地铁车站大跨无柱弧形顶板支撑体系设计与施工方案研究

杨 洋

1 工程概况

济南市地铁4 号线舜华路站为地下局部3 层岛式车站，该车站长度为338.1 m，标准段宽度为19.7 m，端头井宽度为24.2 m，采用明挖顺作法施工。车站10 ～21 轴为大跨无柱弧形顶板，顶板跨度为23.5 m，长度为108.45 m，拱顶与拱脚的高差为6.9 m。此车站是目前国内弧度最大的大跨无柱弧形顶板地铁车站，其模板支撑体系的设计和混凝土的浇筑面临着巨大挑战。

2 施工难点

模板支撑系统的设计和安装质量是本工程的安全管控重点[1]。现浇大跨度弧形顶板结构对线型、防水性能和表面外观等要求较高，且弧形顶板收面较为困难。拱脚和拱顶的混凝土厚度不一致，使得顶板荷载形式较为复杂。如何利用传统盘扣支撑架来设计一种安全、稳定且经济性好的模板支撑体系是本项目的一大难点。在弧形顶板浇筑过程中，拱脚节点的支架立杆除了承受竖向荷载外，还要承受弧形顶板混凝土的水平分力。因此，如何提升支撑体系抵抗水平荷载的能力，是支撑体系设计的又一难点[2]。

弧形顶板支撑体系采用盘扣支撑架+10A 弧形工字钢主楞的方案。此方案中弧形工字钢的拼接方式、主楞与顶托的固定方式、传力方式、接触面积以及钢楔与顶托在水平力作用下的滑移，均是施工过程中需要解决的问题。弧形顶板拱顶与拱脚的高差为6.9 m，导致同一断面的立杆标高不一致，因此需要逐一核验和调整支撑立杆的顶托标高。

3 支撑体系方案比选

施工前调查以往同类施工项目，弧形顶板结构一般有移动模架，以济南地铁2 号线龙奥站为例，无柱拱形顶板段施工分为以下阶段：测放结 构中心线及台车轨道线―台车拼装―台车矫正―台车定位―台车清尘、涂刷脱模剂―顶板及侧 墙钢筋定位、绑扎―顶板及侧墙模板安装―混凝土浇筑、养护―台车脱模及位移，此方案大体量较为适合，如表1 所示。

表1 弧形顶板支撑体系施工方案对比

雄安站枢纽片区综合管廊项目、杭州萧山国际机场三期项目地下空间开发工程[3]，用次楞弯弧方案，此方案工字钢主楞平行于车站方向，直接放于顶托上；通过加密方钢，增强架体的整体性，分散混凝土对支撑架的水平荷载，同时工字钢主楞需增加抗倾覆措施，增加方木或钢管支撑主楞。

还有部分工程采用型钢排架的方案，此方案用盘扣架体搭设非弧形段的支撑体系，拱形段单独设计加工型钢排架，架体与型钢排架相结合，形成结构稳固，变形较小的支撑体系。

结合现场条件，可采用排架、移动模架、次楞弯弧、主楞弯弧[4]等方案，结合本项目体量进行成本、进度、质量、难易程度等方面的分析。分析结果主楞弯弧在本项目使用具有质量可靠、施工简单、周期短、成本低的优点。

4 混凝土施工方案与模架支撑体系设计

4.1 弧形顶板混凝土施工方案

根据弧形顶板的实际情况，采取如下混凝土浇筑方案：第1，已经浇筑的侧墙段高度为3.30 m，剩余的侧墙高度为3.95 m。分次浇筑剩余的侧墙和拱脚，每次浇筑高度为500 mm。第2，超出拱脚后盘扣架体的水平承载力较弱。为了防止架体中部隆起，在拱顶的第4 次浇筑完成后，浇筑厚度为400 mm、宽度为6000 mm 的压板混凝土。第3，拱脚每侧各设置3 块外模，并预留200 mm 宽的浇筑孔，当混凝土浇筑至指定高度后再对其进行封堵。弧形顶板混凝土施工方案，如图1 所示。

图1 弧形顶板混凝土施工方案（来源：作者自绘）

4.2 模架体系设计

4.2.1 架体立杆体系确定

通过计算弧形段顶板支撑体系的主楞强度和刚度、次楞强度和刚度以及立杆的稳定性，确定架体构件的规格和间距[5]。立杆横向间距600 mm，纵向间距为900 mm，水平步距为1500 mm。面板采用15 mm 厚的竹胶合板。小梁采用80 mm×80 mm 的木方次楞，间距为200 mm。主梁采用弧形10#工字钢，间距为900 mm。立杆采用Φ48 mm×3.2 mm 的Q355 钢管，斜拉杆以隔二搭一的方式设置。

4.2.2 确定拱脚斜撑

拱脚部分靠近侧墙的前5 根立杆的角度为37°～53°。拱脚前5 根立杆的节点示意图，如图2 所示。

图2 拱脚前5 根立杆的节点示意图（来源：作者自绘）

其中第1 根立杆影响范围的荷载24.57 kN，水平方向分力18.72 kN，竖直方向分力为14.79 kN，竖向荷载与水平荷载的比值0.79。第6 根立杆影响范围的荷载12.29 kN，水平方向分力为7.39 kN，竖直方向分力9.81 kN。第6 根立杆与切线的角度为53°，且竖向荷载与水平荷载的比值达到1.33，说明立杆的主要受力荷载变为竖向荷载，无须增加斜撑。根据计算，需要补充3 根中板斜撑、2 根连接3 个扣件的斜撑和1 根水平撑，用以增强支撑体系对水平荷载的抵抗能力。斜撑方案示意图，如图3 所示。

图3 斜撑方案示意图（来源：作者自绘）

4.2.3 主楞连接设计

弧形工字钢外弧弦长为20.14 m，弧顶高度为6.09 m。每榀模架分为6节，共有5 个连接点，连接点对称分布。工字钢由280 mm×80 mm×10 mm 的连接板和Φ16 mm 的螺栓连接。这种连接方式使得主楞可以在一定角度内活动，以便微调主楞的角度和标高。弧形主楞连接点，如图4 所示。

图4 弧形主楞连接点（来源：作者自绘）

4.2.4 主楞与顶托的连接方式

本工程结构顶板为弧形顶板，主楞采用10a 冷弯工字钢，次龙骨采用10 cm×10 cm 的方木。主楞弯弧方案的难点在于确定主楞与顶托的固定方式、传力方式及接触面积和控制钢楔与顶托在水平力作用下的滑移。为解决上述问题，保证荷载传递的稳定性，发明了一种可调角度的钢楔装置，如图5。能够保证顶托与主龙骨连接的紧密性，使顶部荷载稳定传递至架体顶部，有效控制顶托与工字钢的位移。

图5 可调钢楔装置（来源：作者自摄）

5 施工控制要点

本文施工控制要点主要包括以下几个方面：第1，架体搭设时，应先搭设立杆、水平杆和斜拉杆，搭设完成后初步调整顶托标高。然后将斜撑搭设材料提前吊装至架体内，待弧形主楞和模板完成后，同时进行钢筋绑扎和斜撑搭设[6]。第2，弧形主楞之间的连接方式为铰接，节点螺栓承受剪切力，因此应在弧形主楞节点处增加斜撑。弧形主楞连接节点，如图6所示。第3，浇筑混凝土时，应严格按照浇筑方案，采用分层和对称的方式，从一端向另一端浇筑，严禁偏压或整板铺开浇筑。

图6 弧形主楞连接节点（来源：作者自摄）

6 结语

采用盘扣架结合主楞弯弧的支撑体系，使用可调角度的钢楔装置，解决了弧形主楞与平直顶托的荷载传递问题，同时通过浇筑压板混凝土保证架体的稳定性。主楞弯弧方案采用常规材料，与其他方案相比，它能有效节约成本和缩短工期。弧度最大处采用支设外模+隔离网的方式，使得结构成型效果良好，拱顶与拱底的混凝土强度和密实度满足均设计要求。