南京地铁3号线浦珠路站满足大直径盾构整体始发结构托换技术研究

刘方明

（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133）

南京地铁3号线浦珠路站满足大直径盾构整体始发结构托换技术研究

刘方明

（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133）

为满足南京地铁3号线浦珠路站大直径盾构整体始发的需要，对该站原分体始发结构进行调整。通过分析大直径盾构整体始发技术对地铁车站的影响，总结出地铁车站在大盾构整体始发条件下结构设计的处理方法及难点。根据车站工程地质，利用混凝土梁柱临时托换体系满足始发要求，并采用SAP2000有限元软件建立二维及三维模型进行模拟分析，提出转换始发的关键技术。得出采用临时结构托换技术解决大直径盾构整体始发技术是可行的，且临时结构托换体系对原结构尺寸未产生影响。通过分析验证了混凝土梁柱体系在在地铁车站结构受力体系临时转换时的适用性。

大直径盾构；整体始发；地铁车站；临时托换体系；数值模拟

0 引言

随着社会和经济的发展，城市轨道交通已成为一种城市建设的趋势，而城市发展也需要修建更多的地铁。地铁一般多位于地下，因此地铁在修建过程中不可避免地需要穿越江河湖海。就南京地铁而言，目前修建的3，10号线等均需穿越长江。从经济及风险角度考虑，优先采用大直径盾构穿越。李怀洪［1］在大直径泥水平衡盾构的分体始发技术中指出：大直径泥水平衡盾构的分体始发，相对于中小直径土压平衡盾构而言，其转换施工风险较大，主要体现在台车临时转换的盾构掘进施工阶段和恢复台车的掘进停顿阶段，土舱内的切口水压难以实现稳定控制，复杂的设备系统在施工环境趋于恶劣的不利情况下，较难保证其运行稳定性。因此，整体始发技术相对安全。综上所述，由于整体始发，对地下空间要求相对较高，若车站结构需满足建筑功能要求，无法按大盾构整体始发要求的空间进行布置时，就需对结构进行相应调整。由于本方案调整处于施工图阶段，调整时，围护结构已实施，因此无法对内部结构进行调整，只能通过结构托换形式进行处理。

目前关于托换技术的研究有：康直［2］在对既有人防商场下进行结构托换的可行性分析中，主要考虑对既有人防商场结构柱进行托换处理，在人防商场下修建新的地铁车站，与本工程一样采用的是混凝土梁柱形式；胡新红等［3］介绍了大跨度框架结构的托梁换柱施工技术，并验证采用应变和顶升量双控法对大跨度框架柱进行托换和控制的可靠性；张新中等［4］主要研究钢结构在墙托换和柱托换中的应用；刘建宏［5］通过对钢筋混凝土柱托换梁节点进行承载能力试验研究，探讨了在柱表面光滑和凿毛2种界面情况下的受力特点、破坏机制，提出钢筋混凝土柱托换设计中的主要控制参数；漆敬群［6］介绍结构托换施工的工序流程、预应力临时支撑结构的方案优化和施工设计、新旧钢筋混凝土结构的界面处理和困难条件下的托换大梁结构施工技术；桂晓光［7］通过对结构托换所涉及的技术问题，控制因素分析、结构处理，施工要求及监控等进行了系统地分析、介绍；甘屹［8］介绍了托换技术的设计方法，结合运用托换技术加固某框架结构的工程实例，重点探讨了托换技术的计算设计、施工工艺和构造措施；袁健等［9］为保证人民大会堂中会堂在施工期间安全及正常使用，通过对既有建筑结构体系分析后，制定出既能保护原有建筑，又不影响基坑施工的结构托换方案。本文通过对比钢结构梁柱托换体系和混凝土梁柱托换体系的优缺点，研究混凝土梁柱托换体系在地铁车站结构受力体系临时转换时的适用性。

1 工程概况

1.1 区间概况

南京地铁3号线浦珠路—滨江路区间北起浦珠路站，先下穿威尼斯水城，再向南下穿江北大堤后下穿长江及江南大堤，到达滨江路站。区间穿越地层主要为②－4d〈3－2〉粉砂、细砂、②－5d〈2－1〉粉砂、细砂、③－4d〈2－1〉砾砂、含砾中粗砂地、②－4b〈4－3〉流塑状粉质黏土、②－5b〈4－3〉软塑－流塑状粉质黏土地层、②－3b〈4－3〉软塑－流塑状粉质黏土（夹粉砂薄层）。隧道右线长3 353.945 m，采用德国海瑞克泥水气压平衡式盾构施工。盾构总长113 m，机头长12.7 m，盾构井设计总长度13.5 m，盾构直径11.2 m。浦珠路—滨江路区间盾构从浦珠路站始发，在浦珠路南端头设置盾构始发井。

1.2 车站概况

浦珠路站是南京地铁3号线的中间站，是3号线大盾构过长江段的江北站，需为大盾构过江提供始发井。车站斜跨柳州路和浦珠北路交叉路口，大致呈东西向设置。车站共设4个出入口，2组风亭。车站采用明挖顺作法施工（跨路口段采用盖挖顺作法施工）。车站受过江段大盾构区间影响，为地下二层楔形侧式站台形式，地下一层为站厅层，地下二层为楔形站台层，为双层双跨单柱箱型框架结构。车站主体基坑长172.3 m，标准段宽24 m，深19.876 m，左端盾构井深21.096 m，右端盾构井深24.214 m。车站主体结构大致分为3段，分别为左端盾构井段、中间标准段、右端盾构井段。车站站厅层层高6.15 m，站台层层高6.56 m。

1.3 车站受大盾构整体始发影响情况

大盾构始发原设计为分体始发，考虑到大直径泥水盾构分体始发难度大、工期长、风险高，难以实施，调为整体始发。

原车站结构方案按分体始发考虑，车站设计为单柱结构。如图1和图2所示，大盾构本体及各车架总长度为113 m，在车体中间设置电机车运输轨道，供预制混凝土运输。

图1 整体始发影响范围平面布置图Fig.1 Plan sketch showing influence scope of integral launching of shield machine

图2 整体始发影响范围纵断面布置图Fig.2 Profile showing influence scope of integral launching of shield machine

根据图1和图2所示，大盾构车架设置所需空间要求如下：

1）盾构车架净高度适应车站站台层层高设置，即车架高6.1 m。因此，车架设置范围内底纵梁高出底板部分需下翻或后浇。

2）大盾构车体范围内中柱需后浇。

3）大盾构车体横向宽度约9.2 m，因此托换体系需避开此范围设置。

因此，需占用车站地下二层空间，即在施工阶段，需对车站地下二层结构进行相应调整。整体始发影响段标准断面见图3，整体始发影响段梁、柱平面布置见图4。

图3 整体始发影响段标准断面图（单位：mm）Fig.3 Typical cross-section of Metro station influenced by integral launching of shield machine（mm）

图4 整体始发影响段梁、柱平面布置图Fig.4 Plan layout of beams and columns of Metro station influenced by integral launching of shield machine

在施工阶段需对结构做如下处理：

1）原车站底板纵梁上翻部位改为二次施作，通过增加结构钢筋满足受力计算，首次施工时下半部分纵梁箍筋预留搭接长度，待大盾构整体始发后二次施作上半部分纵梁。同时，需考虑底板的抗浮和裂缝计算，以及二次浇注对纵梁结构受力的影响。

2）由于盾构整体始发车架的空间要求，车站内结构柱地下二层段后浇。另由于地下二层段结构柱后浇，此时中纵梁下无支点，因此，在盾构整体始发阶段，中纵梁不考虑受力，地下一层段结构柱也设置托换体系对其进行托换。方案为采用临时设置梁柱受力体系对其进行托换，待大盾构整体始发后施作结构柱，再拆除临时柱网体系，从而达到托换的目的。

对结构而言，其设计重点是建立相应的托换体系和合理的步序来进行托换处理。托换流程如下：

1）在中柱两侧约5 m处设置2排临时梁柱体系，作为原车站梁柱体系的托换体系。

2）待盾构始发完成后，后浇原车站梁柱体系。

3）待原车站梁柱体系达到设计强度后，拆除临时梁柱体系。

2 工程地质及水文地质概况

见表1。

表1 各土层物理指标平均值表Table 1 Mean values of physical parameters of different strata

根据地下水赋存条件，本车站地下水类型主要为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水。孔隙潜水在长江漫滩平原区广泛分布，含水层岩性由全新统粉质黏土、粉土及粉砂层组成，厚11～18 m。微承压水在长江漫滩、边滩及河道区广泛分布。其沉积物多呈二元或多元结构，上细下粗，含水层岩性由粉细砂、中细砂、含砾中粗砂、卵砾石组成，砂层厚度一般在20～45 m。

勘察期间孔隙潜水水位埋深1.0～1.5 m，长江北岸标高为4.90～6.25 m，水位变化主要受大气降水和长江水位的影响，年水位变幅一般为0.5～1.0 m。微承压水水位埋深1.0～3.0 m，标高为4.00～5.50 m。

3 托换方案

3.1 托换方案比选

施工期间在车站内盾构设备两侧临时施作2排梁柱体系以满足车站受力要求，待永久梁柱施工完成后再拆除临时梁柱体系。临时梁柱体系可选用2种形式，即：钢梁及钢管柱体系托换和混凝土梁柱体系。

钢梁及钢管柱托换体系采用φ800 mm，t＝16 mm的临时钢管柱，柱间距3 m。顶、中、底梁采用3个HN700 mm×300 mm×24 mm×13 mm型钢，上下采用20 mm厚缀板焊接而成。具体布置如图5和图6所示。节点布置如图7所示。

图5 整体始发段临时钢梁柱托换横断面图（单位：mm）Fig.5 Profile showing temporary underpinning steel beams and columns of Metro station influenced by integral launching of shield machine（mm）

图6 整体始发段临时钢梁柱托换平面布置图Fig.6 Plan showing temporary underpinning steel beams and columns of Metro station influenced by integral launching of shield machine

混凝土梁柱托换体系主要构件尺寸拟定为：顶托换梁900 mm×1 500 mm，中托换梁900 mm×600 mm，底托换梁900 mm×1600 mm，托换柱800 mm×1 000 mm，柱间距6 m。具体布置如图8和图9所示。

钢管立柱与钢梁体系造价约563万元，混凝土梁柱体系造价约366万元。另由于临时托换钢管立柱与钢梁体系安装精度要求较高、焊接质量无法保证、且在施工过程中吊装不方便，其结构稳定性较难控制，对结构安全不利。因此，考虑选用混凝土梁柱体系进行托换。

图7 整体始发段临时钢梁柱托换节点布置图（单位：mm）Fig.7 Layout of nodes of temporary underpinning steel beams and columns of Metro station influenced by integral launching of shield machine（mm）

图8 整体始发段临时混凝土梁柱托换横断面图（单位：mm）Fig.8 Profile showing temporary underpinning concrete beams and columns of Metro station influenced by integral launching of shield machine（mm）

图9 整体始发阶段临时混凝土梁柱托换平面布置图Fig.9 Plan showing temporary underpinning concrete beams and columns of Metro station influenced by integral launching of shield machine

3.2 托换体系与永久结构转换步序

见图10。

凿除顺序均按远离盾构井一端向盾构井一端进行。

图10 托换体系与永久结构转换步序Fig.10 Underpinning sequence

4 托换体系计算

4.1 托换体系控制标准

1）车站主体结构工程主要构件设计使用年限为100年，次要构件设计使用年限为50年。

2）车站主体结构的安全等级为一级，在进行承载力计算时，构件的重要性系数取1.1。

3）南京地区的地震设防烈度为7度（地震加速度0.10g和地震分组为第一组），抗震等级为三级，结构需采用相应的构造措施。

4）工程环境类别属Ⅰ－B类。

5）地下结构须具有战时防护功能。在规定的设防部位，结构设计按6级人防的抗力标准进行验算，并设置相应的防护设施。

6）结构构件的裂缝控制等级为三级，即构件允许出现裂缝。裂缝宽度限值≤0.3 mm（顶板临土侧为0.2 mm）。

7）结构抗浮验算取最不利工况，当不考虑侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数应大于1.05，当计算不满足要求时，应采用抗浮措施，其抗浮安全系数应大于1.15。

8）结构设计应采用防止杂散电流腐蚀的措施。钢结构及钢连接件应进行防锈处理。

9）结构防水等级为一级。

10）结构耐火等级为一级。

4.2 主体结构尺寸的拟定

主体结构主要构件尺寸拟定为：顶板厚900 mm，顶纵梁1 200 mm×2 100 mm，中板厚450 mm，中纵梁900 mm×900 mm，底板厚1 000 mm，底纵梁1 200 mm× 2 400 mm，立柱800 mm×1 300 mm，侧墙700 mm。

4.3 计算原则

1）临时混凝土梁柱根据施工阶段承载能力极限状态进行计算和稳定性、变形验算。永久结构构件根据使用阶段承载力极限状态及正常使用极限状态的要求，分别进行承载能力的计算和稳定性、变形及裂缝宽度验算。

2）车站结构构件根据大盾构始发工况、车站使用阶段承载力极限状态及正常使用极限状态的要求，分别进行承载能力的计算和稳定性、变形验算。

3）受弯构件的最大挠度不应超过l/400～l/300，悬臂构件的允许挠度取2（l/400～l/300）。

4）结构设计应符合结构的实际工作条件，并反映结构与周围地层的相互作用。

5）结构的净空尺寸应满足大盾构整体始发的净空及施工工艺的要求。

6）结构计算采用SAP2000软件，采用“荷载－结构”模型，围护桩和内衬墙之间设防水层，二者之间只能传递压力而不能传递拉力、剪力、弯矩，按重合墙考虑。按平面杆系有限单元法、三维模式分别进行计算。

4.4 计算荷载

4.4.1 荷载类型

结构设计所考虑的计算荷载主要有3种：永久荷载、可变荷载和偶然荷载。

表2 荷载分类表Table 2 Load classification

4.4.2 荷载组合

根据现行国家标准GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》及GB 50157—2003《地铁设计规范》等相关规范规定的可能出现的最不利情况确定不同荷载组合时的荷载分项系数。荷载组合形式有基本组合、标准组合和偶然组合3种。

对于承载能力极限状态，应按荷载效应的基本组合或偶然组合进行荷载效应组合，不同组合的荷载分项系数按规范要求取值；对于正常使用极限状态，应根据结构使用功能要求，采用标准组合，进行裂缝、变形验算，荷载分项系数按规范取值。

4.4.3 主要计算参数

1）地层的物理力学指标依据工程地质勘察报告取值。

2）设备区楼面荷载一般按8 kPa计算，超过8 kPa按设备实际重力及其运输路线计算。集散区楼面人群荷载4 kPa，地面活荷载20 kPa。

3）水压力按全水头考虑，水位取现状地面线。4）结构材料的物理力学指标根据规范选用。

4.5 平面杆系有限单元法计算结果

大盾构整体始发阶段临时梁柱体系为地下双层三跨钢筋混凝土箱型结构，计算时沿车站纵向取1 m宽结构作为分析单元，按底板支承在弹性地基上的平面框架进行内力分析。

4.5.1 计算工况及计算简图

大盾构整体始发段临时混凝土结构计算简图见图11。

图11 整体始发段临时混凝土结构计算简图Fig.11 Calculation sketch of temporary concrete structure of Metro station influenced by integral launching of shield machine

大盾构整体始发段使用阶段混凝土结构计算简图见图12。

图12 整体始发段使用阶段混凝土结构计算简图Fig.12 Calculation sketch of concrete structure of Metro station influenced by integral launching of shield machine during shield launching

4.5.2 计算结果及分析

大盾构整体始发段临时混凝土结构计算内力图见图13。

根据以上计算结果，分别取各控制断面进行配筋计算，由于临时梁柱体系仅在施工阶段起作用，故仅按照承载能力极限状态核算内力。将大盾构始发施工阶段临时梁柱结构体系基本组合弯矩值与永久结构正常使用阶段基本组合弯矩值进行比较，取其较大值作为承载能力极限状态弯矩值。内力对比分析见表3。

从表3可以看出，临时结构承载能力控制组合不控制板墙配筋。经检算，配筋后，强度及裂缝满足规范要求。

4.6 三维计算结果

取大盾构整体始发阶段临时梁柱体系地下双层三跨钢筋混凝土箱型结构三维模型，计算时根据车站出入口设置需要，在侧墙两侧开设洞口，按底板支承在弹性地基上考虑，两侧约束横向位移后进行内力分析。

图13 大盾构整体始发段临时混凝土结构计算内力图Fig.13 Calculation of internal forces of temporary concrete structure of Metro station influenced by integral launching of shield machine

4.6.1 三维计算模型

采用SAP2000进行三维计算，计算时，先建立三维模型。其相关材料如下：临时托换结构梁混凝土结构采用C35钢筋混凝土，主体结构梁、板、内衬墙混凝土结构采用C35钢筋混凝土，永久结构中柱子采用C60钢筋混凝土，临时立柱采用C50钢筋混凝土。根据工程各土层物理指标平均值表，对模型进行加载。

表3 内力对比分析Table 3 Comparison and contrast among internal forces of different structures of Metro station

大盾构整体始发段临时混凝土结构三维计算模型见图14。

图14 整体始发段临时混凝土结构三维计算模型Fig.14 3D calculation model of temporary concrete structure of Metrostationinfluencedbyintegrallaunchingof shield machine

4.6.2 三维计算结果及分析

见图15。

图15 三维计算结果Fig.15 3D numerical simulation result

根据三维计算结果显示，经检算，配筋后强度满足规范要求。

5 临时结构破除后对结构的影响

从以上受力计算分析结果可以看出，临时托换体系转换为永久受力体系后，对板墙而言，其受力最不利位置差别较大。从图15可以看出，临时托换体系会在永久体系的接近跨中位置出现负弯矩，而在永久体系的中柱处出现正弯矩；因此在设计时，需取两者的包络图。通过计算分析可知，临时体系的建立，并未对板墙的厚度产生影响，只是局部根据受力需要，加强配筋。另为确保受力体系安全转换，需待永久结构梁、柱混凝土强度达到设计强度100%后，拆除临时混凝土立柱以及站厅板、结构底板临时混凝土纵梁上翻部分。

6 现场实施效果分析

根据托换体系与永久结构转换过程对板的监测要求，在实际施工过程中，对顶板、中板竖向位移分别进行监测。监测到的竖向位移值为11 mm（含施工期间的施工误差），根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》3.4.3条规定，结构允许挠度限值为l/300（l/400）［10］，按从严控制，约为27.5 mm，因此结构实际变形能满足规范要求。另根据裂缝监测结果，顶、底板内侧裂缝、中板上下侧裂缝均未超过0.3 mm，也满足规范要求。

7 结论与讨论

从以上计算及现场实施效果分析可知，临时结构托换技术解决大直径盾构整体始发对地铁车站结构的影响问题是可行的，另临时结构托换体系对原结构尺寸未产生影响。在设计计算时，还需注意加强临时托换体系状态下的受力对原结构的裂缝及强度影响分析。结合以上结论，处理这类问题有以下几点注意事项：

1）本结构处理的关键点是托换体系的选择、结构计算及施工过程中的转换步序的控制。在计算过程中要考虑托换结构在施工期间产生的短期变形，以及托换完成后使用阶段的长期变形。

2）由于大盾构托换体系采用的是混凝土结构体系，因此，在使用阶段需对其进行凿除，凿除施工时，柱头向下50 cm左右进行人工破除掉，破除完后，再采用施工机械进行破除，这样对永久结构影响相对较小。

3）本站由于大盾构方案确定采用整体始发已在施工图设计阶段，因此只能通过调整结构来满足大盾构整体始发需要。建议在以后的工程设计中，可在方案阶段考虑，通过方案阶段结构调整，来满足大盾构整体始发需要。

（References）：

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［2］ 康直.对既有人防商场下进行结构托换的可行性分析［J］.铁道工程学报，2007（4）：108－112.（KANG Zhi. Feasibility study of the underpinning method under civil air defense marketplace［J］.Journal of Railway Engineering Society，2007（4）：108－112.（in Chinese））

［3］ 胡新红，简要.大跨度框架结构托梁换柱技术的设计与施工［J］.建筑施工，2012（8）：786－787，794.（HU Xinhong，JIAN Yao.Design and construction of supporting beams replacing columns technology for long-span framed structure ［J］.Building Construction，2012（8）：786－787，794.（in Chinese））

［4］ 张新中，王桂英，杨宏杰.钢结构在托换技术中的应用［J］.建筑结构，2007（7）：241－243.（ZHANG Xinzhong，WANG Guiying，YANG Hongjie.Appllcation of steel structure in underpinning technology［J］.Building Structure，2007（7）：241－243.（in Chinese））

［5］ 刘建宏.钢筋混凝土柱托换梁的试验研究［J］.山西建筑，2012，38（7）：47－48.（LIU Jianhong.Experimental research on the underpinned beam of steel reinforced concrete column［J］.Shanxi Architecture，2012，38（7）：47－48.（in Chinese））

［6］ 漆敬群.南国影院钢筋混凝土大梁托换施工分析［J］.施工技术，2008，37（7）：78－80.（QI Jingqun.Construction analysis on underpinning reinforced concrete beam of Nanguo Cinema［J］.Construction Technology，2008，37（7）：78－80.（in Chinese））

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［8］ 甘屹.对建筑结构托换技术的探讨［J］.山西建筑，2008，34（15）：127－128.（GAN Yi.Discussion of shifed technology in building structure［J］.Shanxi Architecture，2008，34（15）：127－128.（in Chinese））

［9］ 袁健，姜峰，蔡毅强，等.既有结构柱位于拟建建筑基坑内的托换施工技术［J］.建筑施工，2009，31（3）：172－174.（YUAN Jian，JIANG Feng，CAI Yiqiang，et al.Construction technology for foundation pit underpinned by existing structural columns［J］.Building Construction，2009，31 （3）：172－174.（in Chinese））

［10］ 赵基达，徐有玲.GB 50010—2010混凝土结构设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011：10－11.

Study on Underpinning of Puzhulu Metro Station on Line 3 of Nanjing Metro to Achieve Integral Launching of Large-diameter Shield Machine

LIU Fangming
（China Railway Tunnel Survey＆Design Institute Co.，Ltd.，Tianjin 300133，China）

According to the original design，separate launching of a large diameter shield machine is to be made at Puzhulu Station on Line 3 of Nanjing Metro.In the later stage，however，it is decided that integral shield machine launching is to be implemented to replace the original separate launching.Therefore，the structure of the Metro station should be treated.In the paper，the influence of the integral launching of the large diameter shield machine on the Metro station is analyzed，the key points of the treatment of the structure of the Metro station are summarized，solution of underpinning by concrete beams and columns is proposed，and calculation is made for the underpinning system by means of 2D and 3D models based on SAP2000 finite element software.Conclusion is drawn that the underpinning system adopted for the Metro station is feasible and rational.

large-diameter shield machine；integral launching；Metro station；temporary underpinning system；numerical simulation

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.009

U 45

A

1672－741X（2014）04－0343－08

2014－01－06；

2014－02－25

刘方明（1983—），女，浙江东阳人，2005年毕业于武汉化工学院，交通土建专业，本科，工程师，从事隧道及地下结构工程方面设计工作。