楊世東，劉慶方

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

0 引言

伴隨著國內(nèi)經(jīng)濟實力的不斷提升，越來越多的城市開始規(guī)劃或正在實施地鐵工程建設，出現(xiàn)了越來越多的換乘車站。以長沙最先實施建設的長沙地鐵2號線一期工程為例，全線共設置車站19座，其中，換乘車站10座，比例超過50%。考慮到國內(nèi)大部分地鐵換乘站建設分階段實施的特點［1－6］，換乘站換乘節(jié)點的預留對地鐵工程的建設及施工尤為重要。目前國內(nèi)常用的換乘節(jié)點預留方式有2種:1)一次性將換乘節(jié)點做出來，即節(jié)點預留;2)考慮近期只預留圍護樁、永久結構柱，僅為后期施工預留可實施條件，即樁柱預留。樁柱預留近期不需一次性將節(jié)點做出，具有近期投資少、遠期站線路及建筑布置靈活、近期站施工工期短等優(yōu)點，已經(jīng)被越來越多地應用在換乘節(jié)點的設計中。

在國內(nèi)外關于換乘節(jié)點的預留設計研究中，研究對象主要集中在節(jié)點預留型式運營工況下的內(nèi)力分析部分，如利用總體模型及子模型研究移動列車荷載作用下的地鐵換乘節(jié)點中板內(nèi)力狀況［7］;利用空間計算模型分析十字換乘車站換乘節(jié)點處板、梁、柱的受力特性［8］。上述研究考慮的工況較單一，且只適合節(jié)點預留的換乘車站，而樁柱預留的換乘車站不僅要考慮以上因素，還要考慮不同施工工況對換乘節(jié)點構件所產(chǎn)生的影響。

本文結合近、遠期車站各施工工況下的結構受力形態(tài)，給出換乘節(jié)點構件隨施工階段產(chǎn)生的內(nèi)力變化規(guī)律，提出構件設計的控制工況;考慮到樁柱預留型式換乘節(jié)點的另一核心內(nèi)容為立柱樁的設計與施工，因此，結合已運營的成都地鐵某蓋挖換乘站樁柱預留的實施情況，說明樁柱預留型式節(jié)點重點需要解決的技術難題;為節(jié)省投資、縮短工期及方便施工，探索了利用圍護結構支撐換乘節(jié)點的方法;為保證近期站的正常運營、控制節(jié)點的沉降與變形，考慮工序轉換的影響，給出了遠期站的施工方法。

1 換乘節(jié)點在不同工況下的受力形態(tài)分析

對于樁柱預留型式的換乘節(jié)點而言，以十字換乘車站為例，換乘節(jié)點隨近、遠期施工工況的不同，其受力形態(tài)會發(fā)生較大變化。比較典型的主要有3種工況狀態(tài)(遠期站建成后的運營工況不起控制作用，此處略去):1)近期站建成后運營，遠期站尚未施工，換乘節(jié)點頂板承受水土壓力及超載作用，側墻承受水土壓力作用，底板承受水頭壓力及底部土體的彈抗作用;2)近期站處于運營狀態(tài)，遠期站施工開挖至近期站底板，換乘節(jié)點頂板承受地面超載及土壓力作用，側墻無荷載，底板承受立柱及土體彈抗作用;3)遠期站開挖至基坑底部，換乘節(jié)點頂板承受地面超載及土荷載，側墻無荷載，近期站底板承受運營后的移動列車荷載。3種工況的計算模型如圖1所示。

以近、遠期均為12 m寬雙柱島式站臺十字換乘樁柱預留型式車站為例，車站覆土厚度考慮為3 m，利用有限元結構計算軟件得到3種工況的內(nèi)力圖，如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可知，頂板邊支座、頂板中間支座及頂板跨中彎矩的變化趨勢如圖4所示，底板邊支座、底板中間支座及底板跨中彎矩的變化趨勢如圖5所示。

根據(jù)內(nèi)力分析可知，施工工況對構件的受力形態(tài)影響較大，隨著施工工況的不同，構件的內(nèi)力有明顯的重分配現(xiàn)象。

對于頂板而言，遠期站施工時，頂板邊支座彎矩明顯減小，相對于遠期站未施工時減小25% ～32%;頂板中間支座彎矩明顯增大，相對于遠期站未施工時增大約10%;頂板邊跨跨中彎矩明顯增大，相對于遠期站未施工時增大約23%。對于底板而言，支座彎矩及跨中彎矩隨著遠期站施工內(nèi)力的降低而逐漸減小，當遠期站開挖至近期站底板以下時，底板受力狀態(tài)發(fā)生轉換，底板受拉區(qū)變?yōu)槭軌簠^(qū)，受壓區(qū)變?yōu)槭芾瓍^(qū)。對于梁而言，由于換乘節(jié)點柱產(chǎn)生豎向位移，梁的計算模型可考慮為中間支座有一定剛度、可產(chǎn)生位移的彈性支座［9］，結構設計根據(jù)此原則進行。

2 換乘節(jié)點處立柱樁設計及施工技術

以已建成運營的成都地鐵某蓋挖換乘站樁柱預留型式換乘節(jié)點為例，換乘節(jié)點處立柱樁的設計及施工技術如下。

2.1 立柱樁與梁(板)結構體系的連接技術

樁柱預留換乘節(jié)點立柱一般采用鋼管混凝土柱，便于立柱與梁(板)結構的連接［10］。由于采用逆作法施工，立柱頂面支撐頂部梁板結構體系，立柱與頂梁鉸接，設置L型抗剪鍵防止立柱與頂梁(板)的水平滑移，立柱與頂梁(板)的連接構造如圖6所示。

圖6 立柱與頂梁(板)連接大樣Fig.6 Details of connection between vertical columns and roof beam(slab)

圖7為立柱與中梁(板)連接大樣圖，施工中板前，將抗拉鋼板(含抗拉支撐鋼板)、抗剪鋼板、抗剪鋼牛腿等構件焊接至事先預留好的抗拉鋼套箍上，將梁板受力鋼筋焊接在抗拉鋼板上，澆筑混凝土后即可使之成為整體結構，從而保證梁柱節(jié)點的有效連接。

圖7 立柱與中梁(板)連接大樣Fig.7 Details of connection between vertical columns and intermediate beam(slab)

換乘節(jié)點處底梁(板)與立柱的連接可以參考立柱與中梁(板)的連接方式，不同的是支座負彎矩的方向，底梁支座的受拉鋼筋位于梁的下部，所以，連接受力鋼筋的抗拉鋼板應設置于底梁的下側，抗剪鋼板設置在上側，底梁(板)與立柱的連接見圖8。

2.2 立柱基礎

立柱基礎的作用主要有2個:1)承受施工期間上部換乘節(jié)點的荷載，2)運營期間作為抗拔樁使用。立柱基礎可設計為樁基礎或淺基礎，考慮到遠期站施工時負3層結構范圍內(nèi)土體挖除的影響，立柱基礎可能會由樁基礎轉變?yōu)闇\基礎，基礎的承載能力明顯降低;因此，立柱基礎在設計及施工時應予以重點關注。

2.3 鋼管柱的定位

鋼管柱的定位會對建筑功能及結構受力產(chǎn)生較大影響，因此，需設計如圖9所示的定位裝置，從而保證定位的準確性。利用定位錐保證其中心定位的準確性，利用3個調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)其垂直度。

3 利用圍護結構支撐換乘節(jié)點

對于樁柱預留的換乘節(jié)點，宜優(yōu)先考慮采用圍護結構支撐換乘節(jié)點，以方便施工及節(jié)省投資。一般而言，可支撐換乘節(jié)點的圍護結構主要有2類，一類為連續(xù)墻結構，具有連續(xù)性、受力均勻的特點;另一類為排樁支護結構，為非連續(xù)結構，需在樁頂設置冠梁使其成為連續(xù)結構，通過冠梁轉化支撐換乘節(jié)點。

對于十字換乘型式的節(jié)點，換乘節(jié)點由節(jié)點兩側預留半截墻(樁)及節(jié)點中間預留鋼管柱支撐。對于T型或L型換乘的節(jié)點，節(jié)點端部圍護結構不能直接支撐在近期站底板上，應根據(jù)施工工況采取特殊處理，利用端部圍護結構支撐換乘節(jié)點。圖10為典型的T型(L型)蓋挖換乘車站樁柱預留節(jié)點示意圖。

圖10 T型換乘節(jié)點樁柱預留示意圖Fig.10 Sketch of reservation of piles and columns of T-shaped interchange node

由圖10可知，節(jié)點端部圍護樁對節(jié)點的支撐作用主要分為2個階段。第1階段為近期站施工階段，將頂板結構外伸搭在節(jié)點周邊樁頂冠梁上，近期站蓋挖施工時，頂板上部荷載傳遞至圍護樁及中部鋼管混凝土柱上，保證下部蓋挖施工的安全;第2階段為遠期站站臺層施工階段，由于近期站的運營(端部圍護結構盾構穿越段圍護樁斷掉，失去支撐作用)及遠期站的開挖，端部及兩側圍護結構在該階段失去支撐作用，需在近期站端部底板與圍護結構間進行界面劑處理，在底板與圍護結構間設置企口或錨固鋼筋［11－13］等，利用圍護結構支撐換乘節(jié)點，由于錨固筋植筋會對防水層造成破壞，應優(yōu)先采用企口連接形式。根據(jù)連續(xù)墻的特點，換乘節(jié)點蓋挖施工至底板時，可將底板標高處連續(xù)墻保護層鑿除，在底板與連續(xù)墻間設置企口連接兩結構，連接大樣如圖11所示。

圖11 利用連續(xù)墻支撐換乘節(jié)點構造圖(單位:mm)Fig.11 Structure of interchange node supported by diaphragm wall(mm)

根據(jù)排樁的特點，由于其為非連續(xù)結構，可將底板標高處的圍護樁保護層鑿除，在底板與支護樁間設置企口連接兩結構，連接大樣見圖12。

圖12 利用圍護樁支撐換乘節(jié)點構造圖(單位:mm)Fig.12 Structure of interchange node supported by retaining piles(mm)

4 遠期站施工方法及主要施工注意事項

車站分階段實施，后期車站實施時先期車站一般處于運營狀態(tài)，施工對節(jié)點處構件受力影響較大［3］，因此，應選擇合適的施工方法控制施工造成的變形。遠期站施工進程與節(jié)點受力工況的轉換關系如表1所示。

表1 遠期站施工進程與換乘節(jié)點受力工況轉換關系Table 1 Construction procedure of long-term station VS stressing conditions of interchange node

由表1可知，遠期站開挖至近期站底板下方時，換乘節(jié)點受力工況2瞬時轉換為工況3，不利于控制節(jié)點的沉降。為有效控制換乘節(jié)點梁板體系的變形，建議采取措施使節(jié)點從工況2向工況3逐漸轉換，因此，節(jié)點負3層土方開挖宜采用分塊開挖并支護的方式進行施工。圖13為某已建成的蓋挖換乘站換乘節(jié)點遠期施工方法圖。

遠期站蓋挖節(jié)點施工時應重點注意:1)由于負3層土方開挖的原因，臨時立柱的基礎承載力可能會大幅度降低，立柱基礎可能由原樁基礎轉變?yōu)闇\基礎;因此，遠期站開挖時應盡量減少對遠期站底板以下土體的擾動，尤其是嚴禁超挖，保證臨時立柱基礎的承載力，確保上部結構的安全。2)土方開挖應盡量采用橫向分塊開挖形式，預留一定的核心土，縱向開挖應控制進尺長度，建議開挖長度不大于5 m即進行支護，保證工況2向工況3的逐漸過渡，控制節(jié)點沉降，降低對近期站運營的影響。

圖13 換乘節(jié)點遠期施工方法圖Fig.13 Construction program of interchange node in long term

5 結論與建議

5.1 結論

1)根據(jù)換乘節(jié)點在不同施工工況下的受力形態(tài)可知，施工對節(jié)點受力有較大影響，隨著遠期站施工的進行，頂板邊支座彎矩相對于施工前減小25% ～32%，頂板中間支座彎矩相對于施工前增大約10%，頂板邊跨跨中彎矩相對于施工前增大約23%;底板彎矩由于受力方式的改變，受拉區(qū)與受壓區(qū)互換，彎矩反向，剪力也有較大變化?？梢?，換乘節(jié)點構件的受力不僅受使用情況的影響，還受施工受力體系轉換的影響，結構設計時應予以重點關注。

2)中立柱應盡量選用鋼管混凝土柱，鋼管柱設置抗拉鋼板及抗剪鋼板，便于與梁(板)結構體系連接。

3)應盡可能利用既有圍護結構及中立柱支撐換乘節(jié)點，圍護結構支撐換乘節(jié)點的設計及施工應考慮工序的轉換。T型(L型)換乘節(jié)點可在近期站底板與圍護結構間設置企口(齒槽)，使工況2向工況3轉換時端部圍護結構可作為節(jié)點的支撐使用。

4)遠期站施工時，節(jié)點蓋挖施工應橫向分塊開挖，縱向開挖應控制進尺長度，使換乘節(jié)點受力逐步由工況2向工況3轉換，減少節(jié)點的變形，保證運營安全。

5.2 建議

對于樁柱預留型式換乘節(jié)點尚有較多難以解決的技術難題，建議下一步通過模型試驗對立柱樁與混凝土梁板結構連接點處的受力機制進行研究，摸清鋼管柱與混凝土梁板節(jié)點處彎矩分配規(guī)律及剪力狀況。通過模型試驗、動力及疲勞試驗等方法進一步研究T型換乘車站，利用圍護結構與近期站底板間設置企口來支撐換乘節(jié)點，摸清圍護結構與近期站底板間企口的抗滑移狀況，為后期設計提供理論依據(jù)。

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