地鐵車站軌頂風道與盾構掘進同步施工技術

龔 杰 徐林有

中建三局基礎設施工程有限公司 湖北 武漢 430064

1 背景

隨著我國經濟建設的高速發展和城市化進程的不斷加快，地面可利用空間越來越少，城市道路越來越擁擠，發展城市地鐵成為當今城市發展的必然要求。地鐵施工過程中，車站結構施工和盾構施工不可避免的存在相互影響。

軌頂風道，即列車頂排風道，是地鐵車站通風系統中重要的內部結構構件，懸掛于車站中板和結構側墻的交界位置。由于其所處位置的特殊性，一般不與車站主體同時澆筑。盾構施工需要配套運輸列車編組來進行砂漿、管片的補給和土方的外運，在隧道長度較長的盾構區間，往往需要2列列車編組才能滿足盾構掘進進度的要求。列車編組一般長逾50 m，運行于車站底板上，正好位于軌頂風道設計位置的下方，影響軌頂風道施工。

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個車站，與遠期的軌交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，標準段寬22.3 m，車站標準段基坑深約18.1 m，端頭井段基坑深19.2 m，寬31.3 m，共設4個出入口、2組風亭（圖1）。本車站為兩端始發車站，西端為后百區間，東端為百新區間，區間長度1 503 m，盾構施工階段有8個列車編組在車站底板運行。

圖1 百步亭花園路站平面位置示意

軌頂風道設置在線路正上方，位于③～?軸，南北兩側風道均長177 m，自東向西坡度為0.2%，距底板面4.94 m。軌頂風道凈空高1.25 m，凈寬2.95 m，風道底板厚150mm，外側（靠近車站結構側墻）側墻厚150mm，內側側墻厚250mm，采用C35混凝土（圖2）。

圖2 軌頂風道與主體結構關系

3 車站軌頂風道傳統施工方法

傳統的技術方案一般有2種：方案一是在隧道貫通后再搭設滿堂腳手架施工軌頂風道；方案二是盾構采用單列編組施工，再用腳手架搭設一個帶有門洞的滿堂腳手架進行施工。方案一的優點是盾構和軌頂風道施工互不干擾，施工方便，缺點是工期太長，盾構施工工期一般為4～6個月，在盾構貫通后，軌頂風道需要1～2個月才能施工完成并拆除架體，即需要5～8個月才能進行車站內軌道鋪設和風水電安裝。方案二的優點是盾構和軌頂風道可同時施工，該方法由于碗扣式滿堂腳手架門洞一般只能設置到2 m左右，故僅能滿足一列編組通行，大大降低了盾構施工效率，盾構工期將達到6～8個月，若要滿足雙列編組通行，門洞凈寬需達到4 m，經計算，需要在門洞上方設置18#以上的大型號工字鋼橫梁，但車站中板下起重設備使用不便，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險[1-3]。

為解決上述問題，結合本工程特點，計算設計了一種與盾構同步施工軌頂風道的施工裝置。

4 軌頂風道施工裝置設計

4.1 軌頂風道施工裝置設計結構

設計采用一種裝配式門式架跨越盾構軌行區，門式架連接形成施工平臺。根據盾構列車編組運行需要，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（內部設置2道加勁板），間距2.2 m。連接梁采用雙拼12#槽鋼（內部設置2道加勁板），間距0.9 m（圖3、圖4）。

圖3 裝配式門式架結構示意（正面）

圖4 裝配式門式架結構示意（側面）

4.2 軌頂風道施工裝置設計計算

荷載計算按照最不利荷載工況，門式架以上有碗扣支架、軌頂風道荷載，并考慮人、機荷載，混凝土傾倒、振搗荷載。

經計算，軌頂風道鋼筋混凝土荷載為59.4 kN，碗扣支架荷載為0.2 kN，人群及機具設備荷載為18.4 kN，混凝土澆筑和振搗產生荷載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，由應力等值曲線（圖5）可知，上橫梁最大應力位于梁跨中處，為71.7 MPa＜215 MPa，滿足要求；立柱最大應力位于懸挑斜撐處，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 軌頂風道施工裝置的運行

軌頂風道施工裝置包括支撐桁架系統、行走驅動系統、安全防護系統。支撐桁架系統由型鋼制作成的橫梁、立柱、面板采用高強螺栓拼裝而成。行走驅動系統包括行車輪、軌道、支座和電機，為裝置拼裝、轉場提供動力。

安全防護系統是在所述施工裝置頂部四周設置網片式定型圍欄防護系統，保證操作人員的安全。

本裝置是一種裝配式門式桁架，跨越兩列盾構運輸列車，在其上方提供一施工平臺，進行軌頂風道施工，所述裝置可在地面拼裝好后吊裝下放至盾構端頭井，再由該裝置驅動系統運行至施工區域。

行車輪安裝在行走梁下方，采用LD300的φ300mm鑄鋼輪，每節裝置配置4個行車輪。軌道采用80#槽鋼，倒扣于結構底板上，以膨脹螺栓固定。支座采用300mm×300mm×300mm木方，在軌頂風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。電機固定于行走梁外側，每節裝置配置2個1.5 kW的電機。

安全防護系統布置于該裝置頂部四周，由定型網片和基座組成，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設置螺栓孔，孔徑14mm，定型網片寬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系統，保證施工安全。

5 施工工藝

5.1 施工步驟

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

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

圖7 軌頂風道施工裝置安裝

圖8 軌頂風道施工裝置吊裝下井

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

4）待軌頂風道工程全部完成后，即可拆除定型網片，將裝置解體為單節，運行至盾構井口，整體吊出。

5.2 施工情況

實際施工過程中，因為減少了反復搭設和拆除滿堂腳手架支架的工序，所以保證了盾構雙線雙編組的正常施工，且軌頂風道施工質量良好（圖10）。

圖9 軌頂風道施工步驟示意

圖10 軌頂風道施工過程及成品情況

6 結語

本工程軌頂風道與盾構掘進同步施工技術的運用，克服了盾構施工對軌頂風道施工的影響，可以在確保安全和質量的前提下，保證軌頂風道和盾構掘進的同步施工。風水電及裝修單位提前4個月進場，并節約施工成本約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。