伺服技术在地铁上盖钢结构施工中的应用*

郁政华

1. 同济大学土木工程学院 上海 200092；2. 上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

1 工程概况

中国博览会会展综合体项目E1商业中心位于整个场馆的中心，四周被A区、B区、C区、D区及F区场馆环绕。正下方为轨交2号线徐泾东站车站区间和盾构区间，东侧跨越盾构区间，最大跨度达83 m，西侧跨越车站区间，最大跨度达117 m。如图1所示。

E1商业中心为钢框架-支撑筒结构体系。结构内径109 m，外径166 m。结构地下1层，地上8层，屋盖最高达43 m。钢结构总质量约27 300 t。

2 施工特点

图1 E1商业中心与轨交2号线的相对位置

E1商业中心钢结构施工环境非常复杂，存在多专业、多标段、不同工程综合立体交叉施工的情况。施工时，轨交2号线出入口改造也在同步进行。轨交运营方对于地铁上方加盖钢结构非常重视，提出轨交区间内施工荷载不得大于20 kN/m2，同时加强了轨交区间线路沉降监测，要求施工期间累计沉降值小于10 mm。本工程在轨交区间上方建造大跨度空间钢结构，在国内尚为首例。由于轨交车站区间、盾构区间对受力非常敏感，采用常规施工工艺显然无法应对，必须提出和实施一种能精确控制施工荷载值，以确保地铁在施工期间安全并正常运营的施工方案[1]。

3 大跨度钢结构伺服施工技术

伺服技术广泛应用于机电行业的自动化控制系统中，能通过外部参数的设置精确调整相对应的参数和指令。通过运用油压泵压力系统和计算机同步控制系统交互作用，实现结构施工的参数化、自动化。这一技术已逐步应用于大跨度、大空间钢结构施工中，总结出了一系列新型施工技术：整体提升法、整体顶升法、滑移法、攀达穹顶法、折叠展开法、恒力支撑法、弹性支撑法等。

恒力支撑系统区别于传统的刚性支撑，该系统通过液压千斤顶油压系统和计算机控制系统相结合，通过计算机参数化指令确保液压千斤顶油压为某一恒定值。当作用于恒力支撑上的轴力小于恒定值时，千斤顶的刚度无穷大，基本没有伸缩量；当作用于恒力支撑上的轴力大于恒定值时，千斤顶处于保压状态，刚度变为零，千斤顶自动回缩，轴力降低至恒定值。

恒力支撑系统由4部分组成：PC人机交互系统，PLC控制系统，油压泵压力系统和钢支撑系统。

恒力支撑法是一种利用伺服控制系统控制支撑轴力为恒定值的施工方法，该方法通过控制支撑轴力值来确保传递至基础结构的力不会对基础产生破坏（图2）。

图2 恒力支撑伺服技术原理

结合轨交区间上方加盖大跨度钢结构的特殊施工环境的要求，恒力支撑法能有效地控制支撑轴力，达到保护轨交区间的最终目的[2,3]。

4 E1商业中心跨轨交区间加盖技术

E1商业中心一共分成4个区：一区、三区为非转换区；二区、四区为转换区，位于轨交区间正上方，跨度分别为83 m、117 m。为确保轨交的正常运营，转换区钢结构采用2台大型履带吊分别停机在轨交区间安全控制线以外，跨外对称综合安装。从两边往中间合拢，竖向支撑采用恒力支撑控制轴力，并通过路基箱扩散传递至轨交区间顶板。

E1商业中心总体施工流程如下：

1）一区、三区非转换区采用大型履带吊自下而上节间综合安装；

2）二区、四区转换区在轨交区间上方设置恒力支撑，从两边往中间合拢4层以下结构；

3）4层以下节间合拢，形成结构自身刚度；

4）利用已形成的4层节间刚度，自下而上安装5～8层钢结构，恒力支撑整体卸载。

5 恒力支撑施工有限元施工模拟分析

1）首先通过Midas有限元分析软件建立E1商业中心钢结构整体模型，定义边界条件及荷载。

2）定义各施工阶段、施工阶段结构组、边界组、荷载组。

恒力支撑布置如图3所示，车站区间恒力值设定为1 200 kN，盾构区间恒力值设定为800 kN。通过2块2.40 m×6.00 m路基箱扩散，考虑1.50 m覆土，车站区间支撑轴力荷载值为19 kN/m2，盾构区间支撑轴力荷载值为13 kN/m2，均小于设计允许荷载值20 kN/m2。

图3 恒力支撑布置

结构合拢后，恒力支撑分阶段同步卸载，卸载工况如表1所示。

表1 卸载工况

通过Midas有限元分析软件分阶段施工模拟分析，可以较准确地反应恒力支撑法施工各个阶段的结构应力、应变。限于篇幅，仅以汇总表表述主要参数值（表2）。

表2 各施工阶段应力、应变汇总

如表2所示，采用恒力支撑法施工，大跨度空间钢结构最终变形状态均向外扭转，竖向最大变形值达119 mm，水平向最大变形值达36 mm，结构最大应力达209 MPa，与设计值相近。

该施工方案能有效地控制结构施工过程中的变形情况，施工精度、质量易于保障。恒力支撑法施工能大大提高施工效率。通过伺服控制系统，不但能很好地控制恒力千斤顶反力，同时也能实现结构的分阶段同步卸载。该施工方案适用于轨交区间这种对施工荷载需严格控制的施工环境，通过对荷载、位移的实时调控，能有效地确保轨交安全及正常运营[4-6]。

6 结语

国展E1商业中心跨轨交区间大跨度钢结构施工采用基于伺服施工技术的恒力支撑施工方法，该施工方法是一种能精确控制支撑轴力，同时确保支撑同步卸载的方案。该施工技术能实时反映支撑轴力、支座位移，并对以上参数进行实时调控，真正实现了机械化、参数化、自动化、高精度施工，在特殊施工环境中有着传统施工技术无法比拟的优势。伺服施工技术在该工程中得以成功应用主要基于以下原因[7,8]：通过对结构卸载变形过程的监测，保证了结构卸载过程的应力、应变均满足设计要求；同时针对轨交区间进行轨交沉降长期监测，保证了轨交在结构施工阶段累计沉降值小于10 mm，满足设计要求。