地鐵車站軌頂風(fēng)道與盾構(gòu)掘進(jìn)同步施工技術(shù)

龔 杰 徐林有

中建三局基礎(chǔ)設(shè)施工程有限公司 湖北 武漢 430064

1 背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，地面可利用空間越來越少，城市道路越來越擁擠，發(fā)展城市地鐵成為當(dāng)今城市發(fā)展的必然要求。地鐵施工過程中，車站結(jié)構(gòu)施工和盾構(gòu)施工不可避免的存在相互影響。

軌頂風(fēng)道，即列車頂排風(fēng)道，是地鐵車站通風(fēng)系統(tǒng)中重要的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件，懸掛于車站中板和結(jié)構(gòu)側(cè)墻的交界位置。由于其所處位置的特殊性，一般不與車站主體同時(shí)澆筑。盾構(gòu)施工需要配套運(yùn)輸列車編組來進(jìn)行砂漿、管片的補(bǔ)給和土方的外運(yùn)，在隧道長度較長的盾構(gòu)區(qū)間，往往需要2列列車編組才能滿足盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度的要求。列車編組一般長逾50 m，運(yùn)行于車站底板上，正好位于軌頂風(fēng)道設(shè)計(jì)位置的下方，影響軌頂風(fēng)道施工。

2 工程概況

百步亭花園路站為武漢市軌道交通21號線工程的第2個(gè)車站，與遠(yuǎn)期的軌交14號線換乘。本站為地下2層島式站臺車站，采用明挖法施工，車站總建筑面積為17 153.9 m2，車站外包長度為206 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.3 m，車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約18.1 m，端頭井段基坑深19.2 m，寬31.3 m，共設(shè)4個(gè)出入口、2組風(fēng)亭（圖1）。本車站為兩端始發(fā)車站，西端為后百區(qū)間，東端為百新區(qū)間，區(qū)間長度1 503 m，盾構(gòu)施工階段有8個(gè)列車編組在車站底板運(yùn)行。

圖1 百步亭花園路站平面位置示意

軌頂風(fēng)道設(shè)置在線路正上方，位于③～?軸，南北兩側(cè)風(fēng)道均長177 m，自東向西坡度為0.2%，距底板面4.94 m。軌頂風(fēng)道凈空高1.25 m，凈寬2.95 m，風(fēng)道底板厚150mm，外側(cè)（靠近車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻）側(cè)墻厚150mm，內(nèi)側(cè)側(cè)墻厚250mm，采用C35混凝土（圖2）。

圖2 軌頂風(fēng)道與主體結(jié)構(gòu)關(guān)系

3 車站軌頂風(fēng)道傳統(tǒng)施工方法

傳統(tǒng)的技術(shù)方案一般有2種：方案一是在隧道貫通后再搭設(shè)滿堂腳手架施工軌頂風(fēng)道；方案二是盾構(gòu)采用單列編組施工，再用腳手架搭設(shè)一個(gè)帶有門洞的滿堂腳手架進(jìn)行施工。方案一的優(yōu)點(diǎn)是盾構(gòu)和軌頂風(fēng)道施工互不干擾，施工方便，缺點(diǎn)是工期太長，盾構(gòu)施工工期一般為4～6個(gè)月，在盾構(gòu)貫通后，軌頂風(fēng)道需要1～2個(gè)月才能施工完成并拆除架體，即需要5～8個(gè)月才能進(jìn)行車站內(nèi)軌道鋪設(shè)和風(fēng)水電安裝。方案二的優(yōu)點(diǎn)是盾構(gòu)和軌頂風(fēng)道可同時(shí)施工，該方法由于碗扣式滿堂腳手架門洞一般只能設(shè)置到2 m左右，故僅能滿足一列編組通行，大大降低了盾構(gòu)施工效率，盾構(gòu)工期將達(dá)到6～8個(gè)月，若要滿足雙列編組通行，門洞凈寬需達(dá)到4 m，經(jīng)計(jì)算，需要在門洞上方設(shè)置18#以上的大型號工字鋼橫梁，但車站中板下起重設(shè)備使用不便，靠人工將大量笨重的橫梁提升至3.5 m的高度十分困難，且存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。

為解決上述問題，結(jié)合本工程特點(diǎn)，計(jì)算設(shè)計(jì)了一種與盾構(gòu)同步施工軌頂風(fēng)道的施工裝置。

4 軌頂風(fēng)道施工裝置設(shè)計(jì)

4.1 軌頂風(fēng)道施工裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)采用一種裝配式門式架跨越盾構(gòu)軌行區(qū)，門式架連接形成施工平臺。根據(jù)盾構(gòu)列車編組運(yùn)行需要，裝配式門式架上橫梁跨度4.2 m，懸挑1 m。立柱高3.5 m，采用雙拼20b#槽鋼（內(nèi)部設(shè)置2道加勁板），間距2.2 m。連接梁采用雙拼12#槽鋼（內(nèi)部設(shè)置2道加勁板），間距0.9 m（圖3、圖4）。

圖3 裝配式門式架結(jié)構(gòu)示意（正面）

圖4 裝配式門式架結(jié)構(gòu)示意（側(cè)面）

4.2 軌頂風(fēng)道施工裝置設(shè)計(jì)計(jì)算

荷載計(jì)算按照最不利荷載工況，門式架以上有碗扣支架、軌頂風(fēng)道荷載，并考慮人、機(jī)荷載，混凝土傾倒、振搗荷載。

經(jīng)計(jì)算，軌頂風(fēng)道鋼筋混凝土荷載為59.4 kN，碗扣支架荷載為0.2 kN，人群及機(jī)具設(shè)備荷載為18.4 kN，混凝土澆筑和振搗產(chǎn)生荷載14.7 kN，即總荷載為（59.4＋0.2）×1.2＋（18.4＋14.7）×1.4=117.9 kN，則橫梁承受均布荷載為117.9/3.35=35.2 kN/m。

采用有限元軟件Midas建模分析，由應(yīng)力等值曲線（圖5）可知，上橫梁最大應(yīng)力位于梁跨中處，為71.7 MPa＜215 MPa，滿足要求；立柱最大應(yīng)力位于懸挑斜撐處，為95.9 MPa＜215 MPa，滿足要求。

圖5 裝配式門式架應(yīng)力等值曲線

由位移等值曲線（圖6）可知，最大撓度位于上橫梁跨中，為5.7mm＜L/400（L為橫梁跨度）=10.5mm，滿足要求。

圖6 裝配式門式架位移等值曲線

4.3 軌頂風(fēng)道施工裝置的運(yùn)行

軌頂風(fēng)道施工裝置包括支撐桁架系統(tǒng)、行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)。支撐桁架系統(tǒng)由型鋼制作成的橫梁、立柱、面板采用高強(qiáng)螺栓拼裝而成。行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括行車輪、軌道、支座和電機(jī)，為裝置拼裝、轉(zhuǎn)場提供動(dòng)力。

安全防護(hù)系統(tǒng)是在所述施工裝置頂部四周設(shè)置網(wǎng)片式定型圍欄防護(hù)系統(tǒng)，保證操作人員的安全。

本裝置是一種裝配式門式桁架，跨越兩列盾構(gòu)運(yùn)輸列車，在其上方提供一施工平臺，進(jìn)行軌頂風(fēng)道施工，所述裝置可在地面拼裝好后吊裝下放至盾構(gòu)端頭井，再由該裝置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行至施工區(qū)域。

行車輪安裝在行走梁下方，采用LD300的φ300mm鑄鋼輪，每節(jié)裝置配置4個(gè)行車輪。軌道采用80#槽鋼，倒扣于結(jié)構(gòu)底板上，以膨脹螺栓固定。支座采用300mm×300mm×300mm木方，在軌頂風(fēng)道施工階段墊在行走梁下方，以減小裝置輪壓，并起到固定作用，防止裝置位移。電機(jī)固定于行走梁外側(cè)，每節(jié)裝置配置2個(gè)1.5 kW的電機(jī)。

安全防護(hù)系統(tǒng)布置于該裝置頂部四周，由定型網(wǎng)片和基座組成，基座采用16#角鋼焊接在門式平臺的頂部四周，角鋼上每隔1.5 m設(shè)置螺栓孔，孔徑14mm，定型網(wǎng)片寬1.5 m，高0.8 m，采用螺栓固定在角鋼基座上，形成四周封閉的臨邊防護(hù)系統(tǒng)，保證施工安全。

5 施工工藝

5.1 施工步驟

1）在軌頂風(fēng)道施工前，在地面上將預(yù)制好的梁、立柱等構(gòu)件進(jìn)行拼裝，拼裝過程中使螺栓處于半緊狀態(tài)，方便拼裝，防止構(gòu)件卡住，待所有構(gòu)件拼裝完畢后對所有螺栓進(jìn)行復(fù)緊。裝置以節(jié)為單位裝配好行車輪、電機(jī)，并鋪設(shè)花紋鋼板。裝置拼裝的同時(shí)，在車站底板施工區(qū)鋪設(shè)并固定好軌道（圖7）。

2）采用盾構(gòu)吊裝龍門吊陸續(xù)將單節(jié)裝配好的裝置整體下放至盾構(gòu)井底板預(yù)先鋪好的軌道上（圖8），開動(dòng)電機(jī)，使裝置運(yùn)行至軌頂風(fēng)道施工區(qū)域，然后將節(jié)段間用螺栓連接牢靠，形成整體。在行車輪外側(cè)與軌道間塞上楔形塊限位，防止輪子移動(dòng)，并將木方支座墊在行走梁下方。安裝網(wǎng)片式定型圍欄臨邊防護(hù)系統(tǒng)，形成牢固安全的施工操作平臺。

圖7 軌頂風(fēng)道施工裝置安裝

圖8 軌頂風(fēng)道施工裝置吊裝下井

3）在施工平臺上施工軌頂風(fēng)道，軌頂風(fēng)道底板和側(cè)墻分2次澆筑，采用地泵由中板預(yù)留澆筑孔澆筑入槽，施工工藝流程（圖9）為：施工裝置安裝就位→測量放線→搭設(shè)支撐架→鋪設(shè)底模板→鋼筋綁扎→安裝吊墻外模板→澆筑軌頂風(fēng)道底板及吊墻下部混凝土→安裝吊墻內(nèi)模板→澆筑軌頂風(fēng)道吊墻、封澆筑孔→混凝土達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度后拆?！蜂N限位楔形塊和支座，開動(dòng)電機(jī)，將裝置整體轉(zhuǎn)場至下一節(jié)段施工。

4）待軌頂風(fēng)道工程全部完成后，即可拆除定型網(wǎng)片，將裝置解體為單節(jié)，運(yùn)行至盾構(gòu)井口，整體吊出。

5.2 施工情況

實(shí)際施工過程中，因?yàn)闇p少了反復(fù)搭設(shè)和拆除滿堂腳手架支架的工序，所以保證了盾構(gòu)雙線雙編組的正常施工，且軌頂風(fēng)道施工質(zhì)量良好（圖10）。

圖9 軌頂風(fēng)道施工步驟示意

圖10 軌頂風(fēng)道施工過程及成品情況

6 結(jié)語

本工程軌頂風(fēng)道與盾構(gòu)掘進(jìn)同步施工技術(shù)的運(yùn)用，克服了盾構(gòu)施工對軌頂風(fēng)道施工的影響，可以在確保安全和質(zhì)量的前提下，保證軌頂風(fēng)道和盾構(gòu)掘進(jìn)的同步施工。風(fēng)水電及裝修單位提前4個(gè)月進(jìn)場，并節(jié)約施工成本約20.5萬元，大大降低了總工期和施工成本，獲得了成功，可為類似工程提供借鑒和參考。