站橋同位合建上蓋鋼箱梁“π”形支架門吊架設技術

趙 勝

(中鐵隧道集團北京中鐵隧建筑有限公司，北京 100022)

0 引言

隨著城鎮化發展戰略的實施，我國加快了城市交通設施的建設［1］。面臨繁華城區，由于道路兩側高樓鱗次櫛比，造成既有空間走廊極其狹窄現狀無法改變，基于“最小限度占用土地資源及建立無縫接駁立體交通體系”理念［2］，軌道交通、市政道橋同期同位合建方案，共用一個走廊，上下共線順行［3］，既能減少拆遷量、避免管線二次遷改，更能縮短總工期、節約總投資，為地下、地上空間結合開發提出了很好的解決途徑。

關于站橋合建工程實例國內外較多，主要為先橋后站和先站后橋2種形式，但站橋同期，尤其是高架箱梁橋與地鐵明挖站同期同位分離式合建工程［4］實屬罕見。合肥市南北高架一號線Ⅰ標的地鐵蕪湖路站與市政高架橋采用了同位合建方案，上蓋連續鋼箱梁通過墩柱直接置于地鐵站頂板之上，車站立柱將頂板荷載傳至柱下樁基，形成地鐵站、高架橋同位分離式組合體［5］。由于車站及其上蓋高架橋均為小半徑曲線，其鋼箱梁的架設利用了車站柱網、采用π形支架、配以高位門吊，其架設方案安全、快速、經濟，很好地解決了繁華城區既有道路有限空間內架設小半徑曲線鋼箱梁的施工難題。

1 工程概況

合肥南北高架一號線Ⅰ標包含南北高架Ⅰ標及軌道交通一號線兩明挖車站。為了減少軌道交通一號線全面開工對剛竣工并開放交通的馬鞍山路的再次影響，市政高架橋與地鐵明挖站采取同期同位合建方案，相鄰區間畔行于高架橋樁之間，盾構施工，站內過站。由于采取全路面封堵施工，合同明確工期僅為15個月，這對有限空間內上下立體交叉作業提出了高效、快速的施工要求，尤其是蕪湖路車站上蓋鋼箱梁為“S”形小半徑反向曲線，工期壓力更大。

1.1 周邊環境

蕪湖路車站位于馬鞍山路與蕪湖路十字交口南側。馬鞍山路為南北向主干道，現狀雙向4車道，規劃道路紅線寬60 m。蕪湖路為東西向次干道，現狀雙向4車道。周邊有在建萬達廣場、雨花公寓又一居、美菱集團宿舍。2條道路地處城市中心地帶，交通擁堵，周邊高層建筑眾多，車流量大。地下管線密集，錯綜復雜。

1.2 地質水文

在建場地地層自上而下劃分為人工堆積層(Qlm)、第四紀全新世沖洪積層(Qal+pl4)、第四紀晚更新世沖洪積層(Qal+pl3)、白堊紀基巖4個大層。

站址范圍實測到一層地下水，為弱承壓水(水頭埋深5.98～9.58 m，水頭標高4.44～8.40 m，含水層主要為粉土②2層與粉土③2層)。

1.3 設計概況

蕪湖路站主體為地下二層三跨結構，鉆孔間隔樁+內支撐支護，樁間設止水帷幕，明挖順作法施工。外皮長157.9 m，標準段結構寬22.1 m，高15.95 m，頂板覆土厚3.2～4.0 m。

上蓋橋梁上部結構為斜腹板單箱五室連續鋼箱梁。梁頂、底面全寬分別為23.00 m和13.75 m，兩側各懸臂3.29 m，鋼材材質Q345qD。曲線段梁2.28 m等高設置，頂、底板為空間扭轉結構。為了滿足抗傾覆要求，在梁端、中支點6 m范圍內設40 kN/m3配重混凝土。橋面為正交異性板結構，普通斷面頂板厚16 mm，支點斷面變厚為36 mm，頂板設U型加勁肋縱肋，底板設一字形加勁縱肋。

鋼筋混凝土橋墩為2根1.5 m×1.8 m矩形墩，墩頂設系梁。墩柱基礎除16#墩下接7.5 m×7.5 m×2.5 m鋼筋混凝土承臺+4×φ1.8 m鉆孔灌注樁基，其余均為二級擴大基礎，階高1.25 m，平面尺寸分別為7.5 m×3.8 m、9.5 m×5.8 m，直接浮放于地鐵站頂面，四周設置限位結構。

站橋同位分離式合建具體見圖1和圖2。

2 架設方案

由于蕪湖路站位于市政主干道交叉口附近，場地極其有限，采取設計圖紙明確的滿堂支架方案無法提供大型吊車站位，若采用橫向分次架設則會影響支架整體穩定性及曲線鋼箱梁安裝精度，且不能實現平行高效作業。

在車站主體柱網位置布設鋼管柱，上部設置型鋼橫梁，形成“π”形支架體系，通過剪刀撐連成整體，并設置安裝胎架，利用車站主體圍護樁冠梁原有軌道安設一個50 t高位門吊，鋼梁縱向分段，以考慮支架簡支承載，橫向分為7塊，中間5塊通過車站端頭橋梁翼緣板下方喂梁、門吊提升平移架設，輔以臨時匹配件及馬板承力架進行鋼箱梁分塊分段定位、臨時點焊，主梁橫向成形后進行焊接，實現了吊梁、架梁、焊梁平行流水施工(見圖3)。本聯主梁完成后，利用汽吊架設整聯兩側翼緣板。

圖3 “π”形支架門吊架設示意圖Fig.3 π-shaped support

“π”形支架聯合門吊架設方案具備以下特點:1)支架兼備承重及吊裝作用，按照“對應地鐵車站柱網搭設π形支架、門吊提升平移架設上蓋鋼梁;分段縱向單向、分塊由中及側”原則進行施工。2)克服了“S”形小半徑反向曲線反超高的空間扭曲結構曲線擬合難、安全風險大等困難。3)利用下臥地鐵車站柱網及樁頂冠梁，支架簡單可靠、門吊快速安全，形成吊梁、架梁、焊梁平行流水作業，安全、經濟、適用。4)與滿堂支架汽吊架設相比，更加簡單、精確且安全、快速。

3 支架體系安全性分析

“π”形支架體系由臨時支墩(鋼管柱)、橫梁、連接系、高度調節裝置(原位胎架)和小分配梁組成。

3.1 臨時支墩穩定性驗算

臨時支墩由φ 609 mm、t=16 mm的鋼管組成，材質為Q235A，其截面特性如下:I=πD4(1-α4)/64=3.14×604×(1-0.954)/64=117 946.2 cm4;α=d/D=570/600=0.95;A =πD2(1-α2)=3.14×602×(1-0.952)=1 102.14 cm2;i=(I/A)1/2=(117 946.2/1 102.14)1/2=10.345 cm。

臨時支墩的壓桿類型為兩端固定的壓桿，其u1=0.5l;λp=(π2E/σp)1/2=(3.142×206 ×103/200)1/2=100.77;λs=(a-σs)/b=(303-235)/1.12=60.7;λ =u1/i=1/2 ×679.5/10.345=32.8;λ ＜ λs，支墩為粗短桿，不會發生失穩。

3.2 橫梁強度驗算

橫梁由4×I45a雙拼組成，材質為Q235A。先根據縱向支架布置圖(見圖4)中所承受鋼梁重量，求出各支墩所承受荷載?？芍?，c處荷載最大，選用c處立柱進行安全性驗算。Fa=507×103N，Fb=1 140×103N;Fc=1 487×103N。由于支墩的距離很近，可近似看作均布載荷，即:q=Fc/l=1 487×103/13.671=108 770.39 N/m。

圖5為簡化c截面處布置圖，可分別得出c1、c22處支墩所承受的荷載。

由平衡方程得:Fc1=977 915.2 N，Fc2=509 301 N;

則橫梁Mmax=1 334 188.97 N·m;

I=4［I1+(h/2)2× A］=4×(56 100+22.52×157.4)=543 135 cm4;

Wx=I/h/2=543 135/45=12 069.67 cm3;

σmax=Mmax/Wx=1 334 188/12 069=110.5 MPa。

因為σmax＜［σ］=σs/1.5=235/2=117.5 MPa，所以橫梁的強度滿足現場要求。

3.3 臨時支墩強度驗算

臨時支墩的最大彎矩為:

Mmax= ql2/8+Mcl=108 770.39×5.52/8-108 770.39×5.52/19.413=241 798.3 N·m;

Wx2=πD3(1-α4)/32=3.14×603×(1-0.954)/32=3 931.54 cm3;

σmax=σ1+σ2=Mmax/Wx2+Fc1/A=241 798.3/3 931.54+977 915.2/1 102.14 ×10-2=70.37 MPa。

因為σmax＜［σ］=σs/2=235/1.5=117.5 MPa。

所以立柱的強度滿足現場要求。

從以上驗算可看出，“π”形支架方案滿足強度以及穩定性要求，是安全可行的。

4 架設流程

4.1 箱梁總體施工步序

施工準備—工廠箱梁加工成形—后場驗收—支解運至前場—門吊安裝—“π”形支架及施工棧道搭設—墩頂支座安設—箱梁主體架設、焊接—翼緣板架設焊接—焊接成橋—配重混凝土澆注—支座固定—拆除支架—橋面系施工。

4.2 “π”形支架門吊架設鋼箱梁施工步序

總原則為“先橫向后縱向，先主箱后翼緣”，即先由中間到兩側架設箱梁某一縱段主體橫向的中間5個節段，再沿橋長方向依次架設，由高位門吊完成所有箱梁主體后，由汽吊架設兩側翼緣板，每節段形成架梁、焊梁的平行作業［6］。

支架架設施工流程為:臨時支墩拼裝及主橫梁焊接—支架基礎位置放樣—膨脹螺栓固定鋼管柱—主橫梁安裝—連接系安裝—設置高度調節裝置—支架兩側設置施工棧道—現場原位拼裝箱梁形成。

1)分段方案。根據支架跨度，將整聯鋼箱梁縱向分為6段、橫向分為7塊，每塊重量小于門吊擔載，確保起吊工具工作能力及“π”形支架承載及每節段簡支承載。

2)橫向架設順序。先架設橫向中間段即H4梁端，再對稱架設兩邊的梁段。

①架設H4梁段，翼緣板下方喂梁，用50 t龍門吊提升平移架設，使H4節段中心線標記線對準現場總裝支架中心線就位(見圖6)。

圖6 架設H4梁段Fig.6 Installation of H4 girder

圖7 架設H3、H5梁段Fig.7 Installation of H3 girder and H5 girder

圖8 架設H2、H6梁段Fig.8 Installation of H2 girder and H6 girder

圖9 架設H1、H7梁段Fig.9 Installation of H1 girder and H7 girder

3)縱向架設順序?？v向架設順序定為Ⅱ—Ⅰ—Ⅲ—Ⅳ—Ⅴ—Ⅵ，即先架設第Ⅱ節段，再利用臨時匹配件和馬板架設第Ⅰ節段，最后依次架設第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ節段(見圖10)，縱向每節段架設完成后檢測標記是否對應再進行下段架設，下段定位好后再進行上節段焊接。

圖10 鋼箱梁縱向架設施工順序圖Fig.10 Installation procedure of steel box girder in longitudinal direction

4.3 操作要點

4.3.1 支架體系

1)臨時支墩安裝。①采用多節φ609，t=16 mm鋼管柱，用M22高強螺栓連接拼接而成。②在車站頂板上面正對立柱位置定位臨時支墩(臨近橋梁墩柱處設置在擴大基礎上)。③用汽車吊將拼接好的鋼管柱吊至安設位置，對應法蘭盤上螺栓孔打孔，用M22膨脹螺栓固定。

2)連接系安裝。采用I30b用交叉法將臨時支墩橫、縱向連接一體，必要時橫向兩側設斜撐穩固懸臂部分。

3)橫梁安裝。由4×I45a雙拼密貼焊接而成，與鋼管柱、斜撐之間焊接連接。安裝完成后在橫梁兩側設置施工棧道，確保行走方便。

4.3.2 鋼梁支座安裝

1)質量檢查。材質和精度符合要求，同時對外觀、組裝后輪廓尺寸復核。

2)支座安裝。把支座用錨固螺栓連接在墩柱頂上，將支座墊板置于支座上。

4.3.3 鋼箱梁拼裝

4.3.3.1 運輸

為了防止在運輸和吊裝過程中發生變形，在箱體內部裝焊臨時剛性支撐并設置防傾覆裝置。

4.3.3.2 定位與測量

1)縱向滑移?？紤]到日照導致梁段陰、陽面溫度不一致而產生變形，臨時支墩墊板采用50 mm鋼板+聚四氟乙烯板+20 mm鋼板組合，即臨時支墩可以補償縱向滑移以免架設立柱受到彎矩。

2)梁段定位。為保證安裝精度，首先在梁段上做出十字經緯線，然后用全站儀在臨時支墩上打出對應經緯線，架設時保證2經緯線重合。

4.3.3.3 梁段吊裝

1)吊具選擇。選擇適合鋼梁尺寸和重量的鋼絲繩，利用卸扣、吊鉤等工具，通過吊耳孔進行梁段吊裝。吊裝設備有50 t門吊、50 t汽車吊、30 t汽車吊。門吊橫跨車站主體結構，安設在兩側樁頂冠梁行走軌道上，汽車吊布設在兩側，配合吊裝。

2)吊點及吊耳。一般設置4個吊點，為了防止在吊裝過程中受力不均，吊點布置要考慮梁段重心進行設計、計算。吊耳采用40 mm厚鐵板制作，強度滿足最重梁段吊裝要求，內孔設成倒圓角，以免對鋼絲繩損壞，與梁段頂板坡口溶透焊接。

4.3.3.4 鋼箱梁焊接

1)焊接順序。下一節段拼裝線形檢驗合格后，把上一節段內隔板與頂、底板環焊縫補齊，再進行橫向節段縱向焊縫對接，然后進行縱向節段間環向焊縫焊接，最后焊接面、底板縱肋嵌補段，先焊縱肋嵌補段間對接焊縫，后焊縱肋與面、底板間組合焊縫。焊接時在施工區域設擋風屏、遮雨棚等，各跨及各節段之間縱向焊接順序與架設順序一致。

2)焊接方法。有埋弧自動焊、氣體保護焊，手工電弧焊3種。完成后對焊縫進行打磨以達到焊縫驗收標準。

4.3.3.5 配重混凝土

為確保梁體穩定，在梁端、中支點6 m范圍內配容重不小于40 kN/m3的重晶石混凝土，配重段滿足頂板檢測及維修要求。配重混凝土澆筑按照先中間后兩端順序緩慢均勻澆筑。

4.3.3.6 支架拆除

按先中間后兩邊順序，先拆除中間鋼管柱，使梁段重量落在墩柱上，再安全拆除兩邊鋼管柱。

5 鋼箱梁施工對車站結構影響分析

5.1 計算模型

針對蕪湖路車站，運用SAP2000有限元分析軟件，考慮結構上有通過臨時支墩傳遞的橋梁上部荷載，按照荷載-結構-彈性抗力模型進行內力計算，為強度檢驗提供依據?？紤]到臨時支墩荷載位置隨施工過程而變化，而且車站結構是典型的空間結構，建立了三維計算模型(圖11)，圖中箭頭為施工第一步加載位置。

圖11 結構計算模型Fig.11 Structural calculation model

5.2 施工階段荷載

根據縱向架設順序，每次鋼箱梁架設時臨時支墩上的荷載如表1所示。

車站主體結構所在土層主要為黏土，采取水土合算方法進行水土壓力計算，施工階段結構上的水土壓力、設備荷載圖示及數值如表2及圖12所示。

表1 各施工步臨時支墩荷載Table 1 Loads on temporary piles in different stages

表2 施工階段結構荷載Table 2 Loads on different structures in construction phase

圖12 施工階段荷載計算圖示Fig.12 Sketch of calculation of loads in construction phase

5.3 施工階段結構內力分析

將上部橋梁施工分為7個階段，分別計算每一階段的結構內力和結構變形，分析施工過程中的結構內力變化規律。

5.3.1 車站縱梁內力分析

頂、中、底縱梁在支座及跨中彎矩最大值變化如圖13所示。

據圖可知，車站上部橋梁施工對頂縱梁彎矩影響較大，其中頂縱梁在上部臨時支墩拆除后(工況Ⅶ)最大彎矩有較大增加，而中縱梁內力變化很小。底縱梁內力在前6個工況變化較小，其支座處彎矩在橋梁臨時支墩拆除后(工況Ⅶ)有較大增加，此時為其最不利工況。

由于各縱梁在支座及跨中的彎矩相對較大，其安全系數均受抗彎控制。根據各縱梁截面尺寸及其配筋，由公式 Mu= a1fcbx(h0-x/2)+f'yA's(h0-a's)(2a's≤x≤ξbh0)或Mu=fyAs(h0-a's)(x≤2a's)求得各縱梁在支座及跨中的彎矩極限承載力。

在最不利工況下，各縱梁在支座及跨中的抗彎安全系數如表3所示。

圖13 縱梁各工況彎矩變化Fig.13 Bending moments of top longitudinal beam，intermediate longitudinal beam and bottom longitudinal beam

表3 縱梁安全系數表Table 3 Safety coefficient of longitudinal beam

5.3.2 車站中柱內力分析

在上部橋梁各施工階段中，鋼管混凝土柱和普通混凝土柱的軸力分布及最大軸力的變化如圖14和圖15所示。

圖15顯示車站中柱內力的最大值隨著上部橋梁的施工整體呈上升趨勢。

圖14 車站中柱軸力分布示意圖Fig.14 Distribution of axial forces of station column

圖15 車站中柱軸力變化圖Fig.15 Variations of axial forces of station column

值得注意的是，鋼管混凝土柱和普通混凝土柱在施工過程中的荷載分攤變化規律的不同:由于施工中先有臨時支墩承受并傳遞上部橋梁結構荷載，在施工前2個階段，普通混凝土立柱內力大于鋼管混凝土立柱，鋼管混凝土立柱最大軸力從工況Ⅲ開始大于普通混凝土立柱。鋼管混凝土立柱軸力在橋梁臨時支墩拆除后(工況Ⅶ)達到最大值5 118.87 kN，而普通混凝土立柱最大軸力在上部箱梁結構全部架設完、臨時支撐拆除前(工況Ⅵ)達到極值4 334.73 kN。

根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》［7］和CECS 28—90《鋼管混凝土結構設計與施工規程》［8］，可求得各柱的極限受壓承載力，由此得到2種柱在最不利工況下的安全系數(見表4)。結果表明，2種柱均能較好地滿足安全要求。

表4 車站中柱安全系數表Table 4 Safety coefficient of station column

5.3.3 車站板殼結構內力分析

在本工程中不管是臨時支墩還是橋墩都是直接安放在車站頂板上，車站頂板受上部施工影響較大，通過計算，在上部橋梁各施工階段，各層站板的彎矩分布如圖16所示。

對各板內力進行分析，其各截面安全系數均受抗彎控制，得出各板在施工過程中支座、跨中最大彎矩變化如圖17所示。

由圖16和圖17可以看出，上部橋梁施工過程對車站頂板內力影響最大，工況Ⅶ時其內力達到最大。車站中板和底板最大彎矩變化幅度并不太大，其中底板最大彎矩在工況Ⅵ時達到最大，為其最不利工況。根據各層板受力特點，選擇各板受力最為不利截面，車站各層板安全系數如表5所示。

由表5可知，在車站上部橋梁施工階段，車站各層站板均能較好地滿足安全要求。而中板由于厚度小，且配筋少，其極限承載能力較小，中板支座處為結構危險截面。

表5 車站板安全系數表Table 5 Safety coefficient of the station plates

綜合以上分析，橋梁施工階段車站中縱梁支座處與中板結構在橋梁臨時支墩拆除后(工況Ⅶ)結構受力最不利，安全系數分別為3.28，1.58;普通混凝土立柱安全系數普遍較鋼管混凝土柱低，其在上部箱梁結構全部架設完、臨時支撐拆除前(工況Ⅵ)，安全系數達到最小值(4.05)。

采用“π”形支架，臨時支撐與下部車站柱網重合，車站結構各構件均能滿足安全性要求。

6 結論與討論

1)地鐵車站、市政高架同位合建方案，占地面積最小，對既有管線影響較小，以車站結構為基礎，不另設獨立樁基和承臺，高架橋不影響車站功能，高架橋為標準形式，對景觀不產生影響。實現了高架橋、市政道路、地鐵車站三者和諧統一。

2)“π”形支架由于臨時支撐與下部車站柱網重合，車站結構各構件均能滿足安全性要求。其聯合高位門吊架設鋼箱梁能夠克服場地極其狹小的困難，尤其能夠保證小半徑反向曲線鋼梁空間扭曲結構的高精度擬合及安全性。

3)由于站橋同位分離式合建，上蓋鋼箱梁直接“浮放”于下臥地鐵車站頂板之上，雖頂板設有限位裝置，但橋梁橫向偏載影響較大。另外，車站結構和高架橋基礎作為整體結構考慮，結構受力復雜，地鐵車站的相對沉降及不均勻沉降會對橋梁產生不利影響。

目前，我國諸多城市大建設跨步向前，站橋同位合建理念及一次性快速施工原則具有很好的創新性和推廣價值，其技術和經驗可為今后全國城市規劃與建設提供借鑒參考。

［1］ 王夢恕.我國城市交通的發展方向［J］.鐵道工程學報，2003(1):43-47.(WANG Mengshu.Development orientation of urban transit in China［J］.Railway Engineering Society，2003(1):43-47.(in Chinese))

［2］ 王珊，楊潔如，王進.綜合交通樞紐地下空間開發利用探究［J］.華中建筑，2011(11):9-11.(WANG Shan，YANG Jieru，WANG Jin.Research on exploitation and utilization of transit hub’s underground space［J］.Huazhong Architecture，2011(11):9-11.(in Chinese))

［3］ 王力勇，楊兆仁.地鐵隧道下穿高架橋施工控制技術［J］.市政技術，2010(4):101-103，135.(WANG Liyong，YANG Zhaoren.Construction control technology of subway tunneling for underpass viacuct［J］.Municipal Engineering Technology，2010(4):101-103，135.(in Chinese))

［4］ 邸國恩.地鐵車站與建筑地下室基坑工程整體支護設計［J］.地下空間與工程學報，2009(5):1637-1642.(DI Guoen.Deep excavation support structure design for Metro station and building basement［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009(5):1637-1642.(in Chinese))

［5］ 梅展軍;高架橋與地鐵車站結合的車站建筑設計［J］.山西建筑，2010(29):81-88.(MEI Zhanjun.On station building design with viaduct and subway station［J］.Shanxi Architecture，2010(29):81-88.(in Chinese))

［6］ 高從軍，陳淑民，史蘭明，等.鋼-混凝土組合高架橋綜合施工技術［J］.建筑技術，2008(4):270-273.(GAO Congjun，CHEN Shumin，SHI Lanming，et al.Comprehensive construction technology for steel-concrete composite fly-over crossing in Beijing southern railway station project［J］.Building Technology，2008(4):270-273.(in Chinese))

［7］ GB 50010—2010混凝土結構設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2011:39-41.

［8］ 哈爾濱建筑工程學院.CECS 28—1990鋼管混凝土結構設計與施工規程［S］.北京:中國工程建設標準化協會，1991:16.

［9］ 劉蘇明，石達強.“站橋合一、先橋后站”蓋挖地鐵車站關鍵施工方案的比選與優化［J］.隧道建設，2011，31(6):743-748.(LIU Suming，SHI Daqiang.Optimization of construction schemes of“Station-bridge-combined”Metro station constructed by cover-and-cut method［J］.Tunnel Construction，2011，31(6):743-748.(in Chinese))

［10］ 李輝.地鐵深基坑鳳鳴朝陽邊匝道橋保護分析［J］.現代城市軌道交通，2011(S1):103-105.

［11］ 張成滿.地鐵鄰近橋梁施工既有橋梁現狀評估和控制標準研究［D］.四川:西南交通大學土木工程學院，2006.(ZHANG Chengman.Study on the status evaluation and control standards of the existed bridge adjacent to subway construction site［D］.Civil Engineering School of Southwest Jiaotong University，2006.(in Chinese))