地鐵車站無柱弧形頂結(jié)構(gòu)研究

海江

（中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司，北京 100124）

0 引言

城市軌道交通建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，對(duì)地鐵車站建設(shè)的美觀性、舒適性提出了更高要求。地鐵車站無柱弧形頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以為地鐵車站綜合利用提供更大的空間與舒適性[1]，緩和地鐵車站地下空間的壓迫感。也能夠展示出與之相符的藝術(shù)表達(dá)形式，優(yōu)化設(shè)置車站房建、管線和設(shè)備。

1 工程概況

機(jī)車廠站位于蜀龍路路側(cè)綠化帶范圍內(nèi)，采用明挖順筑法施工，總長750 m，地下建筑為二層，車站主體結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面采用雙柱三跨箱型框架結(jié)構(gòu)（局部單柱雙跨，公共區(qū)無柱弧形頂）。車站主體結(jié)構(gòu)公共區(qū)域采用無柱弧形頂，頂板覆土厚度約為3.0 m，底板埋深23.50 m。該區(qū)域?qū)挾葹?4.3～32.1 m，底板厚度為1 800 mm，中板厚度為800 mm，弧形頂板厚度為1 000 mm，側(cè)墻厚度為1 300 mm。

2 模板支架設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100 y，安全等級(jí)是一級(jí)，車站主體結(jié)構(gòu)按抗震設(shè)防烈度為7 度，地震分組設(shè)計(jì)是第三組，抗震設(shè)防類別是重要設(shè)防類（乙類），抗震等級(jí)是二級(jí)[2]。主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫控制等級(jí)是三級(jí)，最大裂縫寬度迎水面控制在0.2 mm以內(nèi)，背水面控制在0.3 mm 以內(nèi)。

2.2 抗浮設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場詳細(xì)勘察報(bào)告，該車站抗浮水位埋深按2.0 m 計(jì)，車站結(jié)構(gòu)頂板覆土為3.0～5.4 m。

根據(jù)詳勘資料，抗浮水位標(biāo)高取為506.000 m?？垢∮?jì)算時(shí)[3]，按照上部荷載最小的工況進(jìn)行，經(jīng)計(jì)算本站標(biāo)準(zhǔn)段僅依靠上部覆土及結(jié)構(gòu)自重抗浮安全系數(shù)為1.01，需采用圍護(hù)樁和抗拔樁作為抗浮措施，設(shè)置抗拔樁后抗浮安全系數(shù)為1.20，滿足抗浮要求。

抗拔樁約6～20 m 位于中等風(fēng)化泥巖層，通過計(jì)算單根抗拔樁抗拔極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為5 154 KN。基樁的抗拔承載力特征值要經(jīng)過施工現(xiàn)場單樁靜載試驗(yàn)確定。單樁靜載荷試驗(yàn)要求及抗拔承載力特質(zhì)值取值等按JGJ106—2014《建筑基樁監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》確定。

2.3 頂板、中板模板支架設(shè)計(jì)

（1）面板設(shè)計(jì)：頂板、中板模板使用15 mm 厚覆膜竹膠板。

（2）主次楞設(shè)計(jì)：公共區(qū)域弧形頂板主楞使用16#工字鋼拱架，中板主楞使用12.6#工字鋼，間距均為900 mm，次楞均使用100 mm×100 mm 方木，間距250 mm。

（3）支架設(shè)計(jì)：支架體系立桿采用60 桿件，壁厚為3.2 mm，材質(zhì)為Q345A 鋼材，水平桿采用48桿件，壁厚為2.5 mm，材質(zhì)為Q235B 鋼材，斜拉桿采用48 桿件，壁厚為2.5 m，材質(zhì)為Q195 鋼材。公共區(qū)域頂板距中板的距離為5.35～8.85 m。支架立桿使用3.0 m+2.0 m+1.0 m 的組合。腳手架搭設(shè)時(shí)接頭錯(cuò)開1～2 模，錯(cuò)開率為50%，模數(shù)為0.5 m，支架立桿間距900 mm×1 200 mm，水平桿步距均為1 500 mm。中板距底板高度7.69 m，支架立桿選用3.0 m+2.0 m+1.5 m+1.0 m 的組合，立桿間距900 mm×1 200 mm，水平桿步距1 500 mm。掃地桿離地不大于550 mm。立桿上部安裝U 型可調(diào)頂托支撐主楞，底部使用可調(diào)底座。

2.4 模板支架工程施工的特點(diǎn)及難點(diǎn)

（1）模板支架工程施工的特點(diǎn)：①支架系統(tǒng)為框架結(jié)構(gòu)邊墻、中板和頂板施工模板支架體系，無挑檐；②車站邊墻負(fù)一層、負(fù)二層高差變化較大，負(fù)一層與負(fù)二層墻高不一致，在設(shè)計(jì)許可范圍內(nèi)通過調(diào)整施工縫位置滿足模板通用。公共區(qū)域弧形頂拱架需提前訂做，安裝時(shí)采用8.8 級(jí)M18×50 螺栓進(jìn)行連接。

（2）模板支架工程施工的難點(diǎn)：①交叉作業(yè)多，同時(shí)存在防水找平層、防水、鋼筋綁扎、模板支設(shè)、混凝土澆筑等立體交叉作業(yè)；②側(cè)墻體較厚，一次性支模高度達(dá)6～9 m。為保證砼防水質(zhì)量及外觀效果，均采用單側(cè)鋼模，一次澆筑混凝土至板底以下300 mm 處標(biāo)高（該位置需設(shè)置施工縫）很難施工；③施工過程中，受水平支架的影響大，需合理布置模板施工順序保證水平支架的穩(wěn)定性[4]。

3 弧形頂板計(jì)算

3.1 新澆混凝土對(duì)模板側(cè)向壓力計(jì)算

混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力隨著澆筑高度的升高而變大，當(dāng)澆筑混凝土的高度到達(dá)某個(gè)位置時(shí)，側(cè)壓力就會(huì)保持不變，該位置的側(cè)壓力就是混凝土側(cè)壓力的最大值，該位置的澆筑高度就是混凝土的有效壓頭。在JGJ 74—2003《建筑工程大模板技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定，新澆混凝土對(duì)模板側(cè)向壓力按式（1）計(jì)算：

式中：Pmax—新施工混凝土對(duì)模板產(chǎn)生的最大側(cè)壓力（kN/m2）；γ—選取26.5 kN/m3作為混凝土的重力密度；t0—新施工混凝土初凝時(shí)間（h）；V—澆筑混凝土速率；H—混凝土的側(cè)壓力開始計(jì)算部位點(diǎn)到新施工筑混凝土頂部面上的總距離(m)；K1—添加外加劑修正系數(shù)，取值為1.2；K2—塌落度系數(shù)，取值為1.15。

取小值作為設(shè)計(jì)計(jì)算的依據(jù)，即Pmax=65.72 kN/m2。

則有效壓頭高度h=Pmax/γ=65.72÷26.5=2.48 m。

3.2 荷載組合計(jì)算

傾倒混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載Ps=4 kN/m2。

采用MIDAS 分析，其中所有拱架受力方向與大小均一致，故取其中的三榀拱架進(jìn)行建模計(jì)算，本次計(jì)算分析中，僅對(duì)鋼拱架受力進(jìn)行強(qiáng)度與剛度的驗(yàn)算。

荷載組合見表1，拱架規(guī)格見表2。

表1 荷載組合

表2 拱架規(guī)格

3.3 拱架計(jì)算

在荷載組合1 作用下產(chǎn)生的應(yīng)力見圖1。在荷載組合2 作用下?lián)隙热鐟?yīng)力圖2。經(jīng)計(jì)算δmax=53.8 MPa<[δ]=215 MPa，可得該支撐強(qiáng)度滿足施工要求。經(jīng)計(jì)算f=1 mm，可得剛度滿足施工要求。通過驗(yàn)算，該無柱弧形頂結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范與地鐵車站施工要求。

圖1 荷載組合1 作用下產(chǎn)生的應(yīng)力

圖2 荷載組合2 作用下產(chǎn)生的應(yīng)力

4 弧形頂板澆筑措施

（1）澆筑弧形頂板時(shí)選用商品混凝土，使用汽車泵運(yùn)送混凝土，弧形頂板混凝土坍落度范圍控制在120～130 mm。剪力墻梁混凝土坍落度范圍控制在140～160 mm。

（2）弧形頂板混凝土第一步先澆筑墻梁，然后再對(duì)弧形屋面梁板進(jìn)行澆筑。采用從下而上對(duì)稱方式澆筑弧形頂板混凝土，同時(shí)還要分段采用人工振搗方式澆筑，分段長度以施工操作方便為準(zhǔn)，下段混凝土初凝前要確保上段混凝土澆筑完畢。

（3）采用人工插搗方式從坡底向上開始振搗弧形屋面混凝土，第一步先插搗梁混凝土然后再開始板面插搗。選用人工振搗混凝土，一定要分層振搗密實(shí)，進(jìn)行上層振搗時(shí)一定要插入下層混凝土5 cm 左右，并且要在下層混凝土初凝前實(shí)行，防止出現(xiàn)漏振、過振現(xiàn)象。

（4）頂板混凝土澆筑階段要控制好混凝土澆筑的厚度，控制標(biāo)高點(diǎn)設(shè)置在板周圍，選用四角對(duì)線地方法控制板厚。

（5）混凝土澆筑階段要有專人旁站，澆筑混凝土施工之前要對(duì)梁、柱與弧形頂板等支撐系統(tǒng)展開檢查，保證支撐與加固穩(wěn)固結(jié)實(shí)，且在澆筑混凝土施工階段跟蹤觀測其模板與支撐系統(tǒng)的下沉、變形和松動(dòng)等情況，對(duì)支撐與牢固情況及時(shí)進(jìn)行檢查與加固。

5 結(jié)語

在地鐵車站建設(shè)發(fā)展中，逐步展現(xiàn)出大空間、大跨度趨勢，文章結(jié)合成都軌道交通17 號(hào)線二期某地鐵無柱車站工程實(shí)例，通過計(jì)算分析結(jié)合工程實(shí)踐證明，無柱弧形頂結(jié)構(gòu)形式不僅能改善無柱車站頂、底板的結(jié)構(gòu)受力，還能提升地鐵車站整體建設(shè)規(guī)劃效果，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)先進(jìn)性與舒適性的完美融合。