地鐵車站大跨無柱弧形頂板支撐體系設計與施工方案研究

楊 洋

1 工程概況

濟南市地鐵4 號線舜華路站為地下局部3 層島式車站，該車站長度為338.1 m，標準段寬度為19.7 m，端頭井寬度為24.2 m，采用明挖順作法施工。車站10 ～21 軸為大跨無柱弧形頂板，頂板跨度為23.5 m，長度為108.45 m，拱頂與拱腳的高差為6.9 m。此車站是目前國內弧度最大的大跨無柱弧形頂板地鐵車站，其模板支撐體系的設計和混凝土的澆筑面臨著巨大挑戰。

2 施工難點

模板支撐系統的設計和安裝質量是本工程的安全管控重點[1]。現澆大跨度弧形頂板結構對線型、防水性能和表面外觀等要求較高，且弧形頂板收面較為困難。拱腳和拱頂的混凝土厚度不一致，使得頂板荷載形式較為復雜。如何利用傳統盤扣支撐架來設計一種安全、穩定且經濟性好的模板支撐體系是本項目的一大難點。在弧形頂板澆筑過程中，拱腳節點的支架立桿除了承受豎向荷載外，還要承受弧形頂板混凝土的水平分力。因此，如何提升支撐體系抵抗水平荷載的能力，是支撐體系設計的又一難點[2]。

弧形頂板支撐體系采用盤扣支撐架+10A 弧形工字鋼主楞的方案。此方案中弧形工字鋼的拼接方式、主楞與頂托的固定方式、傳力方式、接觸面積以及鋼楔與頂托在水平力作用下的滑移，均是施工過程中需要解決的問題。弧形頂板拱頂與拱腳的高差為6.9 m，導致同一斷面的立桿標高不一致，因此需要逐一核驗和調整支撐立桿的頂托標高。

3 支撐體系方案比選

施工前調查以往同類施工項目，弧形頂板結構一般有移動模架，以濟南地鐵2 號線龍奧站為例，無柱拱形頂板段施工分為以下階段：測放結 構中心線及臺車軌道線―臺車拼裝―臺車矯正―臺車定位―臺車清塵、涂刷脫模劑―頂板及側 墻鋼筋定位、綁扎―頂板及側墻模板安裝―混凝土澆筑、養護―臺車脫模及位移，此方案大體量較為適合，如表1 所示。

表1 弧形頂板支撐體系施工方案對比

雄安站樞紐片區綜合管廊項目、杭州蕭山國際機場三期項目地下空間開發工程[3]，用次楞彎弧方案，此方案工字鋼主楞平行于車站方向，直接放于頂托上；通過加密方鋼，增強架體的整體性，分散混凝土對支撐架的水平荷載，同時工字鋼主楞需增加抗傾覆措施，增加方木或鋼管支撐主楞。

還有部分工程采用型鋼排架的方案，此方案用盤扣架體搭設非弧形段的支撐體系，拱形段單獨設計加工型鋼排架，架體與型鋼排架相結合，形成結構穩固，變形較小的支撐體系。

結合現場條件，可采用排架、移動模架、次楞彎弧、主楞彎弧[4]等方案，結合本項目體量進行成本、進度、質量、難易程度等方面的分析。分析結果主楞彎弧在本項目使用具有質量可靠、施工簡單、周期短、成本低的優點。

4 混凝土施工方案與模架支撐體系設計

4.1 弧形頂板混凝土施工方案

根據弧形頂板的實際情況，采取如下混凝土澆筑方案：第1，已經澆筑的側墻段高度為3.30 m，剩余的側墻高度為3.95 m。分次澆筑剩余的側墻和拱腳，每次澆筑高度為500 mm。第2，超出拱腳后盤扣架體的水平承載力較弱。為了防止架體中部隆起，在拱頂的第4 次澆筑完成后，澆筑厚度為400 mm、寬度為6000 mm 的壓板混凝土。第3，拱腳每側各設置3 塊外模，并預留200 mm 寬的澆筑孔，當混凝土澆筑至指定高度后再對其進行封堵。弧形頂板混凝土施工方案，如圖1 所示。

圖1 弧形頂板混凝土施工方案（來源：作者自繪）

4.2 模架體系設計

4.2.1 架體立桿體系確定

通過計算弧形段頂板支撐體系的主楞強度和剛度、次楞強度和剛度以及立桿的穩定性，確定架體構件的規格和間距[5]。立桿橫向間距600 mm，縱向間距為900 mm，水平步距為1500 mm。面板采用15 mm 厚的竹膠合板。小梁采用80 mm×80 mm 的木方次楞，間距為200 mm。主梁采用弧形10#工字鋼，間距為900 mm。立桿采用Φ48 mm×3.2 mm 的Q355 鋼管，斜拉桿以隔二搭一的方式設置。

4.2.2 確定拱腳斜撐

拱腳部分靠近側墻的前5 根立桿的角度為37°～53°。拱腳前5 根立桿的節點示意圖，如圖2 所示。

圖2 拱腳前5 根立桿的節點示意圖（來源：作者自繪）

其中第1 根立桿影響范圍的荷載24.57 kN，水平方向分力18.72 kN，豎直方向分力為14.79 kN，豎向荷載與水平荷載的比值0.79。第6 根立桿影響范圍的荷載12.29 kN，水平方向分力為7.39 kN，豎直方向分力9.81 kN。第6 根立桿與切線的角度為53°，且豎向荷載與水平荷載的比值達到1.33，說明立桿的主要受力荷載變為豎向荷載，無須增加斜撐。根據計算，需要補充3 根中板斜撐、2 根連接3 個扣件的斜撐和1 根水平撐，用以增強支撐體系對水平荷載的抵抗能力。斜撐方案示意圖，如圖3 所示。

圖3 斜撐方案示意圖（來源：作者自繪）

4.2.3 主楞連接設計

弧形工字鋼外弧弦長為20.14 m，弧頂高度為6.09 m。每榀模架分為6節，共有5 個連接點，連接點對稱分布。工字鋼由280 mm×80 mm×10 mm 的連接板和Φ16 mm 的螺栓連接。這種連接方式使得主楞可以在一定角度內活動，以便微調主楞的角度和標高。弧形主楞連接點，如圖4 所示。

圖4 弧形主楞連接點（來源：作者自繪）

4.2.4 主楞與頂托的連接方式

本工程結構頂板為弧形頂板，主楞采用10a 冷彎工字鋼，次龍骨采用10 cm×10 cm 的方木。主楞彎弧方案的難點在于確定主楞與頂托的固定方式、傳力方式及接觸面積和控制鋼楔與頂托在水平力作用下的滑移。為解決上述問題，保證荷載傳遞的穩定性，發明了一種可調角度的鋼楔裝置，如圖5。能夠保證頂托與主龍骨連接的緊密性，使頂部荷載穩定傳遞至架體頂部，有效控制頂托與工字鋼的位移。

圖5 可調鋼楔裝置（來源：作者自攝）

5 施工控制要點

本文施工控制要點主要包括以下幾個方面：第1，架體搭設時，應先搭設立桿、水平桿和斜拉桿，搭設完成后初步調整頂托標高。然后將斜撐搭設材料提前吊裝至架體內，待弧形主楞和模板完成后，同時進行鋼筋綁扎和斜撐搭設[6]。第2，弧形主楞之間的連接方式為鉸接，節點螺栓承受剪切力，因此應在弧形主楞節點處增加斜撐。弧形主楞連接節點，如圖6所示。第3，澆筑混凝土時，應嚴格按照澆筑方案，采用分層和對稱的方式，從一端向另一端澆筑，嚴禁偏壓或整板鋪開澆筑。

圖6 弧形主楞連接節點（來源：作者自攝）

6 結語

采用盤扣架結合主楞彎弧的支撐體系，使用可調角度的鋼楔裝置，解決了弧形主楞與平直頂托的荷載傳遞問題，同時通過澆筑壓板混凝土保證架體的穩定性。主楞彎弧方案采用常規材料，與其他方案相比，它能有效節約成本和縮短工期。弧度最大處采用支設外模+隔離網的方式，使得結構成型效果良好，拱頂與拱底的混凝土強度和密實度滿足均設計要求。