地下綜合體中半懸掛地下車道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

艾鵬鵬 耿大新 關(guān)渭南 譚 成 陳 航

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

1 引言

為了解決城市交通壓力，我國(guó)大力發(fā)展城市軌道交通系統(tǒng)，逐步把城市交通向地下轉(zhuǎn)移。隨著地下工程不斷建設(shè)，地鐵線網(wǎng)越來越密集，新建線必然會(huì)遇到與既有道路并行的現(xiàn)象，因此建立立體化綜合交通樞紐是城市發(fā)展需求[1－3]。對(duì)于先期建設(shè)的道路工程、車站預(yù)留后續(xù)線路敷設(shè)條件是地鐵規(guī)劃、設(shè)計(jì)必不可少的內(nèi)容。傳統(tǒng)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(fā)通常由于既有線路或構(gòu)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(tǒng)地下行車道結(jié)構(gòu)難以滿足需要。

半懸掛地下車道結(jié)構(gòu)指行車道一側(cè)與墻體進(jìn)行澆筑連接，另一側(cè)通過預(yù)應(yīng)力側(cè)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(jié)構(gòu)。因其釋放下部空間，增大凈空、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于地下綜合體行車道的施工，因此對(duì)于半懸掛行車道構(gòu)造除了要在蓋挖逆作的特定環(huán)境下可以操作之外，還必須保證后續(xù)工序能夠?qū)嵤瑫r(shí)保證結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(duì)半懸掛車道結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析，同時(shí)參考相關(guān)地下結(jié)構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)[10－12]，對(duì)半懸掛車道設(shè)計(jì)及施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，以確保施工質(zhì)量。

2 工程概況

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)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(qiáng)北路五叉路口，為既有7號(hào)線、新建14號(hào)線以及規(guī)劃24號(hào)線三線換乘樞紐。14號(hào)線沿華富路和泥崗西路地下敷設(shè)，為地下三層疊側(cè)車站，與既有7號(hào)線同臺(tái)換乘；規(guī)劃24號(hào)線沿筍崗西路地下敷設(shè)，為地下四層車站，與7、14號(hào)線形成節(jié)點(diǎn)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(hào)線部分包括地下四層車站結(jié)構(gòu)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(hào)線區(qū)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(jié)構(gòu)。24號(hào)線綜合樞紐橫斷面如圖2所示。

圖2 24號(hào)線地下車站橫斷面

3 半懸掛車道施工特點(diǎn)

(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(jié)構(gòu)采用蓋挖逆作法施工，同時(shí)由于地下綜合體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工作業(yè)面多，施工交叉與地下施工困難導(dǎo)致整體施工組織難度增加。

(2)車道承載方式:通過預(yù)應(yīng)力側(cè)墻連接頂板與底板，配置足夠的承載力，克服了傳統(tǒng)行車道依靠基礎(chǔ)或者地基承載的方式。

(3)預(yù)應(yīng)力側(cè)墻構(gòu)造:半懸掛行車道預(yù)應(yīng)力側(cè)墻內(nèi)部波紋管、錨索等均可以工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)組裝，可滿足模塊化、快速化建設(shè)要求。

4 半懸掛車道設(shè)計(jì)及數(shù)值分析

4.1 半懸掛車道結(jié)構(gòu)布置

半懸掛地下行車道頂板、車道板、側(cè)墻均采用C30混凝土澆筑。其中頂板為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，厚度為1.8 m，車道板厚0.9 m，左側(cè)側(cè)墻厚度為1 m。預(yù)應(yīng)力側(cè)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(guān)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(jié)構(gòu)數(shù)值分析

半懸掛車道結(jié)構(gòu)由于車輛荷載的波動(dòng)性，會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此需分析車輛動(dòng)荷載作用對(duì)半懸掛車道結(jié)構(gòu)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?yàn)閅軸方向，長(zhǎng)度為200 m，頂板、地下一層至地下四層、側(cè)墻、行車道均采用板單元模擬。地鐵車站各層板及側(cè)墻均采用C35混凝土，預(yù)應(yīng)力側(cè)墻采用C40混凝土，V柱采用 C60混凝土。

圖4 三維模型

對(duì)模型施加車輛動(dòng)荷載，采用移動(dòng)的集中力荷載對(duì)車輛荷載進(jìn)行模擬，軸載大小選用?公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范?(JTG D50—2017)規(guī)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(shí)為節(jié)約計(jì)算資源并考慮車輛動(dòng)載動(dòng)力響應(yīng)范圍，當(dāng)列車以60 km/h通過模型半懸掛車道時(shí)，取車輛軸載運(yùn)行時(shí)間為12 s，即動(dòng)載分析步總時(shí)長(zhǎng)為12 s，積分步時(shí)長(zhǎng) Δt＝0.02 s。

根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，對(duì)半懸掛車道跨中位置在機(jī)動(dòng)車荷載作用下動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，包括半懸掛車道變形、車道加速度響應(yīng)。取半懸掛車道板上6個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)車輛軸載運(yùn)行時(shí)間為6 s時(shí)刻。各特征點(diǎn)動(dòng)力分析時(shí)程曲線如圖5所示。

圖5 半懸掛車道特征點(diǎn)動(dòng)力時(shí)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(dòng)，當(dāng)車輛軸載移動(dòng)至車道跨中即車輛運(yùn)行至6 s時(shí)刻，懸掛車道跨中各特征點(diǎn)豎向沉降均達(dá)到峰值，隨著軸載遠(yuǎn)離豎向沉降逐漸減小。A3、B3點(diǎn)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(chǎn)生的最大變形為0.1 mm。在車輛動(dòng)荷載作用下半懸掛車道豎向沉降變形數(shù)值小于允許值，滿足要求。A3、B3點(diǎn)與其他特征點(diǎn)相比沉降數(shù)值較大，說明車輛動(dòng)荷載作用下靠近側(cè)墻區(qū)域豎向變形波動(dòng)最大，因此懸掛車道有必要對(duì)側(cè)墻施加預(yù)應(yīng)力以減小豎向變形波動(dòng)。由圖5b可知，當(dāng)車輛動(dòng)荷載作用下，半懸掛車道縱向變形趨勢(shì)與豎向變形類似，當(dāng)車輛軸載移動(dòng)至車道跨中，各特征點(diǎn)縱向變形波動(dòng)最大，A2、B2縱向變形波動(dòng)最大為0.02 mm左右，A1、B1、A3、B3波動(dòng)較小且整體趨近于0。可以看出，車輛動(dòng)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(dòng)荷載作用下懸掛車道各特征點(diǎn)豎向加速度在0.5 s及6 s時(shí)均有明顯的峰值，0.5 s時(shí)刻由于車輛荷載初施加因而產(chǎn)生動(dòng)力影響；當(dāng)軸載接近車道跨中斷面，靠近側(cè)墻的A3、B3點(diǎn)產(chǎn)生加速度最大峰值，達(dá)到 20 mm/s2，而 A1、B1、A2、B2加速度響應(yīng)較小，為10 mm/s2左右；6 s時(shí)刻后，當(dāng)車輛軸載遠(yuǎn)離車道跨中后，各特征點(diǎn)加速度振動(dòng)響應(yīng)快速降低并趨近于0。

綜上，地下半懸掛行車道結(jié)構(gòu)在車輛動(dòng)荷載作用下無明顯變形或位移，構(gòu)件強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，表明該技術(shù)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(dǎo)線點(diǎn)及水準(zhǔn)點(diǎn)直接作為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行軸網(wǎng)及高程測(cè)量。頂板采用C35纖維混凝土分層對(duì)稱澆筑，在頂板右側(cè)側(cè)墻區(qū)預(yù)留預(yù)應(yīng)力管道?70@500，以便后續(xù)施工與車道板預(yù)應(yīng)力管道相對(duì)應(yīng)，如圖6a所示。粘結(jié)預(yù)應(yīng)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(shè)完成后對(duì)車道板進(jìn)行澆筑施工。軌道交通24號(hào)線車道板兩側(cè)寬度均為14.79 m，車道板外側(cè)均設(shè)置預(yù)應(yīng)力吊墻，寬度為0.5 m，沿頂板至車道板布置，預(yù)應(yīng)力布置間距為0.5 m。在吊墻區(qū)按設(shè)計(jì)要求預(yù)留預(yù)應(yīng)力管道與頂板預(yù)留孔道對(duì)應(yīng)。車道底板澆筑及車道預(yù)留波紋管如圖6所示。

圖6 半懸掛車道板預(yù)應(yīng)力孔道布置

(3)懸掛車道側(cè)墻施工

根據(jù)黃木崗主體結(jié)構(gòu)工程特點(diǎn)，蓋挖段側(cè)墻使用三角支架模板系統(tǒng)。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(tǒng)，如圖7所示。側(cè)墻內(nèi)部設(shè)置主筋為C32@150 mm，向側(cè)墻內(nèi)彎錨；內(nèi)側(cè)主筋為C28@150 mm，向側(cè)墻內(nèi)彎錨；水平筋為C32@150 mm，側(cè)墻主筋均穿過板；拉筋為 ?12圓鋼，非加密區(qū)間距30×30 cm，梅花形布置，加密區(qū)間距15×15 cm。

圖7 半懸掛車道側(cè)墻施工

(4)預(yù)應(yīng)力側(cè)墻鋼筋布置

車道板、頂板及側(cè)墻施工完后對(duì)懸掛車道預(yù)應(yīng)力側(cè)墻進(jìn)行施工。吊墻內(nèi)主筋為?32@100 mm，向吊墻內(nèi)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(shè)置。吊墻內(nèi)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(yù)應(yīng)力側(cè)墻鋼筋，布置如圖8所示。

圖8 半懸掛車道預(yù)應(yīng)力側(cè)墻鋼筋布置(單位:mm)

吊墻內(nèi)鋼筋采用鋼筋接駁器連接，相鄰縱向鋼筋連接接頭應(yīng)相互錯(cuò)開，在同一截面內(nèi)鋼筋接頭面積百分率不大于50%。預(yù)應(yīng)力吊墻內(nèi)部預(yù)留波紋管采用連接管連接，連接管兩端設(shè)置密封膠帶。預(yù)應(yīng)力吊墻混凝土強(qiáng)度為C40，混凝土施工縫處對(duì)先澆混凝土進(jìn)行鑿毛處理。

(5)預(yù)應(yīng)力側(cè)墻張拉及封錨施工

側(cè)墻內(nèi)預(yù)應(yīng)力采用直徑15.2 mm、極限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1 860 MPa的低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。沿車道方向間隔0.5 m布置，預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa，每根預(yù)應(yīng)力筋張拉控制力為195 kN。當(dāng)預(yù)應(yīng)力側(cè)墻混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%之后，方可進(jìn)行張拉。預(yù)應(yīng)力鋼束張拉端與預(yù)應(yīng)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(jīng)過檢驗(yàn)。預(yù)應(yīng)力錨索張拉完成后做好封端工作，封錨混凝土標(biāo)號(hào)為C50。張拉完畢后及時(shí)壓漿，水泥漿強(qiáng)度不低于M50。

6 結(jié)論

以深圳黃木崗地下綜合交通樞紐工程為背景，對(duì)地下綜合體半懸掛車道結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，同時(shí)結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，介紹了半懸掛地下車道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、施工工藝與質(zhì)量控制措施，結(jié)論如下:

(1)在車輛動(dòng)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(dòng)響應(yīng)均在允許范圍內(nèi)，構(gòu)件強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，從理論上驗(yàn)證了半懸掛車道結(jié)構(gòu)的安全性。

(2)施工頂板和車道板時(shí)，在頂板和車道板預(yù)應(yīng)力側(cè)墻區(qū)域預(yù)留預(yù)應(yīng)力孔道并一一對(duì)應(yīng)，確保預(yù)應(yīng)力側(cè)墻內(nèi)錨索安裝精度。

(3)預(yù)應(yīng)力側(cè)墻內(nèi)鋼筋采用鋼筋接駁器連接，相鄰縱向鋼筋連接接頭應(yīng)相互錯(cuò)開，在同一截面內(nèi)鋼筋接頭面積百分率不宜大于50%。同時(shí)對(duì)側(cè)墻接縫處混凝土實(shí)行二次振搗，盡可能排出混凝土中的氣體，增加密實(shí)性，確保預(yù)應(yīng)力側(cè)墻強(qiáng)度與質(zhì)量。

(4)預(yù)應(yīng)力側(cè)墻張拉完成后及時(shí)做好封端和壓漿，水泥漿強(qiáng)度不低于M50，確保預(yù)應(yīng)力側(cè)墻張拉質(zhì)量與效果。