大跨度無柱穹頂結(jié)構(gòu)地鐵車站頂板施工技術(shù)探討

摘要：地鐵車站承擔著地鐵交通樞紐站點和標志性景觀建筑的雙重作用，大跨度無柱穹頂結(jié)構(gòu)被多座城市的地鐵車站采用，其施工難度較常規(guī)結(jié)構(gòu)顯著增加，總結(jié)了車站穹頂結(jié)構(gòu)頂部的施工關(guān)鍵技術(shù)，大幅度提高地鐵車站穹頂頂板結(jié)構(gòu)的施工工效、施工成本和施工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：穹頂結(jié)構(gòu)； 無柱車站； 地鐵； 施工技術(shù)

中圖分類號：U231.3文獻標志碼：B

0引言

地鐵車站作為地鐵交通的樞紐站點，不僅擔任著聯(lián)系地面和地下的客運功能，還擔任著不同線路之間乘客換乘的功能。隨著地下工程工技術(shù)的日益成熟，安全穩(wěn)定、經(jīng)濟合理已不是地鐵車站建設(shè)的唯一要求，視野開闊、客流通暢、美觀等成為了地鐵車站應(yīng)具備的性能，地鐵車站往往成為城市的標志性建筑，直接體現(xiàn)周圍的景觀特色。大跨度無柱穹頂結(jié)構(gòu)在地鐵車站景觀設(shè)計中占據(jù)著重要作用，且施工難度較常規(guī)結(jié)構(gòu)顯著增加，本文總結(jié)了大跨度無柱穹頂結(jié)構(gòu)支架設(shè)計和施工關(guān)鍵技術(shù)，為類似工程的施工提供參考借鑒。

1工程概況

某地鐵車站位于國家4A級景區(qū)附近，為地下雙層12 m島式車站，設(shè)計里程ZDK25+458.208—ZDK25+617.308為穹頂結(jié)構(gòu)，長度為159.1 m，其中27軸—42軸（134 m）凈跨度為19.7 m，頂板最高點厚度1 200 m，頂板最低點厚度2 820 mm；42軸—45軸（25 m）凈跨度為21.25 m，頂板最高點厚度1 300 m，頂板最底點厚度2 757 mm；穹頂結(jié)構(gòu)與矩形結(jié)構(gòu)交接處，兩側(cè)混凝土最大厚度5 883 mm，跨中厚2 550 mm，縱向長度1.4 m。

2支撐體系設(shè)計

2.1支架體系

本文支架設(shè)計包含穹頂結(jié)構(gòu)、穹頂結(jié)構(gòu)與矩形結(jié)構(gòu)交接部位兩部分，其中穹頂結(jié)構(gòu)采用盤扣式支撐架形成豎向支撐體系，穹頂與矩形結(jié)構(gòu)交接部位兩側(cè)和跨中分別采用型鋼支架和重型盤扣支架；主楞采用與穹頂頂板結(jié)構(gòu)弧形匹配的12.6#弧形工字鋼拼接而成，次楞由雙拼鋼管構(gòu)成，兩者一起形成車站頂板底模的支撐體系；最后通過扇形斜撐對支撐體系進行加固，抵消在混凝土澆筑過程產(chǎn)生的水平不平衡荷載，保證整個支撐體系在橫向的穩(wěn)定滿足要求。穹頂結(jié)構(gòu)、穹頂結(jié)構(gòu)與矩形結(jié)構(gòu)交接部位的支撐體系如圖1、圖2所示。本文的支撐體系有如下特點：盤扣式支撐架節(jié)點穩(wěn)定，承載力強，安全性高，現(xiàn)場施工方便，搭設(shè)、拆除速度快，材料損耗率低；主楞由工字鋼拼裝，總體形狀與穹頂頂板結(jié)構(gòu)下側(cè)面一致，加工、運輸、安裝、拆卸方便；采用扇形斜撐加固支撐體系，可減少混凝土澆筑過程中支架體系的側(cè)向變形。

2.2支撐體系驗算

為保證支撐體系的可靠性和穩(wěn)定性，需對設(shè)計的支撐體系進行計算分析，本文采用Midas Civil建立了穹頂結(jié)構(gòu)、穹頂與矩形結(jié)構(gòu)交接部位支撐體系的有限元模型，如圖3所示。通過建立的有限元模型對支撐體系在側(cè)向壓力作用下的強度、剛度、穩(wěn)定性進行了校核驗算，驗算結(jié)果如圖4所示，計算結(jié)果表明：支撐體系的面板、主楞、次楞和立桿的強度和剛度均滿足要求，整體穩(wěn)定性也滿足要求。

3大跨度無柱穹頂頂板結(jié)構(gòu)施工

3.1施工工藝流程

地鐵車站大跨度無柱穹頂頂板結(jié)構(gòu)施工流程如圖5所示。

3.2施工方法

3.2.1測量放樣

在中板和負一層側(cè)墻施工完成后，由現(xiàn)場技術(shù)員根據(jù)設(shè)計圖紙和測量控制點放出頂板結(jié)構(gòu)的底部標高，由于頂板為穹頂結(jié)構(gòu)，需要標出每個支架頂部的標高，并作好標記，保證施工完成的穹頂頂板結(jié)構(gòu)標高和弧度與設(shè)計一致。

3.2.2搭設(shè)頂板支撐架

（1）為保證支架能夠平穩(wěn)有效坐落在中板上，在安裝支架底座前需要將中板上的施工設(shè)備和建渣清除。

（2）支架間距縱距900 mm，橫距（300+2@600+3@900+9@1200+3@900+ 2@600+300） mm（27軸—42軸），橫距（2@600+6@900+6@1200+6@900+2@600） mm（42軸—45軸）；步距1500 mm。

（3）為保證整體支架的穩(wěn)定性，穹頂段負一層支架豎向斜桿滿設(shè)。負二層豎向斜桿沿縱橫向每間隔2跨設(shè)置；支架頂層及底層需設(shè)置水平斜桿（剪刀撐），且水平斜桿（剪刀撐）間距不大于6 m，水平斜桿（剪刀撐）寬度3～5 m。

施工技術(shù)與測量技術(shù)韓旭： 大跨度無柱穹頂結(jié)構(gòu)地鐵車站頂板施工技術(shù)探討

（4）每層支架搭設(shè)間距相同，盡量使頂板對撐分布于支架上，保證支架豎向軸心傳力。

（5）由于杜甫草堂站穹頂段需要預(yù)留孔洞作為盾構(gòu)出土井，支架如遇中板孔洞處采用在底板支架頂部膠板上設(shè)雙拼槽鋼，沿基坑橫向布置，間距為900 mm。

（6）搭設(shè)時，先將橫桿、斜桿等接頭插入連接盤，使插銷外表面與水平桿和斜桿桿端扣接接頭內(nèi)表面吻合。待桿件接頭插入后，將插銷插入連接盤的扣接頭內(nèi)。插銷連接應(yīng)保證錘擊自鎖后不拔脫，抗拔力不得小于3 kN。

3.2.3拼裝和安裝弧形主楞工字鋼

（1）主楞采用特制與結(jié)構(gòu)弧度匹配的12.6#工鋼，橫向布置，間距為900 mm。

（2）主楞工字鋼之間連接采用高強螺栓連接，其弧度要與結(jié)構(gòu)弧度匹配

（3）頂托與主楞的空隙采用焊接于主楞下方的鐵楔子填塞，保證接觸面積及位移限制，頂托和主楞連接詳圖可見圖6。

（4）拱腳位置設(shè)置鎖腳限制其位移。

3.2.4次楞和面板安裝

（1）兩側(cè)弧形范圍次楞采用雙拼48.3×3.6 mm鋼管，間距150 mm，跨中范圍次楞48.3×3.6 mm鋼管，間距150 mm；面板采用15 mm厚的竹膠板，拱頂?shù)墓澳_部位采用現(xiàn)場加工的木塊填充。

（2）次楞雙拼鋼管為保證其在主楞12.6#弧形工字鋼架上不發(fā)生位移，在弧形工字鋼上按次楞間距焊接L40×3 mm的等邊角鋼或鋼筋頭，固定鋼管位置，面板拼縫處次楞采用50 mm×100 mm方木（圖7）。

3.2.5扇形斜撐安裝

為保證混凝土澆筑過程中，支架受到水平方向的荷載失穩(wěn)，除頂托與主楞支撐外，另設(shè)置48.3×3.6 mm鋼管斜撐，呈扇形分布與主楞連接分散其荷載（圖8）。

3.2.6頂板鋼筋綁扎和混凝土澆筑

（1）穹頂結(jié)構(gòu)與平頂結(jié)構(gòu)頂板相比，若混凝土澆筑過程不對稱，會使支架產(chǎn)生較大的水平荷載，造成支架發(fā)生失穩(wěn)。因此，在混凝土澆筑前，首先采用有限元軟件模擬澆筑過程，保證混凝土澆筑過程中支架體系的位移滿足要求。

（2）混凝土分層分區(qū)對稱澆筑，從拱腳位置開始對稱緩慢均勻澆筑到拱頂位置合攏，混凝土每1 h澆筑高度小于30 cm。

（3）準備足夠的木板（廢模板）鋪墊在綁扎好的鋼筋上，以利行走和平倉振搗作業(yè)，澆筑完第二層混凝土將木板移走。

3.2.7支架頂部位移監(jiān)測

（1）支架頂部沿頂板下沿布設(shè)監(jiān)測點，每個截面布點7個，其中拱頂水平段3個，每側(cè)弧形段2個；每段頂板選取3個截面布設(shè)點位。

（2）監(jiān)測頻次設(shè)定為每1 h一次，分別對3個截面21個點位的水平位移和豎向位移進行量測，并實時處理量測數(shù)據(jù)，若監(jiān)測的數(shù)據(jù)超過預(yù)警指標，必須馬上停止?jié)仓炷?，按?yīng)急預(yù)案處理。

4支撐體系施工保證措施

（1）支架拼裝之前必須使用水準儀將底座螺栓調(diào)至同一水平面上，否則會導致支架拼裝困難。

（2）支撐架（盤扣式鋼管支架）構(gòu)件質(zhì)量：嚴把材料關(guān)，構(gòu)件應(yīng)有出廠合格證及構(gòu)件強度試驗報告，進場材料進行外觀質(zhì)量及細部構(gòu)件檢查，不合格構(gòu)件禁止使用。

（3）架體與已澆筑的混凝土中柱每隔2.5 m設(shè)置抱柱措施，架體兩側(cè)采用鋼管腳手架+底托設(shè)置連墻件，鋼管腳手架與架體立桿采用扣件連接，頂托頂至已澆筑側(cè)墻或中隔墻上。

（4）架體下部設(shè)底托，可調(diào)底座調(diào)節(jié)絲桿外露長度不大于300 mm，最底層水平桿離地高度不大于550 mm；架體上部設(shè)頂托，頂托絲桿外露長度不大于400 mm，可調(diào)頂托伸出頂層水平桿長度不大于650 mm，且可調(diào)頂托插入立桿長度不小于150 mm。

（5）車站標準段為地下二層結(jié)構(gòu)，每層支架搭設(shè)步距相同，保證豎向軸心傳力，架體四周外立面向內(nèi)的第一跨每層設(shè)置豎向斜桿，架體整體底層及頂層均設(shè)置豎向斜桿，并在架體內(nèi)部每隔5跨由底至頂，縱橫向均設(shè)置豎向斜桿或普管剪刀撐，蓋板位置支架布設(shè)負一層只需布設(shè)立柱及后澆筑側(cè)墻操作架。

5結(jié)束語

本文針對地鐵車站大跨度無柱穹頂結(jié)構(gòu)的穹頂部分、穹頂和矩形結(jié)構(gòu)交接部分分別進行支架設(shè)計研究，并總結(jié)了車站穹頂結(jié)構(gòu)頂部的施工關(guān)鍵技術(shù)，本文的施工方法，可確保施工安全大幅度提高地鐵車站穹頂頂板結(jié)構(gòu)的施工工效、施工質(zhì)量，降低施工成本。

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［作者簡介］韓旭（1993—），男，博士，工程師，主要從事施工技術(shù)研究和管理工作。