地下車站拱形頂板結構優化及不規則拱座施工技術研究

鮑 逸

上海市房屋安全監察所 上海 200002

從20世紀90年代開始，上海就大力發展軌道交通以緩解日益擁擠的交通。隨著時代的進步，現有低矮、扁平的地下車站逐漸無法滿足乘客的感官舒適性以及車站附加功能的需求。拱形結構不僅受力合理，而且外形美觀，能夠在視覺上放大空間效果，在結構工程中被廣泛應用[1]。但是，傳統拱形結構多采用滿堂排架支模、整體現澆的施工工藝，該工藝存在高排架搭設時間長、危險系數高等缺陷，已無法滿足上海地區交通繁忙地區島式地下車站的施工周期要求。預制拼裝結構不僅能很好地解決施工周期的問題，還能顯著提高結構表面的美觀程度。結合拱形結構的受力特點以及預制拼裝施工工藝的優點，針對上海地區某地下車站的無柱大跨結構設計出了“預制＋現澆”疊合拱形頂板的全新結構（圖1）。

圖1 “預制＋現澆”疊合拱形頂板結構

預制拼裝工藝在工程實踐中多用于形狀規則的結構施工，對不規則平面形狀的地鐵車站而言，需對拱形頂板結構進行分塊調整。為保證預制部分頂板構件的形狀統一，在本文中利用兩端挑出的現澆拱座段來調整截面跨度。

現澆不規則拱座以及預埋件的定位施工精度是發揮圓拱頂板結構的受力優勢以及預制標準化構件現場拼裝工藝施工精度與效率的先決條件。本文以不規則拱座的結構優化與施工為研究對象，探討拱座的結構優化、模型擬合、測量、支模、澆筑、養護等施工工藝。

1 不規則拱形車站頂板結構及拱座斷面的優化設計

該地下車站拱形頂板部分全長91 m，由于上部管線原因造成拱形頂板南北高差近1 m，跨度更是南大北小，且呈不對稱非線性變化，屬于不規則平面形狀的地下車站，其平面結構如圖2所示。為了實現在不規則平面形狀的拱形結構中使用預制化拼裝技術，需要對原車站建筑設計進行優化，并重新設定預制拱板及現澆拱座的分界面。

圖2 車站平面示意

為了適應車站一端跨度大一端跨度小的不規則平面形狀，在建筑設計中首先提出斜切圓柱面形成的空間拱形結構作為車站的頂板結構，實現了車站南高北低、南大北小以及東西不對稱的結構特點，如圖3所示。

圖3 斜切圓柱面形成的空間拱形結構

當圓柱面的軸線為直線時，由于車站東西兩側跨度變化不對稱，從而造成了拱腳處相貫線最高點處東西側的標高差距達到50 cm，造成車站斷面的整體跨向結構受力不穩定。為縮小東西側相貫線的高差，在設計圓柱面時，使用弧線軸線代替常見的直線軸線進行了調整，如圖4所示。

圖4 弧形圓柱面軸線示意

當采用弧形圓柱面軸線時，利用弧形軸線的空間變化使得拱腳處的相貫線高差縮小到了厘米級。

2 不規則曲面拱座的翻樣及測量定位技術

2.1 不規則曲面拱座的模型擬合

鑒于該車站不規則的空間結構，施工前結合設計圖紙利用計算機三維軟件對車站站廳層結構外形進行了三維整體建模。然后根據預制構件的運輸及吊裝條件，將長91 m的拱形頂板區域用31個圓弧形陣列的平面進行了精確分割，拱座部分也隨之被分割為長3 m的單元，如圖5所示。

圖5 車站拱頂區單元分割

為了方便現場支模，采用“以折代曲”的施工方法，將不規則拱座擬合成了連續的折線形平直面。從模型的坐標系中提取每個斷面中6個頂點以及拱座承壓面上預埋件的中心坐標數據，如圖6所示。

圖6 各斷面拱座頂點及預埋件編號

現場施工前，只需提前將模型坐標轉換到現場測量的坐標系中就可進行測量放樣，不僅顯著提高了不規則拱座的施工精度，也保證了下階段預制構件現場的拼裝效率。

2.2 不規則曲面拱座的現場測量工藝

以3 m為單元長度，為現澆拱座角點P1（An）、P2（An＋1）、P3（Bn）、P4（Bn＋1）以及預埋鋼板中心點P5（G或I）、P6（H或J）進行三維空間坐標放樣定位，如圖7所示。

圖7 拱座端面控制點

采用徠卡TS60超高精度智能全站儀分別架設在基坑東、西兩側，逐一將全站儀可視范圍內的拱座角點和預埋中心點進行三維坐標放樣。全站儀可在基坑邊上任意選取位置架站，只需便于通視即可，然后經過全站儀自身的后方交會程序，采用正倒鏡測量加密控制點進行設站，從而恢復任意架站的全站儀坐標系，同一套坐標系也運用于后續拱頂拼裝工藝，保證了施工精度。

TS60全站儀通過后方交會設站成功后，根據拱座角點和預埋鋼板中心點的設計坐標，對各個截面上的設計點逐一進行三維坐標放樣，每1站預計平均可以放樣5個點，如圖8所示。

圖8 全站儀放樣示意

放樣時，使用的目標棱鏡是徠卡小棱鏡，選擇要放樣的點號，TS60自動轉向照準目標方向，并且有紅色激光指示出待放樣點位置，將徠卡小棱鏡放置在待放樣點位置附近，根據全站儀測距后顯示的偏差值（dx、dy、dz），移動迷你棱鏡至設計值準確位置，然后在模板上或者預埋鋼板中心，使用記號筆或者鋼釘進行位置標記。

每一個點位定位放樣成功時，需要進行三維坐標采集，以便提交與設計坐標的偏差數據值。當放樣值與設計值偏差較大時，需要將模板調整后，重新定位放樣。

2.3 不規則截面拱座的現場施工工藝

2.3.1 鋼筋工程

利用部分拱座箍筋作為定位鋼筋。在3 m范圍內，地下連續墻剝露出的主筋上間隔1 050、900和1 050 mm處焊接L形鋼筋及定位箍筋。定位箍筋以底模外邊線（用全站儀定位）為基準，控制其精度。據此定位其他拱座鋼筋（包括接駁器、止水鋼板），避讓拱座預埋件的錨筋等。

拱座側模的定位：每3 m設置1根定位鋼管，通過拱座下搭設的排架固定位置。在此定位鋼筋處垂直吊1根定位鋼筋，用來確定箍筋的初始位置。

為了配合拱座與預制頂板現澆部分施工縫的防水措施，將拱座端面鋼筋的保護層增大至50 mm，用于放置現澆拱座與后澆拱頂間的止水鋼板。按設計要求，保證地下墻內的接駁器與拱座鋼筋的連接率達到100%，且拱座鋼筋錨入內襯墻的長度不得小于600 mm。

2.3.2 拱座的支模工藝

不規則拱座端面上設計有預埋件，預埋件與預制拱板上的埋件需要一一對應且互相平行，以保證后期預制拱板的拼裝精度。因此，混凝土模板的安裝精度尤為重要。

支模時統一使用1 830 mm×915 mm×15 mm的木模板。側墻模板主楞采用50 mm×100 mm@250 mm方木。墻模板施工時，局部層高較高部位（超過2 m）可設下料串筒。梁底模板主楞采用100 mm×100 mm@200 mm方木。拱座底模板次楞采用50 mm×100 mm@200 mm方木，主楞采用φ48 mm×3.0 mm雙排鋼管@600 mm。拱座底模與端模交線及端模的上邊線，采用全站儀精確定位。拱座側模板次楞采用50 mm×100 mm@250 mm方木，主楞采用φ48 mm×3.0 mm@600 mm鋼管。先在側模板上開400 mm×400 mm的洞，再支模板，安裝250 mm×250 mm×20 mm的預埋鋼板（緊貼側模板），調整預埋鋼板位置符合規范后，電焊固定預埋鋼板。拱座側模板用2根φ14 mm止水對拉螺桿與地下連續墻主筋焊接加固，止水對拉螺桿縱向間距600 mm。拱座模板結構如圖9所示。

圖9 拱座模板結構

2.3.3 不規則拱座的澆筑養護工藝

不規則截面拱座與下部內襯墻采用一次性澆筑以保證結構整體性。本次澆筑采用預拌混凝土，利用混凝土汽車泵進行澆筑，根據內襯墻與拱座的結構，選用了直徑為25 mm的振搗器由下至上進行分層振搗。為保證施工進度并控制施工裂縫，整個長91 m的施工段共劃分為4個部分，采用了跳倉澆筑的方法，單段澆筑長度為20～25 m?；炷撂涠瓤刂圃?60 mm±20 mm內。

該段拱座的施工時間在12月至次年1月，上海地區接連出現了多日5 ℃以下的低溫天氣。為保證已澆筑好的混凝土在規定齡期內達到設計要求的強度，并防止產生收縮裂縫，混凝土澆筑好后立即用塑料薄膜覆蓋保溫。本次拱座混凝土養護過程中，還充分利用車站拱座南高北低的結構特點，在北端設置了養護用水收集循環再利用裝置，從細節處踐行了綠色施工的理念。

3 結語

該車站目前已成功建成并投入使用，不規則拱座部分現場施工精度最終成功控制在毫米級，挑戰了現澆鋼筋混凝土結構的精度極限，為后續在十幾天內完成60片預制拱頂構件的順利拼裝奠定了扎實的基礎，實現了拱形結構和裝配式結構的完美結合，是富水軟土地質條件下大跨度地下結構建設的成功嘗試。