交通线网规划具有一定的时代局限性，先期运营的既有线车站对客流预测不足或受线网规划的调整，往往未预留远期接驳条件或因预留条件发生改变而不满足新线的使用需求，因而有时新建换乘车站需对既有线车站进行局部破除改造^[1]。既有线车站在改造施工过程中随着局部构件的破除，其受力状态会发生改变，改造完成之后又存在内力重分布，因此需要对施工过程中结构内力的变化做出系统分析，并实时动态监测施工。工程领域对既有地铁车站侧墙改造及控制变形技术进行了深入研究^[2,3,4,5]，瞿跃方^[6]率先提出了“化整为零”的施工方法，先将需要凿除的墙体细分为若干个小门洞，然后进行分步施工。该工法所开门洞竖向高度同车站侧墙高度，且开洞范围内需增加竖向钢管支承，后浇加强梁随小门洞的破除分段施作，完整性较差且不利于提高施工速度。周华海^[7]通过对苏州地铁1号线金鸡湖西站车站结构墙体大面积凿除的数值模拟分析，通过在车站内部拟破除墙体边缘设置609mm钢管支撑，而后将侧墙在长度方向细分为若干个小门洞，先切割掉新增框架柱位置的侧墙，再浇筑新的框架柱、梁，可以实现框架与原有构件的刚性连接。该方案在车站内部设置竖向支撑会对车站正常运营造成不利影响，且侧墙破除后施作的受力转换梁柱结构体系中的每跨框架梁需分3段施工，导致转换梁整体性较差且影响施工效率。刘士海等^[8]提出车站破口施工对既有地铁车站主体结构的影响主要发生在破口施工过程中，因此施工过程中除应加强对既有地铁车站结构的监控量测外，尚应深入研究车站侧墙破除步序对车站结构内力及位移的动态影响。本文以在建的成都轨道交通8号线倪家桥站为背景，采用数值模拟的方式，在车站顶板覆土不卸载、不影响既有线车站正常运营的前提下，对地铁车站既有线扩建侧墙破除接口方案进行动态研究。

　　1 工程概况

　　成都轨道交通1号线倪家桥站为既有运营车站，车站主体结构为单柱双跨地下2层箱型钢筋混凝土框架结构，主体结构底板埋深约16.2m，车站主体结构外包尺寸宽18.7m、高13.5m，站厅层侧墙厚度为600mm，站台层侧墙厚度为700mm。新建8号线倪家桥站与既有1号线车站垂直相交，为3层双跨箱形框架钢筋混凝土结构。根据线网规划，倪家桥站为1号线、8号线、18号线三线换乘站，新建A号出入口需接入1号线站厅层，如图1所示。图2为车站侧墙改造前既有线车站的结构布置，图3为车站侧墙改造后附属结构与既有线车站的结构布置，侧墙打开后，后浇受力转换梁柱结构体系作为既有线与新建附属结构共同的竖向受力构件。

　　图1 车站侧墙改造位置关系  

　　图2 车站侧墙改造前结构布置  

　　图3 车站侧墙改造后结构布置  

　　根据地质勘察资料，附属结构及既有1号线侧墙改造范围处于中密卵石土层，地下抗浮水位约为地面以下2.5m，附属结构施工及侧墙改造过程中需采用管井降水。根据成都轨道交通运营及交管部门的要求，侧墙改造施工过程中既有1号线车站正常运营，既有车站所在位置路面交通正常通行。根据规范^[9,10]及业主单位的技术要求，既有1号线车站结构累计沉降控制值确定为10mm，差异沉降控制值为4mm，结构内力变化值需控制在10%以内。

　　2 侧墙改造方案

　　瞿跃方^[6]研究表明:在无任何措施的情况下，当开洞尺寸为1m时，在洞口边缘弯矩增加量为9.85%;洞孔尺寸为2m时，洞口边缘弯矩增加量为14.51%。结合本工程顶板覆土不卸载且内力及变形控制严格等不利影响，本工程以1m为间隔，每跨分9个小导洞破除加强梁柱范围的侧墙，然后一次性整体浇筑加强梁形成框架受力转换体系，最后破除中心区域侧墙，形成使用功能所需要的空间通道。与传统侧墙改造方案相比，本方案的优点在于加强梁可以一次性整体浇筑，型钢支撑体积小、布置灵活，不占用既有线内部空间，施工效率高。基于上述侧墙改造破除的基本原理，针对侧墙导洞破除先后顺序的不同，拟定了2个设计方案，本文分别对2个设计方案进行数值模拟，以得出对既有结构影响最小且有利于施工的方案。

　　1)方案1

　　施工流程:破除1,2号导洞位置的侧墙→施工1,2号导洞内的加强框架柱至设计标高→柱顶架设临时型钢进行开孔后顶板竖向临时支撑→破除3号导洞位置的侧墙→架设临时型钢支撑→依次破除4,5号导洞位置的侧墙并及时架设型钢支撑→依次破除6,7,8,9号导洞位置的侧墙并及时架设型钢支撑→浇筑1～9导洞内的加强框架梁→破除10号导洞位置的侧墙。施工步序如图4所示。

　　2)方案2

　　施工流程:破除1,2号导洞位置的侧墙→施工1,2号导洞内的加强框架柱至设计标高→柱顶架设临时型钢进行开孔后顶板竖向临时支撑→同时破除3,4号导洞位置的侧墙→架设临时型钢支撑→破除5号导洞位置的侧墙并及时架设型钢支撑→同时破除6,7号导洞位置的侧墙并及时架设型钢支撑→同时破除8,9号导洞位置的侧墙并及时架设型钢支撑→浇筑1～9导洞内的加强框架梁→破除10号导洞位置的侧墙。施工步序如图5所示。

　　上述2种方案导洞1与导洞2的破除宽度同后浇框架柱宽，高度为车站中板顶至后浇框架梁顶;导洞3～9宽度约为1.0m，高度同后浇框架梁高。小导洞破除后型钢支撑应及时架设，每个洞口放置1组(2根)型钢支撑，支撑顶部通过锚筋与侧墙开孔上侧相连接，下部通过楔块打紧置于侧墙开孔下侧，布置如图6所示。

　　图4 方案1侧墙改造步序  

　　图5 方案2侧墙改造步序(其余施工步序同方案1)  

　　图6 型钢支撑安装示意 

　　3 数值模拟分析

　　采用有限元软件SAP2000建立三维数值模型进行结构施工步序分析。分析了改造前原结构、方案1,2改造过程中结构的内力及变形，对2种结构改造方案进行比选。

　　3.1 计算模型及计算参数

　　侧墙改造施工过程中结构内力随开洞位置及施工步序的变化存在内力重分布现象，为真实模拟车站改造过程中引起的内力、位移动态变化，计算采用SAP2000有限元软件建立三维数值模型，采用荷载-结构法，利用程序中非线性阶段施工工况模拟车站侧墙改造过程。为避免尺寸效应带来的计算误差及计算的经济性，计算模型取7跨模拟车站板结构的单向受力状态，计算结果重点观测对象为中间3跨。车站结构的顶板、中板、底板、侧墙均采用厚壳单元，梁、柱体系采用空间杆单元进行模拟。为避免附属基坑开挖过程中主体结构两侧由于水土压力不平衡造成偏载等不利影响，要求整个施工过程中1号线车站主体结构两侧地下水位降至底板以下，因此本模型不考虑地下水的影响，模型中顶板及中板承受竖向恒、活荷载，侧墙承担静止土压力及地面超载引起的侧压力，底板由只承受压力的GAP单元面弹簧约束，计算模型如图7所示。

　　图7 计算模型  

　　3.2 数值模拟结果及分析

　　分析模型结果显示，在侧墙改造施工过程中结构内力随施工步骤的变化而产生重分布，结构竖向位移同时发生变化。

　　由原车站主体结构在正常使用状态下的竖向变形云图可以看出，顶板最大竖向变形发生在跨中，为14.181mm。由原车站主体结构在侧墙卸荷后按方案1侧墙改造完成后的竖向变形云图可以看出，顶板最大竖向变形发生在跨中，为14.959mm。由原车站主体结构在侧墙卸荷后按方案2侧墙改造完成后的竖向变形云图可以看出，顶板最大竖向变形发生在跨中，为14.964mm。方案1与方案2累计最大沉降增量均<1.0mm，均满足沉降控制值和差异沉降控制值。对应不同的施工步骤引起的既有车站结构相对沉降变形如图8所示。

　　图8 顶板相对沉降与施工步序关系  

　　表1 方案1顶板主要影响区弯矩 

　　kN·m

　　表1 方案1顶板主要影响区弯矩

　　表2 方案2顶板主要影响区弯矩 

　　kN·m

　　表2 方案2顶板主要影响区弯矩

　　根据车站主体结构不同状态下的弯矩云图可以看出，随着施工步序的进行，开洞所在位置顶板横向正弯矩最大值有所增加，方案1与方案2增大幅值均为10.5%;开洞相邻跨正弯矩增加幅值约7.7%;开洞侧墙边支座负弯矩随约束减弱而减小，减小幅值均为83%;对侧墙边及顶纵梁支座负弯矩基本不变。弯矩随施工步序的变化如表1,2所示。

　　表3,4分别为方案1及方案2顶板框架梁弯矩随施工步骤的变化。可见框架梁支座弯矩变化较小，跨中正弯矩最大值增大约8.2%，框架柱轴力基本无变化，增加幅值约1.8%。

　　表3 方案1框架梁弯矩 

　　k N·m

　　表3 方案1框架梁弯矩

　　经复核，工程改造完成后，主体结构应力及变形均满足规范要求。

　　表4 方案2框架梁弯矩 

　　kN·m

　　表4 方案2框架梁弯矩

　　4 设计要点分析

　　对正常运营中的地铁车站在顶板覆土不卸荷的工况下进行侧墙破除改造，结构安全风险极高，对结构变形控制严格，需要设计与施工监测动态化密切配合。本文采用“化整为零”的设计思路，在墙体间隔开设小导洞，洞内及时架设型钢支撑，控制顶板竖向位移。小导洞开设完毕后，一次性浇筑加强框架梁与框架柱形成新的结构受力体系，达到强度后再破除梁柱体系内的侧墙。加强梁柱体系应能满足竖向承载力要求，且需对既有结构顶板的边缘支座有足够的转动约束。侧墙改造伴随着新建结构的基坑开挖，应对既有结构两侧的地下水位做出控制要求，利用两侧水头差保证新建结构基坑开挖后既有结构两侧水平荷载的平衡，若现场条件受限，设计应予以考虑偏载工况。

　　由于地下工程不同于地上结构具有明确的荷载及清晰的受力模式，地下结构周围的岩土体力学性质往往具有较大的离散性，且存在较多的不确定性因素，必然要求施工过程中加强对结构变形及内力的监测。地下工程为信息化设计，现场监控量测是监视设计是否合理安全、施工方法是否正确的重要手段^[5]。基于上述原则，设计应对施工现场提出监测要求，包括地面沉降和地下水位监测、侧墙开洞相关敏感范围内结构变形及应变、临时竖向支撑轴力及变形等。

　　5 结语

　　本文采用数值模拟方法，以成都轨道交通倪家桥站新线衔接既有站的扩能改造为背景，对不同开挖步序对应的施工方案进行对比分析，研究了侧墙开洞对既有车站结构的影响规律，得出如下结论。

　　1)通过数值分析表明，采用在墙体间隔开设小导洞并及时在洞内架设型钢支撑的方式破除侧墙，而后在洞口周边建立加强梁柱结构体系，对于控制结构竖向位移是十分有利的，在顶板不卸荷的工况下最大位移能够控制在1.0mm以内，结构内力最大增量在10%以内。

　　2)小导洞的破除顺序对既有结构沉降及内力影响较小，施工过程中可以采用方案2同步对称的破除方式，进一步提高施工效率。

　　3)既有车站结构沉降最大值发生在侧墙开洞侧顶板跨中处，与结构荷载增加幅值最大处在同一点位，通过对全施工过程的数值分析表明，内力及变形增加最快的工况为开设小导洞6～9的工况，施工过程中应加强对该过程的监控量测。