大跨度无柱穹顶结构地铁车站顶板施工技术探讨

摘要：地铁车站承担着地铁交通枢纽站点和标志性景观建筑的双重作用，大跨度无柱穹顶结构被多座城市的地铁车站采用，其施工难度较常规结构显著增加，总结了车站穹顶结构顶部的施工关键技术，大幅度提高地铁车站穹顶顶板结构的施工工效、施工成本和施工质量。

关键词：穹顶结构； 无柱车站； 地铁； 施工技术

中图分类号：U231.3文献标志码：B

0引言

地铁车站作为地铁交通的枢纽站点，不仅担任着联系地面和地下的客运功能，还担任着不同线路之间乘客换乘的功能。随着地下工程工技术的日益成熟，安全稳定、经济合理已不是地铁车站建设的唯一要求，视野开阔、客流通畅、美观等成为了地铁车站应具备的性能，地铁车站往往成为城市的标志性建筑，直接体现周围的景观特色。大跨度无柱穹顶结构在地铁车站景观设计中占据着重要作用，且施工难度较常规结构显著增加，本文总结了大跨度无柱穹顶结构支架设计和施工关键技术，为类似工程的施工提供参考借鉴。

1工程概况

某地铁车站位于国家4A级景区附近，为地下双层12 m岛式车站，设计里程ZDK25+458.208—ZDK25+617.308为穹顶结构，长度为159.1 m，其中27轴—42轴（134 m）净跨度为19.7 m，顶板最高点厚度1 200 m，顶板最低点厚度2 820 mm；42轴—45轴（25 m）净跨度为21.25 m，顶板最高点厚度1 300 m，顶板最底点厚度2 757 mm；穹顶结构与矩形结构交接处，两侧混凝土最大厚度5 883 mm，跨中厚2 550 mm，纵向长度1.4 m。

2支撑体系设计

2.1支架体系

本文支架设计包含穹顶结构、穹顶结构与矩形结构交接部位两部分，其中穹顶结构采用盘扣式支撑架形成竖向支撑体系，穹顶与矩形结构交接部位两侧和跨中分别采用型钢支架和重型盘扣支架；主楞采用与穹顶顶板结构弧形匹配的12.6#弧形工字钢拼接而成，次楞由双拼钢管构成，两者一起形成车站顶板底模的支撑体系；最后通过扇形斜撑对支撑体系进行加固，抵消在混凝土浇筑过程产生的水平不平衡荷载，保证整个支撑体系在横向的稳定满足要求。穹顶结构、穹顶结构与矩形结构交接部位的支撑体系如图1、图2所示。本文的支撑体系有如下特点：盘扣式支撑架节点稳定，承载力强，安全性高，现场施工方便，搭设、拆除速度快，材料损耗率低；主楞由工字钢拼装，总体形状与穹顶顶板结构下侧面一致，加工、运输、安装、拆卸方便；采用扇形斜撑加固支撑体系，可减少混凝土浇筑过程中支架体系的侧向变形。

2.2支撑体系验算

为保证支撑体系的可靠性和稳定性，需对设计的支撑体系进行计算分析，本文采用Midas Civil建立了穹顶结构、穹顶与矩形结构交接部位支撑体系的有限元模型，如图3所示。通过建立的有限元模型对支撑体系在侧向压力作用下的强度、刚度、稳定性进行了校核验算，验算结果如图4所示，计算结果表明：支撑体系的面板、主楞、次楞和立杆的强度和刚度均满足要求，整体稳定性也满足要求。

3大跨度无柱穹顶顶板结构施工

3.1施工工艺流程

地铁车站大跨度无柱穹顶顶板结构施工流程如图5所示。

3.2施工方法

3.2.1测量放样

在中板和负一层侧墙施工完成后，由现场技术员根据设计图纸和测量控制点放出顶板结构的底部标高，由于顶板为穹顶结构，需要标出每个支架顶部的标高，并作好标记，保证施工完成的穹顶顶板结构标高和弧度与设计一致。

3.2.2搭设顶板支撑架

（1）为保证支架能够平稳有效坐落在中板上，在安装支架底座前需要将中板上的施工设备和建渣清除。

（2）支架间距纵距900 mm，横距（300+2@600+3@900+9@1200+3@900+ 2@600+300） mm（27轴—42轴），横距（2@600+6@900+6@1200+6@900+2@600） mm（42轴—45轴）；步距1500 mm。

（3）为保证整体支架的稳定性，穹顶段负一层支架竖向斜杆满设。负二层竖向斜杆沿纵横向每间隔2跨设置；支架顶层及底层需设置水平斜杆（剪刀撑），且水平斜杆（剪刀撑）间距不大于6 m，水平斜杆（剪刀撑）宽度3～5 m。

施工技术与测量技术韩旭： 大跨度无柱穹顶结构地铁车站顶板施工技术探讨

（4）每层支架搭设间距相同，尽量使顶板对撑分布于支架上，保证支架竖向轴心传力。

（5）由于杜甫草堂站穹顶段需要预留孔洞作为盾构出土井，支架如遇中板孔洞处采用在底板支架顶部胶板上设双拼槽钢，沿基坑横向布置，间距为900 mm。

（6）搭设时，先将横杆、斜杆等接头插入连接盘，使插销外表面与水平杆和斜杆杆端扣接接头内表面吻合。待杆件接头插入后，将插销插入连接盘的扣接头内。插销连接应保证锤击自锁后不拔脱，抗拔力不得小于3 kN。

3.2.3拼装和安装弧形主楞工字鋼

（1）主楞采用特制与结构弧度匹配的12.6#工钢，横向布置，间距为900 mm。

（2）主楞工字钢之间连接采用高强螺栓连接，其弧度要与结构弧度匹配

（3）顶托与主楞的空隙采用焊接于主楞下方的铁楔子填塞，保证接触面积及位移限制，顶托和主楞连接详图可见图6。

（4）拱脚位置设置锁脚限制其位移。

3.2.4次楞和面板安装

（1）两侧弧形范围次楞采用双拼48.3×3.6 mm钢管，间距150 mm，跨中范围次楞48.3×3.6 mm钢管，间距150 mm；面板采用15 mm厚的竹胶板，拱顶的拱脚部位采用现场加工的木块填充。

（2）次楞双拼钢管为保证其在主楞12.6#弧形工字钢架上不发生位移，在弧形工字钢上按次楞间距焊接L40×3 mm的等边角钢或钢筋头，固定钢管位置，面板拼缝处次楞采用50 mm×100 mm方木（图7）。

3.2.5扇形斜撑安装

为保证混凝土浇筑过程中，支架受到水平方向的荷载失稳，除顶托与主楞支撑外，另设置48.3×3.6 mm钢管斜撑，呈扇形分布与主楞连接分散其荷载（图8）。

3.2.6顶板钢筋绑扎和混凝土浇筑

（1）穹顶结构与平顶结构顶板相比，若混凝土浇筑过程不对称，会使支架产生较大的水平荷载，造成支架发生失稳。因此，在混凝土浇筑前，首先采用有限元软件模拟浇筑过程，保证混凝土浇筑过程中支架体系的位移满足要求。

（2）混凝土分层分区对称浇筑，从拱脚位置开始对称缓慢均匀浇筑到拱顶位置合拢，混凝土每1 h浇筑高度小于30 cm。

（3）准备足够的木板（废模板）铺垫在绑扎好的钢筋上，以利行走和平仓振捣作业，浇筑完第二层混凝土将木板移走。

3.2.7支架顶部位移监测

（1）支架顶部沿顶板下沿布设监测点，每个截面布点7个，其中拱顶水平段3个，每侧弧形段2个；每段顶板选取3个截面布设点位。

（2）监测频次设定为每1 h一次，分别对3个截面21个点位的水平位移和竖向位移进行量测，并实时处理量测数据，若监测的数据超过预警指标，必须马上停止浇筑混凝土，按应急预案处理。

4支撑体系施工保证措施

（1）支架拼装之前必须使用水准仪将底座螺栓调至同一水平面上，否则会导致支架拼装困难。

（2）支撑架（盘扣式钢管支架）构件质量：严把材料关，构件应有出厂合格证及构件强度试验报告，进场材料进行外观质量及细部构件检查，不合格构件禁止使用。

（3）架体与已浇筑的混凝土中柱每隔2.5 m设置抱柱措施，架体两侧采用钢管脚手架+底托设置连墙件，钢管脚手架与架体立杆采用扣件连接，顶托顶至已浇筑侧墙或中隔墙上。

（4）架体下部设底托，可调底座调节丝杆外露长度不大于300 mm，最底层水平杆离地高度不大于550 mm；架体上部设顶托，顶托丝杆外露长度不大于400 mm，可调顶托伸出顶层水平杆长度不大于650 mm，且可调顶托插入立杆长度不小于150 mm。

（5）车站标准段为地下二层结构，每层支架搭设步距相同，保证竖向轴心传力，架体四周外立面向内的第一跨每层设置竖向斜杆，架体整体底层及顶层均设置竖向斜杆，并在架体内部每隔5跨由底至顶，纵横向均设置竖向斜杆或普管剪刀撑，盖板位置支架布设负一层只需布设立柱及后浇筑侧墙操作架。

5结束语

本文针对地铁车站大跨度无柱穹顶结构的穹顶部分、穹顶和矩形结构交接部分分别进行支架设计研究，并总结了车站穹顶结构顶部的施工关键技术，本文的施工方法，可确保施工安全大幅度提高地铁车站穹顶顶板结构的施工工效、施工质量，降低施工成本。

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［作者简介］韩旭（1993—），男，博士，工程师，主要从事施工技术研究和管理工作。