地铁换乘节点侧墙改造及对既有结构影响分析

徐建国

（广州地铁集团有限公司 广州510040）

随着城市规模的快速发展，修建地铁缓解交通压力成为一种重要手段。由于车站的规模及地铁线路等因素的影响，车站往往存在已完工部分及在建部分，车站在建部分施工对已完工部分的稳定性影响不容忽视。

目前，国内外学者主要采用现场数据分析和数值模拟等方法，研究车站在建施工对已完工部分结构的影响。

在现场施工监测数据分析方面，刘美麟等人［1］基于天津地铁下瓦房站的现场监测数据，分析车站施工对基坑周边围护结构及车站的变形规律；Tan［2-3］等人选取6 座车站的现场监测数据，分析基坑开挖对既有车站和周边建筑的影响，并优化开挖方案，有效地控制沉降。徐中华等人［4］为研究地连墙与基坑深度之间的关系，对上海地区深基坑实测数据进行分析。

数值模拟方面，梁晓亮等人［5］采用ABAQUS 有限元分析软件，根据深圳地铁石夏站工程，分析不同施工方式条件下换乘节点施工对车站结构及周边环境的影响规律；邓治钢等人［6］以上海地铁大连路为背景，采用ANSYS有限元分析软件研究对称施工和非对称施工拆除地连墙对车站结构的影响，并提出分层、分块、对称的施工原则；邓旭等人［7］建立三维基坑模型模拟基坑开挖对连续墙及既有站体的影响，并指出需有针对性的加强支护体系刚度；杜志涛等人［8］根据成都地铁倪家桥站工程，通过数值模拟分析车站侧墙破除过程中既有结构内力及沉降的变化规律；安东辉等人［9］建立广州地铁华师站三维模型，分析车站侧墙改造对车站结构原有主梁、顶板及侧墙的影响；杨德春等人［10］通过有限元模拟对车站结构安全评估，为苏州地铁金鸡湖西站主体结构改造施工提供安全施工措施；杨永华等人［11］对南宁地铁那洪立交站不同连续墙拆除方案进行有限元模拟分析，研究不同工况下车站主体结构的变形和位移变化规律。

已有的工程案例对地铁车站改造施工技术具有重要的指导作用，但对于大型、多层、多线换乘车站侧墙拆除施工的案例较少。本文以广州某地铁站为背景，研究车站换乘节点处侧墙拆除技术，并用有限元软件模拟车站换乘节点处连续墙拆除对车站结构板、框架梁及Y 型柱的影响，根据施工监测数据及有限元模拟结果，为类似工程设计和施工提供参考。

1 车站侧墙墙破除方案

1.1 工程概况

广州某地铁站是广州市轨道交通8 号线、11号线与13号线的重要枢纽换乘站，车站尺寸357.6 m×51.4 m×27 m（长×宽×高），换乘节点处尺寸37.25 m×51.4 m×30.3 m（长×宽×高）。车站为一岛两侧对双岛四线的T 字换乘车站。8 号线与11 号线主体结构相连，8 号线已建成通车，车站公共区采用Y 型柱，车站横向跨度12.8 m，纵向跨度18.0 m。车站主体结构模型如图1所示。

图1 车站主体结构模型Fig.1 Main Structure Model of Station

1.2 既有侧墙的破除方案

车站结构板、框架梁、Y 型柱需与已完工换乘节点相连，站台层与站厅层需连通使用。故要破除换乘节点东西两侧已完工的地下连续墙及结构侧墙。侧墙破除位置如图2所示。

图2 侧墙破除位置Fig.2 The Side Wall Breaking Position

由于地铁8 号线已经建成通车，因此本次施工除需保证车站结构安全施工外，还需保证8 号线的运营安全，本次施工主要存在以下几个施工风险点：

⑴换乘节点侧墙处未预留接口梁柱体系，侧墙拆除之后造成车站纵梁悬挑18 m，整个换乘节点相当于地下4 层的深度，悬挑纵梁受力较大。这是本次工程最大的风险点。

⑵公共区采用Y 柱支撑，柱位紧贴换乘节点临时侧墙，在接口处无法第一时间建立框架受力体系，侧墙破除后整个结构中板为悬挑状态。

⑶换乘节点处埋深达31.8 m，宽51.4 m，需破除的单面侧墙面积为1 274.1 m2，厚1 m（侧墙总破除量：2 548.2 m³）。侧墙破除后吊运难度大。

结合本工程特点和场地条件，综合考虑工程中存在的主要风险点，并遵循尽可能减少扰动原有结构的施工原则，本次采用由下至上、分部分块的施工工艺循环破除原有侧墙。

侧墙拆除的具体工法分成3步：①第一步，将-3层侧墙拆除，为保证车站结构的稳定性，保留跨中局部2 m 墙体作为支撑结构；②第二步，在-3 层悬挑纵梁位置架设临时支撑，对负3 层结构进行施工；③第三步，待-3 层结构稳定后拆除-2 层侧墙，并以此循环施工，直至侧墙全部拆除。在侧墙拆除并稳定后，拆除支撑侧墙。侧墙拆除施工示意图如图3所示。

图3 侧墙拆除施工示意图Fig.3 Schematic Diagram of Side Wall Removal Construction

2 数值模拟分析

使用有限元软件建立该地铁站主体结构模型，模拟侧墙拆除对结构板、东西端墙和Y型柱的影响。

2.1 计算模型和计算参数

计算模型采用三维整体计算模型，计算软件采用Midas进行计算。计算模型采用荷载-结构模型，水土压力均转化成静力作用在主体结构上。主体结构墙、板采用二维板单元模拟，梁、柱采用一维梁单元模拟，地层采用受压曲面弹簧模拟。车站三维有限元模型如图4所示。

图4 车站三维有限元模型Fig.4 Three-dimensional Finite Element Model of the Station

建立三维模型后，建立换乘节点处侧墙和支撑结构，如图5 所示。换乘节点处Y 柱的V 叉顶端与顶板交接，V 叉底端位于负1 层板，支撑柱与-3 层板相连。V 叉平行于X轴分布，换乘节点区域内沿Y 轴方向分布3根Y型柱。

图5 换乘节点处侧墙和支撑结构模型Fig.5 Model of the Side Wall and Supporting Structure at the Transfer Node

建立完成后定义施工阶段，根据施工步骤，依次拆除支撑和建立附属结构。拆除侧墙的施工顺序为：拆除左侧-3层侧墙（以下简称为Z3）➝拆除右侧第3层侧墙（以下简称为Y3）➝拆除左侧第2层侧墙（以下简称为Z2）➝拆除右侧第2层侧墙（以下简称为Y2）➝拆除左侧第1层侧墙（以下简称为Z1）➝拆除右侧第1层侧墙（以下简称为Y1）。由于施工最大风险点为侧墙拆除过程中结构板、Y 型柱及东西端墙变形过大发生破坏，且最大风险为纵向位移（Z方向，向上为正），因此选择此施工步骤的侧墙拆除过程纵向位移的数值模拟计算结果进行分析。

2.2 结构板纵向位移分析

在侧墙拆除施工过程中，由于承重结构发生改变，导致结构内力产生变化导致结构板发生不均匀沉降或拱起。不同位置的结构板发生的变形各异。本次工程主要考虑换乘节点处的结构受力情况，因此选择换乘节点处的顶板、-1层板、-2层板及-3层板的纵向位移进行分析。

结构顶板处的纵向位移云图如图6 所示。由图6可以看出，当第3层侧墙拆除时，此时支撑结构较为完整，顶板由于受重力的作用，位移以下沉为主。最大沉降区域位于顶板的左下方区域，最大沉降6.70 mm，根据文献［12-13］要求，结构安全。随着拆除过程的进行，最大沉降点处的沉降值呈减小的趋势，但是沉降区域面积逐步扩大。从开始拆除-3 层侧墙至侧墙拆除完成，纵向位移较大处区域（左下方区域）由以沉降为主逐渐转化为以拱起为主，沉降处主要位于Y型柱的V叉与顶板相交位置。整个拆除过程纵向位移变化量均在±8 mm 以内，满足文献［12-13］关于车站结构累计位移控制值为10 mm以内的要求。

图6 车站顶板纵向位移云图Fig.6 Cloud Diagram of Longitudinal Displacement of Station Roof

当支撑拆除时，由于承重结构的改变，Y 型柱下沉，由于顶板具有多个支撑点及支撑方式，因此纵向沉降量较Y 型柱小，使得Y 型柱的V 叉与顶板交接区域受拉，导致此部分发生沉降。顶板内由于钢筋混凝土的作用，使得受拉区域周围拱起。当拆除-3 层时，-2 层及-1 层侧墙对顶板的支撑作用还较为明显，因此整体位移形变较小，当侧墙全部拆除时，只剩支撑柱的作用，支撑面积减小，导致不均匀变化量增加。因此施工时应格外注意顶板V 叉周围的位移监测，若出现异常及时架设支撑。

3 施工方案

3.1 拆除工艺

侧墙破除使用水钻引孔+绳锯分段切割方式进行破除，破除前将支撑墙界线测量放样，而后将切割高度＞6 m 的侧墙按2.5 m×1.0 m 单节进行划分，切割高度≤6 m的侧墙按3.3 m×1.0 m单节进行划分。

3.2 单元分段拆除

在侧墙拆除过程中遵循从上到下，从左至右的拆除原则分块，绳锯切割为保证不卡绳，先切割底边，其次切割左右两边，最后切割顶边。切割作业时，设置警示隔离带，暂停周边其他施工作业，单面墙使用单台绳锯切割，不与其他绳锯交叉施工。

因侧墙顶排混凝土块拆除时，上方无吊装作业空间，因此顶排混凝土块拆除时，需使用水钻引上下两排吊装孔，同时，将顶层混凝土块切割面优化为梯形截面，便于从侧墙中脱出。如图7所示。

图7 首块侧墙切割示意图Fig.7 Schematic Diagram of Cutting the First Side Wall

当混凝土块四周切割完成之后，通过人工使用钢楔子小型千斤顶水平顶出，吊机配合竖向稳定，当具备起吊条件时，对混凝土块进行吊出。

4 结论与建议

本文通过结合广州某地铁站换乘节点处侧墙改造工程，提出了多块、分部施工的侧墙拆除方案，并结合Midas有限元软件对车站建模分析，得出以下结论：

⑴车站侧墙改造过程中最大的风险点是结构的顶板位置，且随着拆除的进行，顶板位置的纵向变形情况由以沉降为主逐步演化为Y 型柱交接区域沉降，周围区域局部拱起，但位移均小于8 mm，满足文献［12-13］的要求。因此在施工时应对顶板Y 柱周围加筋、加固处理，确保结构的安全稳定。

⑵车站的Y 柱是换乘节点的主要支撑形式，但是不同位置的Y 型柱的内力存在较大差异。扭矩与弯矩在Y 型柱的V 叉部分较大，且第一根柱所受内力最大，因此拆除过程中应加强对这根柱的施工监测，必要时进行加固处理。

⑶侧墙破除使用水钻引孔+绳锯分段切割方式进行破除，在侧墙拆除过程中遵循从上到下，从左至右的拆除原则分块。