軌道交通地下車站上蓋鋼結構施工方案的優化與應用*

郁政華

1. 同濟大學土木工程學院 上海 200092；2. 上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

1 工程概況

軌交車站上蓋是指利用軌道交通地下站的交通便利性，直接在其上方加蓋商業商務、會展業、酒店、住宅等，從而方便乘客和吸引顧客，并帶動商業圈的發展和提升。這種模式在國外已相當成熟，如日本的新京都車站，其用于車站的面積僅占總面積的1/20，這種軌道車站上蓋物業、商業綜合體不僅成為該區域的經濟中心，同時還是重要的政治、文化中心，國內亦有成功的案例。

軌交車站上蓋項目不同建設階段，施工難易和施工成本不同，其中在已正常運營并形成一定商業規模的軌交站點上方加蓋鋼結構，施工難度最大。本文以中國博覽會會展綜合體項目為背景，重點介紹了此類項目的多方案優化應用[1,2]。

中國博覽會會展綜合體項目（北塊）位于上海市西部，北至崧澤高架路南側紅線，南至盈港東路北側紅線，西至諸光路東側紅線，東至淶港路西側紅線，已運營的軌交2號線由東向西貫穿整個施工區域。項目總用地面積8.56×105m2，地上建筑面積1.47×106m2，地下建筑面積2.00×105m2。

E1商業中心正下方為軌交2號線徐涇東站車站區間和盾構區間，東側跨越盾構區間，最大跨度達83 m，西側跨越車站區間，最大跨度達117 m。E1商業中心與軌交區間的相對關系如圖1、圖2所示。

圖1 E1商業中心與軌交2號線的相對位置

圖2 E1商業中心與軌交區間平面關系示意

E1商業中心為鋼框架-支撐筒結構體系。結構內徑109 m，外徑166 m。結構地下1層，地上8層，屋蓋最高達43 m。鋼結構總質量約27 300 t。

2 軌交車站上蓋技術特點

由于徐涇東站已運營，軌交車站上蓋項目涉及到鄰近軌交的樁基施工、基坑開挖、車站出入口改造、上蓋鋼結構施工。項目開工前需做軌交設施安全性評估，施工方案設計須經過軌交運營方審查，項目施工須進行全過程第三方檢測。軌交運營方要求：軌交區間內施工荷載不得大于20 kN/m2；加強軌交線路沉降監測，施工期間的累計沉降值小于10 mm。

E1商業中心鋼結構規模體量大、跨度大，軌交車站區間、盾構區間對施工荷載非常敏感，故鋼結構方案設計時，應重點分析結構施工對軌交車站、盾構區間的影響，在確保軌交在施工期間安全運營的前提下，綜合考慮鋼結構在施工過程中的應力、應變及施工工效、成本等。

3 軌交車站上蓋多方案設計

針對E1的結構特點和難點，設計了4種鋼結構施工方案，分別為：懸拼法、剛性支撐高空散裝法、恒力支撐施工法、彈性支撐施工法[3]。

3.1 懸拼法

E1大跨度空間鋼結構采用懸拼法施工。首先完成非轉換區鋼結構的施工；然后利用已完成的非轉換區框架鋼結構的自身剛度，從兩邊往中間懸拼2～6樓轉換區鋼結構；再利用合攏的6層以下轉換區結構自下而上安裝上部鋼結構。施工示意見圖3。

圖3 懸拼法施工示意

3.2 剛性支撐高空散裝法

全剛性支撐高空散裝法，通過設置豎向剛性支撐，自下而上散裝轉換區鋼結構。剛性支撐荷載通過大面積路基箱或鋼梁予以擴散，控制在設計要求的荷載值之內。首先完成非轉換區鋼結構的施工；然后利用剛性支撐系統從兩邊往中間節間綜合安裝轉換區2～6樓鋼結構；再利用合攏的6層以下轉換區結構自下而上安裝上部鋼結構；最后分階段卸載剛性支撐，完成結構自施工狀態至設計狀態的轉換。施工示意見圖4。

3.3 恒力支撐施工法

圖4 剛性支撐高空散裝法施工示意

恒力支撐是一種利用液壓千斤頂控制支撐軸力的支撐形式。恒力支撐施工法，通過設置豎向恒力支撐，自下而上散裝轉換區鋼結構，恒力支撐荷載通過路基箱或鋼梁予以擴散，控制在設計要求的荷載值之內。首先完成非轉換區鋼結構的施工；然后利用恒力支撐系統從兩邊往中間節間綜合安裝轉換區2～6樓鋼結構；再利用合攏的6層以下轉換區結構自下而上安裝上部鋼結構；最后通過伺服控制系統分階段卸載恒力支撐，完成結構自施工狀態至設計狀態的轉換。施工示意見圖5。

圖5 恒力支撐施工法施工示意

3.4 彈性支撐施工法

彈性支撐是一種利用彈性支座實現支撐軸力控制的支撐形式。彈性支座如圖6所示。在彈性支座內設置有m個碟形彈簧，共n組，通過對碟形彈簧進行預壓的方法對彈性支座施加預緊力。彈性支座原理如圖7所示。以1 000 kN的預緊力彈性支座為例，當彈性支撐軸力≤1 000 kN時，其支座剛度近似無窮大，支座位移值為0 mm；當彈性支撐軸力＞1 000 kN時，其支座隨彈簧變形而發生位移，支撐軸力緩慢增大。

圖6 彈性支座示意

圖7 彈性支座原理示意

通過設置豎向彈性支撐，自下而上散裝轉換區鋼結構，彈性支撐荷載通過路基箱或鋼梁予以擴散，控制在設計要求的荷載值之內。首先完成非轉換區鋼結構的施工；然后利用彈性支撐系統從兩邊往中間節間綜合安裝轉換區2～6樓鋼結構；再利用合攏的6層以下轉換區結構自下而上安裝上部鋼結構；最后分階段卸載彈性支撐，完成結構自施工狀態至設計狀態的轉換。施工示意見圖8。

圖8 彈性支撐施工法施工示意

4 軌交地下站上蓋多方案設計優化應用

通過Midas有限元分析軟件建立E1鋼結構整體模型，定義邊界條件及荷載。針對多方案各施工工況進行全過程施工模擬分析，并進行數據分析比較，最終確定最優施工方案。限于篇幅，略過施工模擬分析過程，以數表表述多方案結構變形值、應力值、支撐軸力的對比分析。

4種施工方法最終狀態結構變形匯總比對如表1所示。

表1 不同施工方法下結構變形值（卸載完成后）

通過表格數值比對，我們不難發現，采用懸拼法施工的結構各項變形均遠超設計值，結構變形難以控制；采用剛性支撐、恒力支撐、彈性支撐的施工方法均能有效控制結構變形，變形值均接近于原設計值。

4種施工方法最終狀態結構應力匯總比對如表2所示。

表2 不同施工方法下結構應力值（卸載完成后）

通過表格數值比對，我們不難發現，采用懸拼法施工的結構應力、應力比均遠超設計值；采用剛性支撐、恒力支撐和彈性支撐的施工方法均能有效控制結構應力、應力比，各值均接近于原設計值。

針對各類支撐在結構合攏時的軸力比較，綜合分析各類支撐施工方法的優劣。結構合攏時，剛性支撐軸力、恒力支撐軸力、彈性支撐軸力如表3所示。

表3 支撐軸力值匯總（結構合攏時，單位：kN）

通過表格數值比較，結構在合攏狀態下，采用剛性支撐施工時，支撐軸力最大達2 584 kN，無法滿足軌交區間對軸力的控制要求；采用恒力支撐施工時，支撐軸力始終控制在1 200 kN、800 kN，滿足軌交區間對軸力的控制要求；采用彈性支撐施工時，支撐最大軸力為1 415 kN，滿足軌交區間對軸力的控制要求。在后續的卸載過程中，剛性支撐軸力局部會急劇遞增，對軌交的安全保護極為不利；恒力支撐能做到同步卸載，支撐軸力可控；彈性支撐軸力會緩慢遞增，軸力仍在可控范圍內。

綜上所述，恒力支撐施工法、彈性支撐施工法均能滿足E1商業中心大跨度鋼結構施工的要求。在現場可操作性上，彈性支撐施工法更優[4,5]。

5 結語

通過有限元分析軟件對E1大跨度鋼結構進行建模分析，研究了4種不同施工方案在各個施工階段的結構應力、應變及對應支撐形式的軸力值。通過方案比對，最終確定了適用于軌交區間上方加蓋大跨度鋼結構的施工方案。

恒力支撐法、彈性支撐法都不失為一種好的施工方案，結合現場實際，彈性支撐法具有更強的可實施性。E1商業中心軌交地下站上蓋鋼結構主要采用了彈性支撐施工法進行安裝，彈性支撐實現了轉化區4層以下結構合攏前的結構精度控制和軸力控制，結構施工至8層，支撐軸力值仍滿足設計要求。通過結構變形監測及軌交區間變形監測可知，彈性支撐在實際施工中取得了良好的效果，結構卸載完成后，最大變形值為-94 mm＜l/1 000，軌交區間在結構施工階段累計沉降值小于10 mm，滿足設計要求。