复杂地铁车站格构柱托换技术研究

■ 中铁第六勘察设计院集团有限公司 孙浩

随着经济社会的迅猛发展，地铁工程建设方兴未艾。地铁车站基坑常采用明挖法施工，地铁区间隧道一般采用盾构法施工。随着车站规模的增大，地质与结构形式的复杂性提高，工期要求也越来越严格。由于工期的不确定性，车站支护结构侵入盾构过站范围内的情况愈发普遍，为满足区间洞通节点，必须对侵入盾构过站范围内的支护结构进行托换、割除。如何确保临时立柱托换后支护体系的安全以及将结构的影响降低，是一个亟须解决的问题。

目前，关于托换技术的研究主要有：缪军采用型钢托换方式有效解决了逆作法中偏位钢格构柱对正式结构施工的影响[1]；史金洪采取H形临时支撑体系对既有结构进行加固，采用纵筋穿过桩体及预留桩顶钢筋的方法，把既有桩、钢管柱与托板连成一个整体完成了桩基托换[2]；刘方明介绍了因大盾构整体始发要求，采用钢梁及钢管柱体系托换标准站单柱，从以上计算及现场实施效果分析可知，临时结构托换技术解决大直径盾构整体始发对地铁车站结构的影响问题是可行的，且临时结构托换体系对原结构尺寸未产生影响[3]。

本文以徐州地铁1号线一期工程彭城广场站临时格构柱托换工程为例，采用结构计算，并结合现场实测，研究混凝土梁柱托换体系的可行性与安全性。

1.工程背景

1.1 工程概况

彭城广场站为徐州市轨道交通1号线一期工程的中间站，与2号线换乘，两线采用换乘厅通道换乘，两线车站同期实施。本站周边环境较为复杂、地下管线较多，对施工过程变形控制要求高。

图1 车站支撑平面布置图

其中，1号线车站采用分离岛车站形式，右线和部分左线为地下单层车站，马蹄形断面，采用CRD法施工，暗挖断面跨度为11.5m，高度为10.57m。右线单层车站结构总长136m；左线为地下四层车站，与明挖厅合建，采用明挖顺作法施工，为地下四层多柱多跨框架结构。明挖结构外包总长为140m，结构宽度为56.15m。2号线为地下三层明挖岛式站台车站，主体采用半盖挖顺作法施工，车站结构总长为217m，标准段宽为22.9m，结构高位20.35m。1号线左右线车站结构均提供盾构过站条件，1号线大里程端提供盾构接收，小里程暗挖端头提供盾构始发（图1）。

1.2 围护结构

彭城广场车站围护结构采用地下连续墙+内支撑型式形式，围护结构与车站主体结构侧墙采用复合式结构。

其中，1号线明挖厅部分：1号线明挖厅主体基坑长142m，标准段宽度58m，车站基坑为坑中坑形式，围护结构采用800mm厚地下连续墙，支撑共设置五道C30混凝土支撑，支撑竖向间距为7.2m、6.15m、5.95m、4.6m、6.69m。车站临时立柱采用600×600格构柱，格构柱由4L200×20的角钢+钢缀板焊接而成，格构柱基础为1200mm钻孔灌注桩（图2）。

根据原工程筹划，盾构过站时1号线明挖厅结构尚未封顶，为满足始发工期安排，盾构过站时需割除最下层临时钢格构柱后才能至左线暗挖隧道内始发（图3）。

图2 车站围护结构横断面图

图3 盾构左线线路与格构柱平面关系图

图4 托换梁平面布置图

2.托换方案设计

2.1 托换体系设计概述

托换原理使内支撑因格构柱拆除所产生的附加内力通过传力构件传递给具有足够承载力的第三方，从而形成新的受力体系，达到新的受力平衡。

针对车站内狭窄场地深大基坑施工难的特点，采用新建换撑结合原有部分支撑，形成空间组合式支撑，共同抵抗结构竖向力。这种新型换撑体系保留部分原竖向支撑，在空间受力较大的部位新建支撑，与原有支撑共同构成稳固的空间框架体系，抵抗竖向和水平受力。

2.2 组合式换撑体系设计方案

平面布置：格构柱割除前，首先在负三层结构中板上施作1200mm（宽）×1500mm（高）钢筋混凝土托换梁，同时在格构柱上焊接钢牛腿锚入托换梁内部，便于钢筋焊接，且增加格构柱与托换梁接触面积；在负三层结构中板梁下方增加φ609、t=16mm临时钢管柱，充分利用既有结构梁柱体系，形成门式托换组合结构，待托换横梁养护达到设计强度后，结合监测结果进行格构柱割除作业。托换梁平面布置图，如图4所示。

截面设计：托换横梁上层主筋采用18C28，下层主筋34C32，箍筋为C14@100，全长加密。托换梁受力主筋应全部穿过格构柱，由于格构柱角钢阻挡穿不过的主筋，采用U型钢筋焊接绕开格构柱，同时扩大跨中梁截面；托换梁浇筑时立柱节点位置应加强混凝土振捣。同时在格构柱内焊接钢牛腿，增加格构柱与托换梁接触面积，保证有效传力。配筋截面与牛腿焊接位置，如图5所示。

表1 托换梁配筋计算结果汇总表

为满足后期结构使用功能，托换梁采用整体切割吊装方式破除，设计考虑在横梁底与负三层结构面预留100mm绳锯切割作业空间，方便后期破除作业。

3.托换体系计算

结构计算具体应用SAP2000软件，采用“荷载-结构”模型，按平面杆系有限元法进行配筋计算。

根据荷载统计，栈桥板下路面板的格构柱所受力轴力最大为4991KN。托换梁配筋计算结果，如表1所示。

格构柱托换后，托换梁与钢管柱为承受竖向力的主要构件，为此，仅考虑新支撑体系完成后的施工工况。由计算结果可知，托换梁强度计算满足规范，托换梁挠度计算值f=11.668mm＜L/400=21.375mm满足规范要求。托换柱稳定满足要求，强度满足要求。

4.现场监测结果分析

根据托换体系与永久结构转换过程对板的监测要求，在实际施工过程中，对负三层结构中板竖向位移分别进行监测。监测到的竖向位移值为8mm，根据《混凝土结构设计规范》中3.4.3条规定，结构允许挠度限值为l/400，约为21.375mm，因此，结构板实际变形满足规范要求。另外，根据裂缝监测结果，负三层中板上下侧裂缝均未超过0.3mm，也满足规范要求。

5.结语

本文针对盾构空推过站时，与临时钢立柱发生空间位置冲突，需要对临时钢格构柱进行切除、托换的问题进行研究。以徐州地铁1号线彭城广场站格构柱托换为工程背景，提出了适用于复杂车站环境中立柱托换的施工方法，以保证整个支护体系的安全及盾构顺利过站，其可借鉴的特点及优势在于：一是新建托换梁受力合理、传力清晰且具有足够的强度、刚度，托换完成后立柱附加沉降满足规范要求；二是施工方便、缩短施工周期；三是合理利用已完成结构板及梁柱体系，在保留原有支撑体系基础之上，降低工程成本；四是由于托换梁采用的是混凝土结构，在使用阶段需将其进行凿除，凿除施工时，设计已在托换梁与负三层结构面预留绳锯操作空间，后期采用进行破除，对永久结构影响相对较小。