黄 波，陈长江

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

0 引言

随着我国工程技术的快速发展和经济实力的大幅提升，原来的城市公共交通已经愈加不能满足人民群众的生产生活需要，而地铁作为城市的快速轨道交通形式，不仅是城市的重要交通运输工具，还是一种规模浩大的交通性公共建筑［1］。目前，我国的地铁建设已经到了高速发展的时期，地铁已经成为我国很多大城市的最重要的公共交通工具，地铁建设也从最初单一的线条形发展到了网络化模式，这使得地铁与周边公共交通融为一体，真正成为一种立体式的交通网络。文献［1－2］总结了地铁建设和周边物业开发相结合的类型，包括车站内商业开发及车站上盖物业结合周边空间开发2个方面，并分析了国内外地铁车站与物业开发相结合的工程实例，对地铁建设与物业开发进行研究及探讨。文献［3］通过介绍广州、南京、成都和深圳等城市的开发实例，总结并提出了昆明地铁地下空间开发利用的原则和建议。文献［4］介绍了杭州地铁1号线文化广场站—艮山门站明挖区间工程结合物业开发的设计方案，提出在地铁设计中应充分考虑预留物业开发条件及对后期物业开发的技术要求和建议。

通过以上文献可以发现，城市土地资源的稀缺给地铁建设提出了更加严格的要求，所以必须充分利用轨道交通的便捷性和吸引客流的优势，让地铁车站及周边物业开发越来越有经济价值［5－9］。地铁建设通常优先于物业开发，所以在地铁设计中必须充分考虑预留物业建设的前提条件，设计者就必须考虑后期物业开发给地铁结构带来的影响，而以上文献均未对地铁车站结构的受力过程进行深入研究。本文依托南京地铁1号线百家湖站与物业相结合的项目，采用大型有限差分软件FLAC 3D 对不同工况下上盖结构对地铁车站结构的影响进行分析，对该项目提出了一些施工措施和建议。

1 工程概况

百家湖站是南京地铁1号线南延线的中间站，车站位于宁溧路与天元路交叉口以北、道路西侧的凤凰港地块内，靠近凤凰港中轴线，呈南北走向。拟建场地为施工区，场地平坦、空旷。

车站设计为地下2层3跨箱形结构，岛式站台，站台宽12m，地下1层为站厅层及设备层，地下2层为站台层。有效站台中心里程为K11+764.256，与北端和南端区间的设计分界里程分别为K11+635.156、K11+843.756，车站总长210.2 m，如图1所示。车站标准段结构外包尺寸为21.2 m ×13.48 m(宽 × 高)，如图2所示。车站两端盾构加宽段结构外包尺寸为25.2 m×13.82 m(宽 × 高)，车站近期顶部覆土 0.75 ～1.0 m。车站主体结构采用明挖顺作法施工，基坑深14.494～14.834 m，围护结构采用φ850水泥土三轴搅拌桩内插HN700×300型钢支护。内插型钢采用插2跳1、密插型2种方式布置，主体结构施工完成后回收型钢，如图3所示。目前车站已经施工完毕，各种监测数据均处于设计可控范围内。

图3 地铁车站施工方法(单位:mm)Fig.3 Construction method of the Metro station(mm)

车站顶部两端规划为凤凰港大型超市，超市为4层框架结构，总高19.2 m。百家湖车站与凤凰港上盖物业分期实施，目前凤凰港上盖物业还处于设计阶段，尚未实施。

1.1 既有百家湖站上部预留新建工程条件

百家湖地铁站主体结构为上盖物业提供了以下预留条件:

1)车站立柱钢筋甩出车站顶板顶面1 000 mm，东、西侧内衬墙上与立柱同一轴线位置按立柱甩筋数量及规格预留插筋，插筋长度2 000 mm(甩出结构顶板1 000 mm)。其中4—8轴顶板已经浇筑完成，立柱钢筋维持原设计。

2)车站顶板立柱及侧墙增设立柱混凝土浇筑出回填地面，已甩筋段立柱钢筋进行焊接接长处理，未甩筋段进行化学植筋处理，未甩筋部分实际未施工。

1.2 地铁施工工况分析

百家湖站主体车站上部新建结构建设之前，需要将车站顶板1 m左右的覆土取走。在上部覆土卸载过程中，由于车站的竖向力学平衡被打破，会产生一定程度的上浮，而周边的地层由于车站的上浮，也会受到不同程度的影响。车站的整体上浮和局部变形差异程度取决于抗拔桩力学特征及车站侧墙摩阻力的大小，这些都需要通过三维数值模拟来进一步分析，最终确定该工况对车站及周边地层的影响。

百家湖站卸载完成以后，将会进行上部建筑工程建设。上部建筑将荷载直接传递到地铁车站的结构柱上，利用地铁车站的结构柱承重，这将会对地铁车站及周边地层造成一定程度的影响，也需要进行进一步的分析。因此，百家湖站主体车站上部新建结构建设过程中，百家湖站受到最主要影响的工况为车站顶板覆土卸载工况和车站上部新建工程工况。本文就这2种工况从以下3个方面来进行分析:1)百家湖站主体车站及周边地层力学分析;2)百家湖站主体车站梁柱板节点应力分析;3)百家湖站主体车站抗拔桩强度及变形分析。

2 上盖物业对地铁结构影响的数值模拟

2.1 计算模型与计算参数

采用美国Itasca公司开发的大型有限差分软件FLAC 3D进行数值模拟分析。模型以百家湖车站为主体，考虑车站纵向跨度及结构柱大小，选择6－6和7－7断面，并对比上盖商业开发工程作用在柱顶集中力大小，综合考虑最终选择10轴处7－7断面进行模拟。模型考虑3～4 d(d为车站宽度)的影响范围，并且考虑抗拔桩的作用范围，最终选定模型横向取151.2 m(左右各65 m)，车站底部模型深度为65 m，既有车站埋深取1 m(该埋深内的水土压力通过施加等效面荷载模拟)。考虑到百家湖站上部新建结构通过车站主体结构柱传力的特点，最终取模型纵向为12.8 m，即考虑1个7－7横断面，并纵向前后延伸6 m，考虑柱间影响。具体模型见图4。

图4 三维计算模型Fig.4 3D calculation model

以车站围护结构标准断面地质参数为建模基础，本模型包含了9个土层，埋深分别为1.6m(①－1杂填土层)，3.7m(③ －1b1 －2 粉质黏土层)，4.1 m(③ －2 －1c2－3粉土层)，6.6 m(③ －2d2－3粉砂层)，8.5 m(③ －2－2c2－3粉土层)，5.0 m(③ －2b2－3粉质黏土层)，1.5 m(③ －4e砂砾石层)，1.6 m(K1g－1 强风化泥质粉砂岩)，45.9 m(K1g－2中风化泥质粉砂岩)。详细土层参数见表1。车站周围的地层采用实体单元，本构模型采用摩尔－库伦模型进行模拟分析;车站采用实体单元，本构模型采用弹性模型进行模拟;车站与周边地层之间采用设立接触面模拟，以模拟实际车站与地层之间的相互作用关系。抗拔桩采用pile sel结构单元模拟，见图5。

表1 地层参数表Table 1 Parameters of the stratum

图5 车站与抗拔桩相对位置Fig.5 Relationship between Metro station and uplift piles

2.2 百家湖站主体车站及周边地层力学分析

2.2.1 百家湖站车站顶板覆土卸载工况

图6显示了百家湖站卸载完成以后，地铁车站及周边地层的竖向位移值。可以发现车站和周边地层均有不同程度的隆起，车站部分隆起值超过周边地层。可以看到车站在中柱处横断面位置，顶板变形最大，顶板正中也就是两结构中柱之间的最大变形有1.86 mm，中板正中最大变形1.6 mm，底板正中最大变形1.4 mm，底板轨行区最大变形1.0mm。由于抗拔桩和车站侧墙处摩阻力在卸载过程中提供了不同程度的抵抗浮力的作用，车站结构的不同位置出现了不同程度的变形值，由此产生了变形差异，但最终车站最大变形差异值不超过0.4 mm，而在车站轨行区的底板位置，沉降差异值在0.2 mm以内，不影响车站的正常运营。顶梁柱板节点处的竖向位移值要小于板带中央的竖向位移值，这是由于节点处起到了一定的约束作用引起的，而在中板及底板的相应位置，该现象并不明显。通过图6可以发现，在三维数值模拟中，边墙的摩阻力在抵抗浮力的过程中提供了相当大的一部分力，由此产生了车站不同位置处变形的差异性。

图7显示了百家湖站卸载完成以后，地铁车站及周边地层的水平位移值。可以看到:车站中板以上周边一定深度的地层有远离车站的趋势，而车站中板以下周边地层向车站发生了挤压现象，车站顶板处地层的水平位移仅0.2 mm左右，对车站基本没有影响;车站水平最大位移值出现在站厅层侧墙处，也就是周边土体位移值方向改变的位置，此处的车站侧墙受到了周边土体的挤压，最大水平位移值不到0.1 mm。

因此，在车站卸载过程中，会产生2方面的不利影响。1)在卸载工况下，周边地层会有不同程度的隆起，上部新建工程落于车站以外的建筑与前期车站的部分建筑应当分期修建。2)应当极力避免一次性全部卸载工况的出现，即应当采取相应的工程措施避免车站上部覆土一次性全部取走。

2.2.2 百家湖站车站顶板新建工程工况

图8显示了百家湖站上部新建工程完成以后，地铁车站及周边地层的竖向位移值，周边地层受影响范围为车站周边30 m以内。可以发现车站和周边地层发生了不同程度的沉降，车站部分沉降值超过周边地层，周边地层在车站附近发生的沉降变形最大。车站在中柱处横断面位置，顶板变形最大，顶板正中也就是两结构中柱之间的最大变形有5.3mm左右，中板正中最大变形4.5 mm左右，底板正中最大变形3.0 mm左右，底板轨行区最大变形4.5mm左右。由于抗拔桩和车站侧墙摩阻力对车站沉降产生了不同程度的约束力，车站结构的不同位置出现了不同程度的变形值，由此产生了变形差异，但最终车站最大变形差异值不超过0.37 mm，而在车站轨行区的底板位置，沉降差异值在1mm以内，不影响车站的正常运营。顶梁柱板节点处的竖向位移值要大于板带中央的竖向位移值，这是由于节点处起到了一定的约束作用。

图9显示了百家湖站上部新建工程完成以后，地铁车站及周边地层的水平位移值。可以看到:车站顶板周边一定深度的地层有挤压车站的趋势，而车站中板以下周边地层向车站发生了远离车站的现象，车站顶板处地层的水平位移仅1.14mm左右，对车站基本没有影响;车站水平位移最大值出现在站台层结构中柱处，也就是车站此时的主要承力点，此处车站结构中柱受到上部荷载的挤压，最大水平位移值不到0.4mm。

因此，在车站上部新建工程建设过程中，会产生2方面的不利影响。1)在加载工况下，周边地层会有不同程度的沉降，上部新建工程落于车站以外的建筑与前期车站的部分建筑应当分期修建，且应设置沉降缝。2)应当力争中柱和预留边柱处混凝土浇筑的同步性，避免给车站结构，特别是车站轨行区底板带来附加沉降差异值，影响车站的正常运营。

2.3 百家湖站主体车站梁柱板节点应力分析

2.3.1 百家湖站车站顶板覆土卸载工况

图10显示了百家湖站卸载完成以后，车站顶、中、底纵梁柱板节点处最小主应力云图。根据FLAC 3D软件的设定，最小主应力云图中负值表示最大压应力值，因此，我们需要根据节点处的最大压应力来判断节点处的主压应力是否超过结构的承载力。由3个应力云图可知，最大主压应力为2.09 MPa，发生在站台层中柱位置及站厅板靠近中柱一侧。中柱为C50混凝土，C50混凝土的轴心抗压强度设计值为 23.1 MPa［10］。柱截面为 0.7 m ×0.8 m。根据计算可知，最大主压应力没有超过中柱混凝土允许的最大压应力(13 MPa)。站厅板为C30混凝土，根据计算可知，仅中板混凝土的压应力允许值就超过了5 MPa，结构是安全的。

图11显示了百家湖站卸载完成以后，车站顶、中、底纵梁柱板节点处最大主应力云图。根据FLAC 3D软件的设定，最大主应力云图中正值表示最大拉应力值，因此，我们需要根据节点处的最大拉应力来判断节点处的主拉应力是否超过结构的承载力。由3个应力云图可知，最大主拉应力为1.544 MPa，发生在站台层梁柱节点处中纵梁下部。中纵梁为C30混凝土，C30混凝土的轴心抗拉强度设计值为1.43 MPa［10］。中纵梁截面为0.8m ×1.1m，中纵梁下部配筋为12φ22。根据计算可知，中纵梁下部允许的最大拉应力为2.284 MPa，因此，结构是安全的。

根据上述应力分析，百家湖车站在顶板卸载过程中，结构是安全的。

2.3.2 百家湖站车站顶板新建工程工况

图12显示了百家湖站顶板新建工程完成后，车站顶、中、底纵梁柱板节点处最小主应力云图。由3个应力云图可知，最大主压应力为10.074 MPa，发生在站台层中柱位置。中柱为C50混凝土，根据计算可知，最大主压应力没有超过中柱混凝土允许的最大压应力(13 MPa)，结构是安全的。

图13显示了百家湖站上部新建结构工程完成以后，车站顶、中、底纵梁柱板节点处最大主应力云图。由3个应力云图可知，最大主拉应力为2.02MPa，发生在两中柱之间底纵梁跨中上部。底纵梁为C30混凝土，中纵梁截面为1.0 m×1.6 m，底纵梁上部配筋为14φ32。根据计算可知，底纵梁上部允许的最大拉应力为5.7 MPa，因此，结构是安全的。

根据上述对车站结构梁柱板最大压、拉应力的分析可知，车站结构在这2种荷载工况下都是安全的。

2.4 百家湖站主体车站抗拔桩强度及变形分析

百家湖站在每根中柱及两中柱之间均设置了抗拔桩，桩径为1.2 m，桩身为 C30混凝土，主筋为25φ25，桩底进入强风化岩层。具体桩号及位置见图14。

图14 抗拔桩编号Fig.14 Numbering of uplift piles

FLAC 3D采用his命令跟踪监测桩顶处的最大变形值，以此来判断单桩最大轴力及位移是否超过设计允许值。根据车站主体围护结构施工图及变更图可知，变更后单桩抗拔承载力设计值为1 640 kN，单桩抗拔静载试验极限承载力标准值为2 220 kN。

2.4.1 百家湖站车站顶板覆土卸载工况

顶板覆土卸载完成后抗拔桩轴力及最大沉降如表2所示。

由表2可知，在车站顶板覆土卸载完成后，抗拔桩最大轴力仅为519.7 kN。由数值模拟计算可知，最大拉拔力仅为144.1 kN，桩顶位移向上，最大值为1.008 mm，与底纵梁变形一致。由此可知:车站结构与抗拔桩是一同受力，一同抵抗上浮力的，而结构荷载计算模型中的抗拔力是偏保守的、安全的。

表2 顶板覆土卸载完成后抗拔桩轴力及最大沉降Table 2 Axial force and maximum settlement of uplift piles

2.4.2 百家湖站车站顶板新建工程工况

顶板新建工程抗拔桩轴力及最大沉降如表3所示。

表3 顶板新建工程完成后抗拔桩轴力及最大沉降Table 3 Axial force and maximum settlement of uplift piles

由表3可知，在车站顶板上部新建工程完成后，抗拔桩最大轴力为1 435 kN，由数值模拟计算可知，最大拉拔力为0，此时抗拔桩体现为承受上部荷载，桩顶位移向下，最大值为3.253 mm，与底纵梁变形一致。由此可知:车站结构中柱将上部荷载传递到了抗拔桩上，由抗拔桩来承受一定的上部荷载，而结构荷载计算模型中的承载力是偏保守的、安全的。

由上述分析可以看出:不论是卸载过程还是加载过程，柱下抗拔桩及底纵梁跨中以下抗拔桩均参与了受力，其对车站抵抗上浮及承受上部加载均起到了重要作用，且是安全的。

3 结论与建议

综上所述，不论是卸载过程还是加载过程，在采取相应工程措施的前提下，上部新建结构通过中柱及预留边柱来进行传力，对地铁车站及上部新建结构来说是安全可靠的。

对于在百家湖站上部新建结构建设过程中产生的一系列卸载及加载工况，建议建设方采取有效的工程措施，确保地铁车站及上部新建结构的安全。

1)与车站施工图比对，核实柱子尺寸等预留条件，检查柱顶钢筋是否预留、锈蚀等情况，如不满足要求需采取相应措施。

2)加强监测，确保地铁车站结构的使用安全，不影响其正常运营。

3)应当采取跳槽开挖、分段施工。根据监测数据在必要时进行顶板反压，确保卸载过程中车站结构的安全及列车的正常运行。

4)建议施工顺序为:先车站外地下室，再车站部分上部结构，最后车站外上部结构，且两结构主体之间应设置沉降缝(或者采取其他有效措施)，避免相互影响。

5)应当采取工程措施保证中柱和预留边柱处混凝土浇筑的同步性，避免给车站结构特别是车站轨行区底板带来附加的沉降差异，影响车站的正常运营。

国内对于上盖物业与地铁关系的文献均未对地铁车站结构的受力过程进行深入的研究。本文对于此方向的研究亦处于初步阶段，尚需后期上盖物业实施过程中对车站监测资料的进一步验证。建议下一步配合施工单位对地铁车站及周边地层进行细致详实的监测，以达到深入研究本课题的目的。

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