地下綜合體中半懸掛地下車道設計與施工技術

艾鵬鵬 耿大新 關渭南 譚 成 陳 航

(1.中鐵四局集團第五工程有限公司 江西九江 332000；2.華東交通大學土木建筑學院 江西南昌 330013)

1 引言

為了解決城市交通壓力，我國大力發展城市軌道交通系統，逐步把城市交通向地下轉移。隨著地下工程不斷建設，地鐵線網越來越密集，新建線必然會遇到與既有道路并行的現象，因此建立立體化綜合交通樞紐是城市發展需求[1－3]。對于先期建設的道路工程、車站預留后續線路敷設條件是地鐵規劃、設計必不可少的內容。傳統地下行車隧道的支撐方式主要依靠板柱支撐方式，但城市地下空間開發通常由于既有線路或構筑物的影響具有空間限制[4－6]，因此在地下綜合樞紐中傳統地下行車道結構難以滿足需要。

半懸掛地下車道結構指行車道一側與墻體進行澆筑連接，另一側通過預應力側墻連接車道底板與上部頂板的一種下部無支撐半懸掛式地下行車道結構。因其釋放下部空間，增大凈空、施工便捷等優點被應用于地下綜合體行車道的施工，因此對于半懸掛行車道構造除了要在蓋挖逆作的特定環境下可以操作之外，還必須保證后續工序能夠實施，同時保證結構的動力性能[7－9]。本文依托深圳黃木崗地下綜合交通樞紐工程，開展蓋挖逆作半懸掛地下行車道研究，對半懸掛車道結構進行動力分析，同時參考相關地下結構施工經驗[10－12]，對半懸掛車道設計及施工工藝進行優化，以確保施工質量。

2 工程概況

2.1 項目簡介

黃木崗綜合交通樞紐坐落于筍崗西路、泥崗西路、華富路、華強北路五叉路口，為既有7號線、新建14號線以及規劃24號線三線換乘樞紐。14號線沿華富路和泥崗西路地下敷設，為地下三層疊側車站，與既有7號線同臺換乘；規劃24號線沿筍崗西路地下敷設，為地下四層車站，與7、14號線形成節點換乘。黃木崗綜合交通樞紐總平面如圖1所示。

圖1 黃木崗綜合交通樞紐平面位置示意

2.2 地下行車隧道

軌道交通24號線部分包括地下四層車站結構與地下行車隧道，采用蓋挖逆作法施工。由于地鐵限界的限制，柱外懸挑板跨度過大，24號線區域行車隧道無法采用板柱體系支撐。為釋放下部空間，增大凈空的有效利用，行車道采用下部無支撐的半懸掛車道結構。24號線綜合樞紐橫斷面如圖2所示。

圖2 24號線地下車站橫斷面

3 半懸掛車道施工特點

(1)施工組織困難:半懸掛車道位于地下綜合體地下一層，由于整體結構采用蓋挖逆作法施工，同時由于地下綜合體結構復雜，施工作業面多，施工交叉與地下施工困難導致整體施工組織難度增加。

(2)車道承載方式:通過預應力側墻連接頂板與底板，配置足夠的承載力，克服了傳統行車道依靠基礎或者地基承載的方式。

(3)預應力側墻構造:半懸掛行車道預應力側墻內部波紋管、錨索等均可以工廠預制、現場組裝，可滿足模塊化、快速化建設要求。

4 半懸掛車道設計及數值分析

4.1 半懸掛車道結構布置

半懸掛地下行車道頂板、車道板、側墻均采用C30混凝土澆筑。其中頂板為型鋼混凝土結構，厚度為1.8 m，車道板厚0.9 m，左側側墻厚度為1 m。預應力側墻采用C40混凝土澆筑，厚度為0.5 m，車道整體寬度為14 m。懸掛車道布置及相關尺寸如圖3所示。

圖3 半懸掛車道(單位:mm)

4.2 半懸掛車道結構數值分析

半懸掛車道結構由于車輛荷載的波動性，會產生結構動態響應，因此需分析車輛動荷載作用對半懸掛車道結構的影響。采用有限元建立三維模型如圖4所示，模型尺寸為:X×Y×Z＝140×195×70 m，地下行車道縱向為Y軸方向，長度為200 m，頂板、地下一層至地下四層、側墻、行車道均采用板單元模擬。地鐵車站各層板及側墻均采用C35混凝土，預應力側墻采用C40混凝土，V柱采用 C60混凝土。

圖4 三維模型

對模型施加車輛動荷載，采用移動的集中力荷載對車輛荷載進行模擬，軸載大小選用?公路瀝青路面設計規范?(JTG D50—2017)規定的 BZZ-100雙輪單軸載。由于模型中半懸掛車道接近200 m距離，同時為節約計算資源并考慮車輛動載動力響應范圍，當列車以60 km/h通過模型半懸掛車道時，取車輛軸載運行時間為12 s，即動載分析步總時長為12 s，積分步時長 Δt＝0.02 s。

根據數值分析結果，對半懸掛車道跨中位置在機動車荷載作用下動力響應進行分析，包括半懸掛車道變形、車道加速度響應。取半懸掛車道板上6個特征點進行分析，對應車輛軸載運行時間為6 s時刻。各特征點動力分析時程曲線如圖5所示。

圖5 半懸掛車道特征點動力時程曲線

由圖5a可知，在車輛軸載作用下，半懸掛車道豎向位移隨之波動，當車輛軸載移動至車道跨中即車輛運行至6 s時刻，懸掛車道跨中各特征點豎向沉降均達到峰值，隨著軸載遠離豎向沉降逐漸減小。A3、B3點豎向變形最大值均為0.7 mm左右，A2、B2豎向變形最大值約為0.2 mm，而A1、B1產生的最大變形為0.1 mm。在車輛動荷載作用下半懸掛車道豎向沉降變形數值小于允許值，滿足要求。A3、B3點與其他特征點相比沉降數值較大，說明車輛動荷載作用下靠近側墻區域豎向變形波動最大，因此懸掛車道有必要對側墻施加預應力以減小豎向變形波動。由圖5b可知，當車輛動荷載作用下，半懸掛車道縱向變形趨勢與豎向變形類似，當車輛軸載移動至車道跨中，各特征點縱向變形波動最大，A2、B2縱向變形波動最大為0.02 mm左右，A1、B1、A3、B3波動較小且整體趨近于0。可以看出，車輛動荷載作用下半懸掛車道變形以豎向變形為主。由圖5c可知，動荷載作用下懸掛車道各特征點豎向加速度在0.5 s及6 s時均有明顯的峰值，0.5 s時刻由于車輛荷載初施加因而產生動力影響；當軸載接近車道跨中斷面，靠近側墻的A3、B3點產生加速度最大峰值，達到 20 mm/s2，而 A1、B1、A2、B2加速度響應較小，為10 mm/s2左右；6 s時刻后，當車輛軸載遠離車道跨中后，各特征點加速度振動響應快速降低并趨近于0。

綜上，地下半懸掛行車道結構在車輛動荷載作用下無明顯變形或位移，構件強度滿足設計要求，表明該技術方案可行、可靠。

5 施工工藝

(1)頂板澆筑施工

蓋挖逆作法在施工頂板期間，利用基坑外導線點及水準點直接作為測量基準點進行軸網及高程測量。頂板采用C35纖維混凝土分層對稱澆筑，在頂板右側側墻區預留預應力管道?70@500，以便后續施工與車道板預應力管道相對應，如圖6a所示。粘結預應力孔道的材料為鍍鋅波紋管，壁厚不小于0.3 mm。

(2)車道底板施工

矮支架支撐搭設完成后對車道板進行澆筑施工。軌道交通24號線車道板兩側寬度均為14.79 m，車道板外側均設置預應力吊墻，寬度為0.5 m，沿頂板至車道板布置，預應力布置間距為0.5 m。在吊墻區按設計要求預留預應力管道與頂板預留孔道對應。車道底板澆筑及車道預留波紋管如圖6所示。

圖6 半懸掛車道板預應力孔道布置

(3)懸掛車道側墻施工

根據黃木崗主體結構工程特點，蓋挖段側墻使用三角支架模板系統。三角桁架模板支架體系分為三角鋼架支撐和塑料模板系統，如圖7所示。側墻內部設置主筋為C32@150 mm，向側墻內彎錨；內側主筋為C28@150 mm，向側墻內彎錨；水平筋為C32@150 mm，側墻主筋均穿過板；拉筋為 ?12圓鋼，非加密區間距30×30 cm，梅花形布置，加密區間距15×15 cm。

圖7 半懸掛車道側墻施工

(4)預應力側墻鋼筋布置

車道板、頂板及側墻施工完后對懸掛車道預應力側墻進行施工。吊墻內主筋為?32@100 mm，向吊墻內彎錨；水平筋為C28@200 mm，吊墻主筋均穿過板；拉筋為?12@400 mm，按隔一拉一設置。吊墻內型鋼與頂板型鋼主梁相交位置，梁底部鋼筋與鋼筋連接板焊接，雙面焊接5 d預應力側墻鋼筋，布置如圖8所示。

圖8 半懸掛車道預應力側墻鋼筋布置(單位:mm)

吊墻內鋼筋采用鋼筋接駁器連接，相鄰縱向鋼筋連接接頭應相互錯開，在同一截面內鋼筋接頭面積百分率不大于50%。預應力吊墻內部預留波紋管采用連接管連接，連接管兩端設置密封膠帶。預應力吊墻混凝土強度為C40，混凝土施工縫處對先澆混凝土進行鑿毛處理。

(5)預應力側墻張拉及封錨施工

側墻內預應力采用直徑15.2 mm、極限強度標準值為1 860 MPa的低松弛預應力鋼絞線。沿車道方向間隔0.5 m布置，預應力張拉控制應力為1 395 MPa，每根預應力筋張拉控制力為195 kN。當預應力側墻混凝土達到設計強度的80%之后，方可進行張拉。預應力鋼束張拉端與預應力鋼束固定端錨具分別采用QM15系列夾片式錨具和擠壓錨，其靜載錨固性能須經過檢驗。預應力錨索張拉完成后做好封端工作，封錨混凝土標號為C50。張拉完畢后及時壓漿，水泥漿強度不低于M50。

6 結論

以深圳黃木崗地下綜合交通樞紐工程為背景，對地下綜合體半懸掛車道結構進行數值模擬分析，同時結合施工現場實踐，介紹了半懸掛地下車道的設計要點、施工工藝與質量控制措施，結論如下:

(1)在車輛動荷載作用下，半懸掛車道豎向變形、縱向變形以及加速度振動響應均在允許范圍內，構件強度滿足設計要求，從理論上驗證了半懸掛車道結構的安全性。

(2)施工頂板和車道板時，在頂板和車道板預應力側墻區域預留預應力孔道并一一對應，確保預應力側墻內錨索安裝精度。

(3)預應力側墻內鋼筋采用鋼筋接駁器連接，相鄰縱向鋼筋連接接頭應相互錯開，在同一截面內鋼筋接頭面積百分率不宜大于50%。同時對側墻接縫處混凝土實行二次振搗，盡可能排出混凝土中的氣體，增加密實性，確保預應力側墻強度與質量。

(4)預應力側墻張拉完成后及時做好封端和壓漿，水泥漿強度不低于M50，確保預應力側墻張拉質量與效果。