明挖车站大跨度无柱弧形顶板模架体系设计及施工技术

王同超，赵亮

（1.上海申铁投资有限公司，上海 200032；2.北京城建轨道交通建设工程有限公司，北京 100088）

1 引言

为了提高地下空间的利用率，提升乘客的乘车体验，大跨度无柱车站结构正在被越来越多地应用。 在众多的无柱车站设计方案中，大跨度弧形顶板车站，以其通透的空间结构成为未来车站设计的一个重要方向。 在众多的无柱车站设计方案中，大跨度弧形顶板车站，以其通透的空间结构成为未来车站设计的一个重要方向。 弧形结构因其结构复杂、施工操作难度大，很难采用传统方法进行施工[1-3]。

本文以郑州机场至许昌市域铁路工程（郑州段）港区北站大跨度无柱弧形顶板为研究对象， 设计出一种新型模板支架体系，并进行现场施工，总结出一套有效、可行的施工方法。

2 工程概述

郑州机场至许昌市域铁路工程（郑州段）港区北站位于巢湖路与长安路交叉口，车站为明挖地下两层岛式车站。 主体结构外包长度为320.10 m，结构净跨18.3 m，地板埋深20.86 m，车站覆土厚度为3.53 m。

为营造出开阔通透的乘车环境， 车站站厅层公共区（5～16轴）共100 m 长度结构采用无柱弧形顶板设计，此部位结构净跨18.3 m，拱高9.0 m，矢高5.05 m。顶板断面为拱形渐变式，拱顶弧形为变径结构，两侧拱脚部位半径为3.5 m，厚度3.2 m，中间部位弧形半径为14.5 m，厚度1 m。 图1 为港区北站结构断面图。

图1 港区北站结构断面图

3 顶板模板支撑体系设计

3.1 设计思路

传统明挖车站多为平顶直墙结构， 模架支撑体系难以拟合弧形断面，无法借鉴。 弧形顶板多见于暗挖隧道与暗挖法车站，多采用模板台车或钢拱架配合钢模板进行施工。 但模板台车造价昂贵、自重较大，如应用到本车站中，板将难以承受台车荷载且耗费大量资金，因此不宜采用[4]。

钢拱架配合钢模板方法较适用于本站， 此方法不仅能够拟合弧形结构，且自重较小、便于安装。 但明挖车站跨度远大于暗挖结构，设计时还需考虑以下问题：

1）断面跨度较大，钢拱架自重势必增加，如何解决钢拱架安装问题；

2）面板若全部采用钢模板，造价较高、施工烦琐，如何进行优化；

3）满堂支架搭设体量大、标高变化多，如何优化以便于支架搭设。

针对上述问题，结合实际情况，制定如下解决措施。

1）钢拱架采用拼装形式，设置多个连接点，降低每段钢拱架自重，便于人工安装。

2）本工程顶板两侧小半径弧形段受力较大且难以拟合，采用钢模板优势明显；中间大半径弧形段受力相对较小，采用木模板能满足受力，且可“以直代曲”拟合弧形截面；故此计划采用钢木混合结构，对节约成本亦有一定优势。

3）钢架采用桁架形式，在底部设置水平杆件，可以极大限度地减少标高变化，便于现场满堂支架搭设。

综上，最终研究决定借鉴暗挖施工工艺，采用盘扣式满堂支架做下部支撑， 上部采用拼装型桁架拱配合钢木混合面板的模架支撑体系。

3.2 模板支撑设计

支撑体系所用到的盘扣式脚手架均为重型（Z 形）盘扣脚手架[5]，立杆为60.3 mm，壁厚3.2 mm，附加水平杆、纵向连接杆直径为48mm，壁厚3.2mm 扣件钢管。立杆横向间距900mm，纵向间距600 mm，步距1 500 mm，根据设计模数配置相应的竖向及水平向斜杆。 模板配置采用钢木结合体系，两端小半径拱脚部位采用定制钢模板，中间大半径部分采用胶合板。 底部主龙骨采用I12.6 工字钢与方钢管构成的可拼装桁架龙骨。模板支撑体系横、纵面图见图2 和图3。

图2 顶板模架体系横断面图

图3 顶板模架体系纵断面图

两侧定制钢模板，宽度为600 mm，长度为1 200 mm，模板高度为115 mm，钢板厚度为4 mm，钢模板采用扣件连接构成整体。木模板面板采用15 mm 厚胶合板，次龙骨采用100 mm×100 mm 方木，间距250 mm。 拼装桁架拱共分为14 块进行现场拼装，采用ϕ20 mm 螺栓连接。

4 模架体系受力验算

4.1 面板及次龙骨受力验算

按照JGJ/T 231—2021《建筑施工承插型盘扣式钢管脚手架安全技术标准》[6]相关要求，模架体系受力验算，分别需要对面板、次龙骨、主龙骨及支架进行受力分析。 计算时面板、次龙骨可简化为平面模型进行计算。 计算结果见表1。

表1 面板及次龙骨受力验算

4.2 拼装桁架拱受力验算

型钢拼装桁架拱受力较为复杂， 采用SAP2000 软件进行二维计算分析，计算时钢模板位置受力取值q1=40 kN/m；木模板位置受力取值q2=30 kN/m； 取值差异更能贴合现场受力实际情况，模型如图4 所示。

图4 受力计算模型

在荷载作用下，型钢拱架最大弯矩M=8 747.29，如图5 所示；最大剪力V=24.5 kN，如图6 所示；最大变形值，如图7所示。

图5 弯矩受力计算图

图6 剪力计算图

图7 变形结果图

按上述计算结果，计算桁架拱受力，结果见表2。

表2 拼装桁架拱受力验算

4.3 满堂支架受力验算

满堂支架上部支座反力最大值F=86.32 kN，反力计算见图8。

图8 支座反力计算图

按此反力复核支架长细比、稳定性，结果见表3。

表3 满堂支架受力验算

综上，经过核算，支撑体系各部件受力均能满足要求，能够满足现场使用，但在施工时还应注意各部件连接的质量。

5 模架体系及混凝土施工

5.1 模架体系施工

模架体系施工顺序[7]：模架基底清理→支架体系搭设→调整顶托标高→吊装型钢主龙骨→拼装组合钢模板→拼装木模板。

满堂支架按照常设计的标高、 间距等参数以常规手法搭设即可，加强过程验收，确保架体满足设计要求即可，本文重点描述上部拼装桁架拱的搭设。

型钢拼装桁架拱采用定制加工而成， 共分为14 个弧形段，每个弧形段之间采用M20 螺栓连接。 由于型钢桁架左右对称，可分为7 段标准桁架（HJ-1～HJ-7）进行拼装，各标准段桁架采用I12.6 工字钢+方钢管焊接而成，最大质量为132 kg，见图9 和图10。

图9 型钢桁架拼装图

图10 型钢桁架构成图

拼装时， 一个断面可分为3 个部分即HJ-1～HJ-2、HJ-3～HJ-5、HJ-6～HJ-7，在地面预先拼装完成，之后通过吊车吊装到支架顶托上固定后再进行剩余部分连接。 为保证桁架龙骨的稳定性，沿车站纵向设置扣件钢管[8]，将每一部分桁架拉结成一个整体， 同时为了提高桁架龙骨抵抗水平方向侧压力的能力，沿车站横向设置通长水平扣件钢管，竖向间距50 cm。图11 为现场拼装照片效果图。

图11 现场拼装照片

上部拱架拼装完成后，进行钢、木模板拼装，由于采用钢木混合结构， 在拼缝位置材料刚度变化会引起沉降、 错台现象。 为此，在钢模板与木模板交界处密排三榀方木进行过渡。模板拼装时注意在拼缝之间放置止浆条。

5.2 混凝土浇筑施工

模架验收完成后[9]，进行混凝土浇筑。 由于混凝土浇筑顺序直接影响模架结构体系的受力，本站混凝土浇筑时采用两台泵车同时自两侧开始浇筑，控制混凝土的坍落度在160～180 mm，每次浇筑厚度不超过50 cm，保证每层振捣密实。 为防止弧面混凝土滑落，在两侧拱脚位置设置扣模，并控制混凝土浇筑速度，在本层混凝土临近初凝时再浇筑下层混凝土，最终在拱顶位置进行收面处理。

5.3 施工监测

混凝土施工过程中的监测项目主要包括： 模架体系的水平收敛、 沉降。 根据需要本站弧形段每仓各设置3 个监测断面，每个监测断面布置2 个水平位移观测点、3 个沉降观测点。监测控制值：水平位移值与垂直沉降值分别为10 mm、8 mm，预警值各取70%。

监测频率：钢筋安装过程中每隔2 h 观测一次；浇筑混凝土过程中实时监测[10]。

6 结语

港区北站主体结构弧形顶板段分5 仓浇筑完成， 根据现场施工监测情况，最大水平位移值为6.8 mm，最大沉降预警值为4.9 mm， 符合方案要求。 现场未发生跑模及大面积漏浆现象。 模架体系稳定，未发现失稳现象。 拆模后混凝土表面光滑平整，浇筑质量较好。 本工程共定制加工两仓型钢桁架龙骨共72 榀，组合钢模板476 块。施工简单易于拼装拆卸，成本较低，安全可靠，具有一定的推广价值。