明挖車站大跨度無柱弧形頂板模架體系設計及施工技術

王同超，趙亮

（1.上海申鐵投資有限公司，上海 200032；2.北京城建軌道交通建設工程有限公司，北京 100088）

1 引言

為了提高地下空間的利用率，提升乘客的乘車體驗，大跨度無柱車站結構正在被越來越多地應用。 在眾多的無柱車站設計方案中，大跨度弧形頂板車站，以其通透的空間結構成為未來車站設計的一個重要方向。 在眾多的無柱車站設計方案中，大跨度弧形頂板車站，以其通透的空間結構成為未來車站設計的一個重要方向。 弧形結構因其結構復雜、施工操作難度大，很難采用傳統方法進行施工[1-3]。

本文以鄭州機場至許昌市域鐵路工程（鄭州段）港區北站大跨度無柱弧形頂板為研究對象， 設計出一種新型模板支架體系，并進行現場施工，總結出一套有效、可行的施工方法。

2 工程概述

鄭州機場至許昌市域鐵路工程（鄭州段）港區北站位于巢湖路與長安路交叉口，車站為明挖地下兩層島式車站。 主體結構外包長度為320.10 m，結構凈跨18.3 m，地板埋深20.86 m，車站覆土厚度為3.53 m。

為營造出開闊通透的乘車環境， 車站站廳層公共區（5～16軸）共100 m 長度結構采用無柱弧形頂板設計，此部位結構凈跨18.3 m，拱高9.0 m，矢高5.05 m。頂板斷面為拱形漸變式，拱頂弧形為變徑結構，兩側拱腳部位半徑為3.5 m，厚度3.2 m，中間部位弧形半徑為14.5 m，厚度1 m。 圖1 為港區北站結構斷面圖。

圖1 港區北站結構斷面圖

3 頂板模板支撐體系設計

3.1 設計思路

傳統明挖車站多為平頂直墻結構， 模架支撐體系難以擬合弧形斷面，無法借鑒。 弧形頂板多見于暗挖隧道與暗挖法車站，多采用模板臺車或鋼拱架配合鋼模板進行施工。 但模板臺車造價昂貴、自重較大，如應用到本車站中，板將難以承受臺車荷載且耗費大量資金，因此不宜采用[4]。

鋼拱架配合鋼模板方法較適用于本站， 此方法不僅能夠擬合弧形結構，且自重較小、便于安裝。 但明挖車站跨度遠大于暗挖結構，設計時還需考慮以下問題：

1）斷面跨度較大，鋼拱架自重勢必增加，如何解決鋼拱架安裝問題；

2）面板若全部采用鋼模板，造價較高、施工煩瑣，如何進行優化；

3）滿堂支架搭設體量大、標高變化多，如何優化以便于支架搭設。

針對上述問題，結合實際情況，制定如下解決措施。

1）鋼拱架采用拼裝形式，設置多個連接點，降低每段鋼拱架自重，便于人工安裝。

2）本工程頂板兩側小半徑弧形段受力較大且難以擬合，采用鋼模板優勢明顯；中間大半徑弧形段受力相對較小，采用木模板能滿足受力，且可“以直代曲”擬合弧形截面；故此計劃采用鋼木混合結構，對節約成本亦有一定優勢。

3）鋼架采用桁架形式，在底部設置水平桿件，可以極大限度地減少標高變化，便于現場滿堂支架搭設。

綜上，最終研究決定借鑒暗挖施工工藝，采用盤扣式滿堂支架做下部支撐， 上部采用拼裝型桁架拱配合鋼木混合面板的模架支撐體系。

3.2 模板支撐設計

支撐體系所用到的盤扣式腳手架均為重型（Z 形）盤扣腳手架[5]，立桿為60.3 mm，壁厚3.2 mm，附加水平桿、縱向連接桿直徑為48mm，壁厚3.2mm 扣件鋼管。立桿橫向間距900mm，縱向間距600 mm，步距1 500 mm，根據設計模數配置相應的豎向及水平向斜桿。 模板配置采用鋼木結合體系，兩端小半徑拱腳部位采用定制鋼模板，中間大半徑部分采用膠合板。 底部主龍骨采用I12.6 工字鋼與方鋼管構成的可拼裝桁架龍骨。模板支撐體系橫、縱面圖見圖2 和圖3。

圖2 頂板模架體系橫斷面圖

圖3 頂板模架體系縱斷面圖

兩側定制鋼模板，寬度為600 mm，長度為1 200 mm，模板高度為115 mm，鋼板厚度為4 mm，鋼模板采用扣件連接構成整體。木模板面板采用15 mm 厚膠合板，次龍骨采用100 mm×100 mm 方木，間距250 mm。 拼裝桁架拱共分為14 塊進行現場拼裝，采用?20 mm 螺栓連接。

4 模架體系受力驗算

4.1 面板及次龍骨受力驗算

按照JGJ/T 231—2021《建筑施工承插型盤扣式鋼管腳手架安全技術標準》[6]相關要求，模架體系受力驗算，分別需要對面板、次龍骨、主龍骨及支架進行受力分析。 計算時面板、次龍骨可簡化為平面模型進行計算。 計算結果見表1。

表1 面板及次龍骨受力驗算

4.2 拼裝桁架拱受力驗算

型鋼拼裝桁架拱受力較為復雜， 采用SAP2000 軟件進行二維計算分析，計算時鋼模板位置受力取值q1=40 kN/m；木模板位置受力取值q2=30 kN/m； 取值差異更能貼合現場受力實際情況，模型如圖4 所示。

圖4 受力計算模型

在荷載作用下，型鋼拱架最大彎矩M=8 747.29，如圖5 所示；最大剪力V=24.5 kN，如圖6 所示；最大變形值，如圖7所示。

圖5 彎矩受力計算圖

圖6 剪力計算圖

圖7 變形結果圖

按上述計算結果，計算桁架拱受力，結果見表2。

表2 拼裝桁架拱受力驗算

4.3 滿堂支架受力驗算

滿堂支架上部支座反力最大值F=86.32 kN，反力計算見圖8。

圖8 支座反力計算圖

按此反力復核支架長細比、穩定性，結果見表3。

表3 滿堂支架受力驗算

綜上，經過核算，支撐體系各部件受力均能滿足要求，能夠滿足現場使用，但在施工時還應注意各部件連接的質量。

5 模架體系及混凝土施工

5.1 模架體系施工

模架體系施工順序[7]：模架基底清理→支架體系搭設→調整頂托標高→吊裝型鋼主龍骨→拼裝組合鋼模板→拼裝木模板。

滿堂支架按照常設計的標高、 間距等參數以常規手法搭設即可，加強過程驗收，確保架體滿足設計要求即可，本文重點描述上部拼裝桁架拱的搭設。

型鋼拼裝桁架拱采用定制加工而成， 共分為14 個弧形段，每個弧形段之間采用M20 螺栓連接。 由于型鋼桁架左右對稱，可分為7 段標準桁架（HJ-1～HJ-7）進行拼裝，各標準段桁架采用I12.6 工字鋼+方鋼管焊接而成，最大質量為132 kg，見圖9 和圖10。

圖9 型鋼桁架拼裝圖

圖10 型鋼桁架構成圖

拼裝時， 一個斷面可分為3 個部分即HJ-1～HJ-2、HJ-3～HJ-5、HJ-6～HJ-7，在地面預先拼裝完成，之后通過吊車吊裝到支架頂托上固定后再進行剩余部分連接。 為保證桁架龍骨的穩定性，沿車站縱向設置扣件鋼管[8]，將每一部分桁架拉結成一個整體， 同時為了提高桁架龍骨抵抗水平方向側壓力的能力，沿車站橫向設置通長水平扣件鋼管，豎向間距50 cm。圖11 為現場拼裝照片效果圖。

圖11 現場拼裝照片

上部拱架拼裝完成后，進行鋼、木模板拼裝，由于采用鋼木混合結構， 在拼縫位置材料剛度變化會引起沉降、 錯臺現象。 為此，在鋼模板與木模板交界處密排三榀方木進行過渡。模板拼裝時注意在拼縫之間放置止漿條。

5.2 混凝土澆筑施工

模架驗收完成后[9]，進行混凝土澆筑。 由于混凝土澆筑順序直接影響模架結構體系的受力，本站混凝土澆筑時采用兩臺泵車同時自兩側開始澆筑，控制混凝土的坍落度在160～180 mm，每次澆筑厚度不超過50 cm，保證每層振搗密實。 為防止弧面混凝土滑落，在兩側拱腳位置設置扣模，并控制混凝土澆筑速度，在本層混凝土臨近初凝時再澆筑下層混凝土，最終在拱頂位置進行收面處理。

5.3 施工監測

混凝土施工過程中的監測項目主要包括： 模架體系的水平收斂、 沉降。 根據需要本站弧形段每倉各設置3 個監測斷面，每個監測斷面布置2 個水平位移觀測點、3 個沉降觀測點。監測控制值：水平位移值與垂直沉降值分別為10 mm、8 mm，預警值各取70%。

監測頻率：鋼筋安裝過程中每隔2 h 觀測一次；澆筑混凝土過程中實時監測[10]。

6 結語

港區北站主體結構弧形頂板段分5 倉澆筑完成， 根據現場施工監測情況，最大水平位移值為6.8 mm，最大沉降預警值為4.9 mm， 符合方案要求。 現場未發生跑模及大面積漏漿現象。 模架體系穩定，未發現失穩現象。 拆模后混凝土表面光滑平整，澆筑質量較好。 本工程共定制加工兩倉型鋼桁架龍骨共72 榀，組合鋼模板476 塊。施工簡單易于拼裝拆卸，成本較低，安全可靠，具有一定的推廣價值。