地鐵車站軍用梁鋪蓋法施工設計

1 工程概況
南京地鐵二號線一期工程新街口站位于南京市商業中心地區新街口,車站以新街口環島為中心分為兩段呈東西向布置。西端布置在漢中路路中,東段布置在中山路路中,地面交通十分繁忙,車流密度大,與南北向1號線新街口站呈“T”形相交并相互換乘。環島下為一號線和二號線共用的大圓盤地下結構,該圓盤已隨一號線新街口站施工完畢。
新街口站的總建筑面積為24918m2,其中主體建筑面積22275m2,附屬面積2644m2,車站長414.4m,寬21.6m,車站總高約12.69m。頂部覆土約2.836m,車站為3‰坡,西高東低。
新街口站為地下二層島式車站,車站有效站臺寬度14m,地下一層中央為站廳層,兩端為商業區,地下二層為站臺層,該站主體結構采用軍用梁滿鋪的鋪蓋法施工,以鉆孔咬合樁(直徑800,咬合厚度200mm)為車站圍護結構。
2 車站臨時鋪蓋工程施工設計總說明
為了最大限度減小車站施工對地面交通的影響,同時滿足車站工期要求,結合車站范圍內的地質資料,新街口車站采用滿足城市A級道路荷載和交通能力要求的軍用梁等構件快速形成臨時路面系統,東段、西段主體結構均采用軍用梁滿鋪的鋪蓋順作法倒邊施工,保證東西向15m寬(4車道)通行能力。
本車站軍用梁均采用單層加強型六四式軍用梁,跨度分別為24m和28m,24m跨度的軍用梁應用于車站主體結構(除東西端頭井)部位,軍用梁榀中心間距為1.0m(局部3.52m、0.6m);28m跨度軍用梁應用于東、西端頭井部位,軍用梁榀間距為0.6m。東段鋪蓋共設置24m跨度軍用梁139片、28m跨度軍用梁35片,設置4個出土口,出土口大小為8.85m×3.0m,出土口距東段兩端頭約為23.5m,中間間距為40.0m;西側鋪蓋工程共設置24m跨度軍用梁185片、28m跨度軍用梁12片,設置5個出土口,出土口大小也為8.85m×3.0m,中間間距為40.0m。現僅以24m跨度軍用梁為例,介紹其施工設計方案。
本工程基坑寬為23.3m,鋪蓋結構擬采用長24.3m加強型六四式軍用梁。加強型六四式鐵路軍用梁是我國自行研制的中等跨度適用的一種鐵路橋梁搶修制式器材,是一種全焊構架、銷接組裝、單層或雙層的多片式、鋼橋面體系的拆裝式上承鋼桁梁。本設計采用單層結構,選用加強型單層六四式軍用梁(由加強三角架和輔助端構架組合而成)。
主體結構施工前,先處理好北邊15.0m寬軍用梁鋪蓋工程下的地下管線,再施工該處的鉆孔咬合樁,待鉆孔咬合樁施工完畢后,施工樁頂冠梁,待結構混凝土達到強度后,開挖該段第一層土方,并架設軍用梁,鋪設臨時路面,然后恢復北邊軍用梁鋪蓋工程處地面交通,然后倒邊施工南邊剩余9.3m寬軍用梁鋪蓋工程。
倒邊鋪蓋軍用梁分2期圍擋施工,1期圍擋內進行北邊15.0m寬4車道臨時鋪蓋工程施工,臨時鋪蓋軍用梁每片總長24.3m,1期鋪設的軍用梁每片長15.0m、間距1m(靠近出土口間距0.6m);2期圍擋內施工南邊臨時鋪蓋工程,臨時鋪蓋軍用梁每片長9.3m,此范圍內的9.3m長軍用梁與1期已施工15.0m軍用梁按照規范連接起來,最終形成每片長為24.3m軍用梁鋪蓋系統工程。
3 車站臨時鋪蓋工程詳細設計方案
3.1 軍用梁結構及橋面系設計方案
根據蓋挖順作倒邊施工方案,軍用梁各部件用平板拖車運至現場,在現場完成拼裝施工,在第一層土方開挖及鋼支撐施工完成后,用25t吊車吊裝到位。軍用梁便橋臨時鋪蓋系統的結構形式設計:車站主體結構蓋挖順作倒邊施工部分采用加強型六四式軍用梁支撐形式和橋面系組成。軍用梁只用作承托臨時鋪蓋及地面車輛等荷載。
3.2 加強型六四式軍用梁結構及其承臺設計
本車站軍用梁均采用單層加強型六四式軍用梁,跨度為24m,應用于車站主體結構部位。軍用梁榀中心間距為1.0m(出土洞口寬3m,出土洞口外圍軍用梁榀中心間距0.6m);軍用梁系統結構采用斜向及縱向聯結系,以加強軍用梁整體穩定,所有的縱向聯結構件均為軍用梁系列定型產品。
為滿足軍用梁鋪蓋倒邊施工的需要,保證1期圍擋內臨時鋪蓋工程的穩定性和安全性,1期圍擋內施工的臨時鋪蓋軍用梁兩端固定方案為:北端為L形圍護樁承臺,南端為1000mm×600mm混凝土支撐墩+鋼板樁擋土墻,支撐墩設置正對于軍用梁的加強三角下支撐點,鋼板樁擋土墻深為5.0m。2期圍擋內施工臨時鋪蓋軍用梁時,需拔除1期施工完成的南側鋼板樁。1、2期圍擋見圖1和圖2。

3.3 橋面系統設計
根據設計文件及加強型六四式軍用梁橋面系使用規范,為盡可能減輕軍用梁上荷載,又能滿足減振、安全要求,考慮只在北側雙向4車道15m寬的臨時鋪蓋上設置行車橋面系,滿足A級荷載要求。因此,車站主體北側16m寬橋面系,沿車站東西向先鋪設40cm寬、5cm厚、間距3m木板(設在鋼板下層,起減振、降低噪聲作用),再沿南北向鋪設單層2cm厚防滑鋼板(鋼板采用A3花紋鋼板,規格尺寸為12m×2m),最后在3m寬出土口部位東西向再鋪設一層6m寬、9m長、2cm厚防滑鋼板局部加強。根據設計檢算,為滿足龍門吊將蓋挖土方吊至地面后暫時棄于南側橋面上,在臨時棄土范圍內鋪設1.2cm厚鋼板以滿足施工要求。
3.4 蓋挖順作配套施工設計
施工時以中間臨時立柱為分隔線,兩側均采用兩臺電動葫蘆提升、拼裝鋼支撐。在軍用梁架設之前,完成第一道鋼支撐掏槽、導梁和L形支撐承臺施工,然后架設軍用梁、鋪設橋面系,完成臨時鋪蓋工程,快速形成道路交通。
對于蓋挖段軍用梁下面的支撐架設,為滿足鋼支撐架設需要,還設置了4道東西向導梁,導梁采用I20形工字鋼,位于軍用梁及第一道鋼支撐下,且緊貼第一道鋼支撐,兩側導梁通過在冠梁下預埋吊鉤焊接牛腿,安裝電動葫蘆;中間兩道導梁采用“U”形卡和鋼梁、螺栓固定導梁于軍用梁上,每根導梁上安裝1臺10t電動葫蘆,利于鋼支撐拼裝和架設。施工時以中間臨時立柱為分隔線,兩側均采用2臺電動葫蘆提升、拼裝鋼支撐。在軍用梁架設之前,完成第一道鋼支撐掏槽、導梁和L形支撐承臺施工,然后架設軍用梁、鋪設橋面系,完成臨時鋪蓋工程。臨時鋪蓋系統完成之后,通過沿車站縱向布置的導軌梁和橫向的桁車天梁下懸吊的10t電動葫蘆配合進行車站鋼支撐架設、土方倒運和模板、鋼筋等材料運輸。土方開挖時主要采用挖掘機輔助開挖倒運。


3.5 軍用梁行車和堆土時的荷載驗算
3.5.1 荷載驗算前提條件
材料為15MnVq、16Mnq鋼材,車速不超過3km/h,城市A級荷載。
3.5.2 計算模型
通過單層24m跨度加強型六四式軍用梁交通通行和臨時堆土受力計算采用韓國MidasCivil671軟件計算,Midas為空間結構通用有限元計算軟件,內建了國內各種規范規定的材料和荷載,包括城A和各種型鋼材料和截面。本次計算加載為加強型六四式軍用梁結構。


本結構取一片梁建立模型,每片梁間距1m,每片梁間以橫向連接系連接,結構計算沿縱向(車行方向)取1m進行荷載簡化,計算結構模型見圖3,取本標段的第2期圍擋所示為計算工況。
　　在計算模型的左邊15m(軍用梁北側)范圍為雙向4車道車行范圍,汽車活載按城市A級荷載考慮。臨時路面系統考慮為2cm厚鋼板,在每個出土口范圍,由于梁片間跨度達3m,需另外在上面再鋪一張6m寬、9m長、2cm厚鋼板,局部加強。
在計算模型的右邊9m(軍用梁南側)范圍為出土口施工范圍,為在軍用梁上臨時堆土考慮,在軍用梁上鋪設一層1.2cm厚鋼板,在出土口的兩側分別考慮臨時平鋪一定高度的開挖土方。
3.5.3 荷載
(1)恒載
結構自重:鋼材容重78.5kN/m3。橋面鋼板自重:2cm厚鋼板、寬15m,1.2cm厚鋼板,寬9m。q1=78.5×0.02=1.57kN/m;q2=78.5×0.012=0.942kN/m。
土的自重:按試算法考慮的松土厚度為1.8m,松土的平均容重為16kN/m3,則q3=1.8×16=28.8kN/m。
(2)活載
汽車活載:城市A級車輛荷載,4車道布置,車道折減系數0.67。
縱向分布系數:城A車輛荷載為輪間距1.8m,車道間距1.3m。縱向車隊取2個最重軸,軸重140kN,輪重70kN,兩重軸間距1.2m。其作用影響范圍,考慮橫向聯系位置,取4m,即總共4片梁承受。縱向分布系數=2/4=0.5。
沖擊系數μ=0.6686-0.3032×lg(24)=0.25。
3.5.4 荷載組合
結構自重+橋面鋼板自重+土的自重+汽車活載×0.67×0.5×(1+0.25)。
3.5.5 單元內力計算結果
計算結果數值以拉為正,以壓為負,計算結果如表1所示。
3.5.6 結論
在出土口兩側允許平均堆土厚度1.8m的情況下,以上各桿件都滿足承載力的要求。其中最外端加強三角的外斜桿,是整體承載力控制桿件。本結構按縱向(車行方向)4m計算,如果覆土不是集中在4m寬范圍內,可按照體積相應提高容許土層厚度。在平均堆土厚度為1.8m的情況下,按高峰期單個出土口每天最大可出土300m3考慮,則出土口兩側允許堆土寬度的范圍為300/(9×1.8)=18.5m,即出土口單側考慮9.3m就可以滿足施工出土高峰期需求。實際施工中可考慮在其余地段也滿鋪鋼板,用作堆放鋼支撐等其他施工材料。
4 結語
南京地鐵二號線新街口車站采用在國內較少運用的軍用梁鋪蓋法施工技術,半蓋挖、半明挖,倒邊施做圍護結構,分期形成臨時路面桁架梁鋪蓋體系,加強型六四式鐵路軍用梁因其良好的承載性能和拆裝簡便的特點,在鋪蓋順作法方案中得到了很好運用。該方案與暗挖法和全蓋挖法相比降低了工程難度和造價,節約了工期,而且使地鐵施工對地面交通、周邊建筑物和環境的影響降到最低限度,真正體現了“車在地上走,施工地下行”的現代施工技術新理念,具有較高的科研、經濟和社會推廣價值。