軌道交通地下車站上蓋鋼結構施工方案的優(yōu)化與應用*

郁政華

1. 同濟大學土木工程學院 上海 200092；2. 上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 工程概況

軌交車站上蓋是指利用軌道交通地下站的交通便利性，直接在其上方加蓋商業(yè)商務、會展業(yè)、酒店、住宅等，從而方便乘客和吸引顧客，并帶動商業(yè)圈的發(fā)展和提升。這種模式在國外已相當成熟，如日本的新京都車站，其用于車站的面積僅占總面積的1/20，這種軌道車站上蓋物業(yè)、商業(yè)綜合體不僅成為該區(qū)域的經(jīng)濟中心，同時還是重要的政治、文化中心，國內(nèi)亦有成功的案例。

軌交車站上蓋項目不同建設階段，施工難易和施工成本不同，其中在已正常運營并形成一定商業(yè)規(guī)模的軌交站點上方加蓋鋼結構，施工難度最大。本文以中國博覽會會展綜合體項目為背景，重點介紹了此類項目的多方案優(yōu)化應用[1,2]。

中國博覽會會展綜合體項目（北塊）位于上海市西部，北至崧澤高架路南側紅線，南至盈港東路北側紅線，西至諸光路東側紅線，東至淶港路西側紅線，已運營的軌交2號線由東向西貫穿整個施工區(qū)域。項目總用地面積8.56×105m2，地上建筑面積1.47×106m2，地下建筑面積2.00×105m2。

E1商業(yè)中心正下方為軌交2號線徐涇東站車站區(qū)間和盾構區(qū)間，東側跨越盾構區(qū)間，最大跨度達83 m，西側跨越車站區(qū)間，最大跨度達117 m。E1商業(yè)中心與軌交區(qū)間的相對關系如圖1、圖2所示。

圖1 E1商業(yè)中心與軌交2號線的相對位置

圖2 E1商業(yè)中心與軌交區(qū)間平面關系示意

E1商業(yè)中心為鋼框架-支撐筒結構體系。結構內(nèi)徑109 m，外徑166 m。結構地下1層，地上8層，屋蓋最高達43 m。鋼結構總質量約27 300 t。

2 軌交車站上蓋技術特點

由于徐涇東站已運營，軌交車站上蓋項目涉及到鄰近軌交的樁基施工、基坑開挖、車站出入口改造、上蓋鋼結構施工。項目開工前需做軌交設施安全性評估，施工方案設計須經(jīng)過軌交運營方審查，項目施工須進行全過程第三方檢測。軌交運營方要求：軌交區(qū)間內(nèi)施工荷載不得大于20 kN/m2；加強軌交線路沉降監(jiān)測，施工期間的累計沉降值小于10 mm。

E1商業(yè)中心鋼結構規(guī)模體量大、跨度大，軌交車站區(qū)間、盾構區(qū)間對施工荷載非常敏感，故鋼結構方案設計時，應重點分析結構施工對軌交車站、盾構區(qū)間的影響，在確保軌交在施工期間安全運營的前提下，綜合考慮鋼結構在施工過程中的應力、應變及施工工效、成本等。

3 軌交車站上蓋多方案設計

針對E1的結構特點和難點，設計了4種鋼結構施工方案，分別為：懸拼法、剛性支撐高空散裝法、恒力支撐施工法、彈性支撐施工法[3]。

3.1 懸拼法

E1大跨度空間鋼結構采用懸拼法施工。首先完成非轉換區(qū)鋼結構的施工；然后利用已完成的非轉換區(qū)框架鋼結構的自身剛度，從兩邊往中間懸拼2～6樓轉換區(qū)鋼結構；再利用合攏的6層以下轉換區(qū)結構自下而上安裝上部鋼結構。施工示意見圖3。

圖3 懸拼法施工示意

3.2 剛性支撐高空散裝法

全剛性支撐高空散裝法，通過設置豎向剛性支撐，自下而上散裝轉換區(qū)鋼結構。剛性支撐荷載通過大面積路基箱或鋼梁予以擴散，控制在設計要求的荷載值之內(nèi)。首先完成非轉換區(qū)鋼結構的施工；然后利用剛性支撐系統(tǒng)從兩邊往中間節(jié)間綜合安裝轉換區(qū)2～6樓鋼結構；再利用合攏的6層以下轉換區(qū)結構自下而上安裝上部鋼結構；最后分階段卸載剛性支撐，完成結構自施工狀態(tài)至設計狀態(tài)的轉換。施工示意見圖4。

3.3 恒力支撐施工法

圖4 剛性支撐高空散裝法施工示意

恒力支撐是一種利用液壓千斤頂控制支撐軸力的支撐形式。恒力支撐施工法，通過設置豎向恒力支撐，自下而上散裝轉換區(qū)鋼結構，恒力支撐荷載通過路基箱或鋼梁予以擴散，控制在設計要求的荷載值之內(nèi)。首先完成非轉換區(qū)鋼結構的施工；然后利用恒力支撐系統(tǒng)從兩邊往中間節(jié)間綜合安裝轉換區(qū)2～6樓鋼結構；再利用合攏的6層以下轉換區(qū)結構自下而上安裝上部鋼結構；最后通過伺服控制系統(tǒng)分階段卸載恒力支撐，完成結構自施工狀態(tài)至設計狀態(tài)的轉換。施工示意見圖5。

圖5 恒力支撐施工法施工示意

3.4 彈性支撐施工法

彈性支撐是一種利用彈性支座實現(xiàn)支撐軸力控制的支撐形式。彈性支座如圖6所示。在彈性支座內(nèi)設置有m個碟形彈簧，共n組，通過對碟形彈簧進行預壓的方法對彈性支座施加預緊力。彈性支座原理如圖7所示。以1 000 kN的預緊力彈性支座為例，當彈性支撐軸力≤1 000 kN時，其支座剛度近似無窮大，支座位移值為0 mm；當彈性支撐軸力＞1 000 kN時，其支座隨彈簧變形而發(fā)生位移，支撐軸力緩慢增大。

圖6 彈性支座示意

圖7 彈性支座原理示意

通過設置豎向彈性支撐，自下而上散裝轉換區(qū)鋼結構，彈性支撐荷載通過路基箱或鋼梁予以擴散，控制在設計要求的荷載值之內(nèi)。首先完成非轉換區(qū)鋼結構的施工；然后利用彈性支撐系統(tǒng)從兩邊往中間節(jié)間綜合安裝轉換區(qū)2～6樓鋼結構；再利用合攏的6層以下轉換區(qū)結構自下而上安裝上部鋼結構；最后分階段卸載彈性支撐，完成結構自施工狀態(tài)至設計狀態(tài)的轉換。施工示意見圖8。

圖8 彈性支撐施工法施工示意

4 軌交地下站上蓋多方案設計優(yōu)化應用

通過Midas有限元分析軟件建立E1鋼結構整體模型，定義邊界條件及荷載。針對多方案各施工工況進行全過程施工模擬分析，并進行數(shù)據(jù)分析比較，最終確定最優(yōu)施工方案。限于篇幅，略過施工模擬分析過程，以數(shù)表表述多方案結構變形值、應力值、支撐軸力的對比分析。

4種施工方法最終狀態(tài)結構變形匯總比對如表1所示。

表1 不同施工方法下結構變形值（卸載完成后）

通過表格數(shù)值比對，我們不難發(fā)現(xiàn)，采用懸拼法施工的結構各項變形均遠超設計值，結構變形難以控制；采用剛性支撐、恒力支撐、彈性支撐的施工方法均能有效控制結構變形，變形值均接近于原設計值。

4種施工方法最終狀態(tài)結構應力匯總比對如表2所示。

表2 不同施工方法下結構應力值（卸載完成后）

通過表格數(shù)值比對，我們不難發(fā)現(xiàn)，采用懸拼法施工的結構應力、應力比均遠超設計值；采用剛性支撐、恒力支撐和彈性支撐的施工方法均能有效控制結構應力、應力比，各值均接近于原設計值。

針對各類支撐在結構合攏時的軸力比較，綜合分析各類支撐施工方法的優(yōu)劣。結構合攏時，剛性支撐軸力、恒力支撐軸力、彈性支撐軸力如表3所示。

表3 支撐軸力值匯總（結構合攏時，單位：kN）

通過表格數(shù)值比較，結構在合攏狀態(tài)下，采用剛性支撐施工時，支撐軸力最大達2 584 kN，無法滿足軌交區(qū)間對軸力的控制要求；采用恒力支撐施工時，支撐軸力始終控制在1 200 kN、800 kN，滿足軌交區(qū)間對軸力的控制要求；采用彈性支撐施工時，支撐最大軸力為1 415 kN，滿足軌交區(qū)間對軸力的控制要求。在后續(xù)的卸載過程中，剛性支撐軸力局部會急劇遞增，對軌交的安全保護極為不利；恒力支撐能做到同步卸載，支撐軸力可控；彈性支撐軸力會緩慢遞增，軸力仍在可控范圍內(nèi)。

綜上所述，恒力支撐施工法、彈性支撐施工法均能滿足E1商業(yè)中心大跨度鋼結構施工的要求。在現(xiàn)場可操作性上，彈性支撐施工法更優(yōu)[4,5]。

5 結語

通過有限元分析軟件對E1大跨度鋼結構進行建模分析，研究了4種不同施工方案在各個施工階段的結構應力、應變及對應支撐形式的軸力值。通過方案比對，最終確定了適用于軌交區(qū)間上方加蓋大跨度鋼結構的施工方案。

恒力支撐法、彈性支撐法都不失為一種好的施工方案，結合現(xiàn)場實際，彈性支撐法具有更強的可實施性。E1商業(yè)中心軌交地下站上蓋鋼結構主要采用了彈性支撐施工法進行安裝，彈性支撐實現(xiàn)了轉化區(qū)4層以下結構合攏前的結構精度控制和軸力控制，結構施工至8層，支撐軸力值仍滿足設計要求。通過結構變形監(jiān)測及軌交區(qū)間變形監(jiān)測可知，彈性支撐在實際施工中取得了良好的效果，結構卸載完成后，最大變形值為-94 mm＜l/1 000，軌交區(qū)間在結構施工階段累計沉降值小于10 mm，滿足設計要求。