明挖車站大跨度無柱弧形頂板模架體系設(shè)計(jì)及施工技術(shù)

王同超，趙亮

（1.上海申鐵投資有限公司，上海 200032；2.北京城建軌道交通建設(shè)工程有限公司，北京 100088）

1 引言

為了提高地下空間的利用率，提升乘客的乘車體驗(yàn)，大跨度無柱車站結(jié)構(gòu)正在被越來越多地應(yīng)用。 在眾多的無柱車站設(shè)計(jì)方案中，大跨度弧形頂板車站，以其通透的空間結(jié)構(gòu)成為未來車站設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方向。 在眾多的無柱車站設(shè)計(jì)方案中，大跨度弧形頂板車站，以其通透的空間結(jié)構(gòu)成為未來車站設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方向。 弧形結(jié)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工操作難度大，很難采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行施工[1-3]。

本文以鄭州機(jī)場至許昌市域鐵路工程（鄭州段）港區(qū)北站大跨度無柱弧形頂板為研究對象， 設(shè)計(jì)出一種新型模板支架體系，并進(jìn)行現(xiàn)場施工，總結(jié)出一套有效、可行的施工方法。

2 工程概述

鄭州機(jī)場至許昌市域鐵路工程（鄭州段）港區(qū)北站位于巢湖路與長安路交叉口，車站為明挖地下兩層島式車站。 主體結(jié)構(gòu)外包長度為320.10 m，結(jié)構(gòu)凈跨18.3 m，地板埋深20.86 m，車站覆土厚度為3.53 m。

為營造出開闊通透的乘車環(huán)境， 車站站廳層公共區(qū)（5～16軸）共100 m 長度結(jié)構(gòu)采用無柱弧形頂板設(shè)計(jì)，此部位結(jié)構(gòu)凈跨18.3 m，拱高9.0 m，矢高5.05 m。頂板斷面為拱形漸變式，拱頂弧形為變徑結(jié)構(gòu)，兩側(cè)拱腳部位半徑為3.5 m，厚度3.2 m，中間部位弧形半徑為14.5 m，厚度1 m。 圖1 為港區(qū)北站結(jié)構(gòu)斷面圖。

圖1 港區(qū)北站結(jié)構(gòu)斷面圖

3 頂板模板支撐體系設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)明挖車站多為平頂直墻結(jié)構(gòu)， 模架支撐體系難以擬合弧形斷面，無法借鑒。 弧形頂板多見于暗挖隧道與暗挖法車站，多采用模板臺(tái)車或鋼拱架配合鋼模板進(jìn)行施工。 但模板臺(tái)車造價(jià)昂貴、自重較大，如應(yīng)用到本車站中，板將難以承受臺(tái)車荷載且耗費(fèi)大量資金，因此不宜采用[4]。

鋼拱架配合鋼模板方法較適用于本站， 此方法不僅能夠擬合弧形結(jié)構(gòu)，且自重較小、便于安裝。 但明挖車站跨度遠(yuǎn)大于暗挖結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮以下問題：

1）斷面跨度較大，鋼拱架自重勢必增加，如何解決鋼拱架安裝問題；

2）面板若全部采用鋼模板，造價(jià)較高、施工煩瑣，如何進(jìn)行優(yōu)化；

3）滿堂支架搭設(shè)體量大、標(biāo)高變化多，如何優(yōu)化以便于支架搭設(shè)。

針對上述問題，結(jié)合實(shí)際情況，制定如下解決措施。

1）鋼拱架采用拼裝形式，設(shè)置多個(gè)連接點(diǎn)，降低每段鋼拱架自重，便于人工安裝。

2）本工程頂板兩側(cè)小半徑弧形段受力較大且難以擬合，采用鋼模板優(yōu)勢明顯；中間大半徑弧形段受力相對較小，采用木模板能滿足受力，且可“以直代曲”擬合弧形截面；故此計(jì)劃采用鋼木混合結(jié)構(gòu)，對節(jié)約成本亦有一定優(yōu)勢。

3）鋼架采用桁架形式，在底部設(shè)置水平桿件，可以極大限度地減少標(biāo)高變化，便于現(xiàn)場滿堂支架搭設(shè)。

綜上，最終研究決定借鑒暗挖施工工藝，采用盤扣式滿堂支架做下部支撐， 上部采用拼裝型桁架拱配合鋼木混合面板的模架支撐體系。

3.2 模板支撐設(shè)計(jì)

支撐體系所用到的盤扣式腳手架均為重型（Z 形）盤扣腳手架[5]，立桿為60.3 mm，壁厚3.2 mm，附加水平桿、縱向連接桿直徑為48mm，壁厚3.2mm 扣件鋼管。立桿橫向間距900mm，縱向間距600 mm，步距1 500 mm，根據(jù)設(shè)計(jì)模數(shù)配置相應(yīng)的豎向及水平向斜桿。 模板配置采用鋼木結(jié)合體系，兩端小半徑拱腳部位采用定制鋼模板，中間大半徑部分采用膠合板。 底部主龍骨采用I12.6 工字鋼與方鋼管構(gòu)成的可拼裝桁架龍骨。模板支撐體系橫、縱面圖見圖2 和圖3。

圖2 頂板模架體系橫斷面圖

圖3 頂板模架體系縱斷面圖

兩側(cè)定制鋼模板，寬度為600 mm，長度為1 200 mm，模板高度為115 mm，鋼板厚度為4 mm，鋼模板采用扣件連接構(gòu)成整體。木模板面板采用15 mm 厚膠合板，次龍骨采用100 mm×100 mm 方木，間距250 mm。 拼裝桁架拱共分為14 塊進(jìn)行現(xiàn)場拼裝，采用?20 mm 螺栓連接。

4 模架體系受力驗(yàn)算

4.1 面板及次龍骨受力驗(yàn)算

按照J(rèn)GJ/T 231—2021《建筑施工承插型盤扣式鋼管腳手架安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[6]相關(guān)要求，模架體系受力驗(yàn)算，分別需要對面板、次龍骨、主龍骨及支架進(jìn)行受力分析。 計(jì)算時(shí)面板、次龍骨可簡化為平面模型進(jìn)行計(jì)算。 計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 面板及次龍骨受力驗(yàn)算

4.2 拼裝桁架拱受力驗(yàn)算

型鋼拼裝桁架拱受力較為復(fù)雜， 采用SAP2000 軟件進(jìn)行二維計(jì)算分析，計(jì)算時(shí)鋼模板位置受力取值q1=40 kN/m；木模板位置受力取值q2=30 kN/m； 取值差異更能貼合現(xiàn)場受力實(shí)際情況，模型如圖4 所示。

圖4 受力計(jì)算模型

在荷載作用下，型鋼拱架最大彎矩M=8 747.29，如圖5 所示；最大剪力V=24.5 kN，如圖6 所示；最大變形值，如圖7所示。

圖5 彎矩受力計(jì)算圖

圖6 剪力計(jì)算圖

圖7 變形結(jié)果圖

按上述計(jì)算結(jié)果，計(jì)算桁架拱受力，結(jié)果見表2。

表2 拼裝桁架拱受力驗(yàn)算

4.3 滿堂支架受力驗(yàn)算

滿堂支架上部支座反力最大值F=86.32 kN，反力計(jì)算見圖8。

圖8 支座反力計(jì)算圖

按此反力復(fù)核支架長細(xì)比、穩(wěn)定性，結(jié)果見表3。

表3 滿堂支架受力驗(yàn)算

綜上，經(jīng)過核算，支撐體系各部件受力均能滿足要求，能夠滿足現(xiàn)場使用，但在施工時(shí)還應(yīng)注意各部件連接的質(zhì)量。

5 模架體系及混凝土施工

5.1 模架體系施工

模架體系施工順序[7]：模架基底清理→支架體系搭設(shè)→調(diào)整頂托標(biāo)高→吊裝型鋼主龍骨→拼裝組合鋼模板→拼裝木模板。

滿堂支架按照常設(shè)計(jì)的標(biāo)高、 間距等參數(shù)以常規(guī)手法搭設(shè)即可，加強(qiáng)過程驗(yàn)收，確保架體滿足設(shè)計(jì)要求即可，本文重點(diǎn)描述上部拼裝桁架拱的搭設(shè)。

型鋼拼裝桁架拱采用定制加工而成， 共分為14 個(gè)弧形段，每個(gè)弧形段之間采用M20 螺栓連接。 由于型鋼桁架左右對稱，可分為7 段標(biāo)準(zhǔn)桁架（HJ-1～HJ-7）進(jìn)行拼裝，各標(biāo)準(zhǔn)段桁架采用I12.6 工字鋼+方鋼管焊接而成，最大質(zhì)量為132 kg，見圖9 和圖10。

圖9 型鋼桁架拼裝圖

圖10 型鋼桁架構(gòu)成圖

拼裝時(shí)， 一個(gè)斷面可分為3 個(gè)部分即HJ-1～HJ-2、HJ-3～HJ-5、HJ-6～HJ-7，在地面預(yù)先拼裝完成，之后通過吊車吊裝到支架頂托上固定后再進(jìn)行剩余部分連接。 為保證桁架龍骨的穩(wěn)定性，沿車站縱向設(shè)置扣件鋼管[8]，將每一部分桁架拉結(jié)成一個(gè)整體， 同時(shí)為了提高桁架龍骨抵抗水平方向側(cè)壓力的能力，沿車站橫向設(shè)置通長水平扣件鋼管，豎向間距50 cm。圖11 為現(xiàn)場拼裝照片效果圖。

圖11 現(xiàn)場拼裝照片

上部拱架拼裝完成后，進(jìn)行鋼、木模板拼裝，由于采用鋼木混合結(jié)構(gòu)， 在拼縫位置材料剛度變化會(huì)引起沉降、 錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象。 為此，在鋼模板與木模板交界處密排三榀方木進(jìn)行過渡。模板拼裝時(shí)注意在拼縫之間放置止?jié){條。

5.2 混凝土澆筑施工

模架驗(yàn)收完成后[9]，進(jìn)行混凝土澆筑。 由于混凝土澆筑順序直接影響模架結(jié)構(gòu)體系的受力，本站混凝土澆筑時(shí)采用兩臺(tái)泵車同時(shí)自兩側(cè)開始澆筑，控制混凝土的坍落度在160～180 mm，每次澆筑厚度不超過50 cm，保證每層振搗密實(shí)。 為防止弧面混凝土滑落，在兩側(cè)拱腳位置設(shè)置扣模，并控制混凝土澆筑速度，在本層混凝土臨近初凝時(shí)再澆筑下層混凝土，最終在拱頂位置進(jìn)行收面處理。

5.3 施工監(jiān)測

混凝土施工過程中的監(jiān)測項(xiàng)目主要包括： 模架體系的水平收斂、 沉降。 根據(jù)需要本站弧形段每倉各設(shè)置3 個(gè)監(jiān)測斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面布置2 個(gè)水平位移觀測點(diǎn)、3 個(gè)沉降觀測點(diǎn)。監(jiān)測控制值：水平位移值與垂直沉降值分別為10 mm、8 mm，預(yù)警值各取70%。

監(jiān)測頻率：鋼筋安裝過程中每隔2 h 觀測一次；澆筑混凝土過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測[10]。

6 結(jié)語

港區(qū)北站主體結(jié)構(gòu)弧形頂板段分5 倉澆筑完成， 根據(jù)現(xiàn)場施工監(jiān)測情況，最大水平位移值為6.8 mm，最大沉降預(yù)警值為4.9 mm， 符合方案要求。 現(xiàn)場未發(fā)生跑模及大面積漏漿現(xiàn)象。 模架體系穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。 拆模后混凝土表面光滑平整，澆筑質(zhì)量較好。 本工程共定制加工兩倉型鋼桁架龍骨共72 榀，組合鋼模板476 塊。施工簡單易于拼裝拆卸，成本較低，安全可靠，具有一定的推廣價(jià)值。