轨道交通地下车站上盖钢结构施工方案的优化与应用*

郁政华

1. 同济大学土木工程学院 上海 200092；2. 上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

1 工程概况

轨交车站上盖是指利用轨道交通地下站的交通便利性，直接在其上方加盖商业商务、会展业、酒店、住宅等，从而方便乘客和吸引顾客，并带动商业圈的发展和提升。这种模式在国外已相当成熟，如日本的新京都车站，其用于车站的面积仅占总面积的1/20，这种轨道车站上盖物业、商业综合体不仅成为该区域的经济中心，同时还是重要的政治、文化中心，国内亦有成功的案例。

轨交车站上盖项目不同建设阶段，施工难易和施工成本不同，其中在已正常运营并形成一定商业规模的轨交站点上方加盖钢结构，施工难度最大。本文以中国博览会会展综合体项目为背景，重点介绍了此类项目的多方案优化应用[1,2]。

中国博览会会展综合体项目（北块）位于上海市西部，北至崧泽高架路南侧红线，南至盈港东路北侧红线，西至诸光路东侧红线，东至涞港路西侧红线，已运营的轨交2号线由东向西贯穿整个施工区域。项目总用地面积8.56×105m2，地上建筑面积1.47×106m2，地下建筑面积2.00×105m2。

E1商业中心正下方为轨交2号线徐泾东站车站区间和盾构区间，东侧跨越盾构区间，最大跨度达83 m，西侧跨越车站区间，最大跨度达117 m。E1商业中心与轨交区间的相对关系如图1、图2所示。

图1 E1商业中心与轨交2号线的相对位置

图2 E1商业中心与轨交区间平面关系示意

E1商业中心为钢框架-支撑筒结构体系。结构内径109 m，外径166 m。结构地下1层，地上8层，屋盖最高达43 m。钢结构总质量约27 300 t。

2 轨交车站上盖技术特点

由于徐泾东站已运营，轨交车站上盖项目涉及到邻近轨交的桩基施工、基坑开挖、车站出入口改造、上盖钢结构施工。项目开工前需做轨交设施安全性评估，施工方案设计须经过轨交运营方审查，项目施工须进行全过程第三方检测。轨交运营方要求：轨交区间内施工荷载不得大于20 kN/m2；加强轨交线路沉降监测，施工期间的累计沉降值小于10 mm。

E1商业中心钢结构规模体量大、跨度大，轨交车站区间、盾构区间对施工荷载非常敏感，故钢结构方案设计时，应重点分析结构施工对轨交车站、盾构区间的影响，在确保轨交在施工期间安全运营的前提下，综合考虑钢结构在施工过程中的应力、应变及施工工效、成本等。

3 轨交车站上盖多方案设计

针对E1的结构特点和难点，设计了4种钢结构施工方案，分别为：悬拼法、刚性支撑高空散装法、恒力支撑施工法、弹性支撑施工法[3]。

3.1 悬拼法

E1大跨度空间钢结构采用悬拼法施工。首先完成非转换区钢结构的施工；然后利用已完成的非转换区框架钢结构的自身刚度，从两边往中间悬拼2～6楼转换区钢结构；再利用合拢的6层以下转换区结构自下而上安装上部钢结构。施工示意见图3。

图3 悬拼法施工示意

3.2 刚性支撑高空散装法

全刚性支撑高空散装法，通过设置竖向刚性支撑，自下而上散装转换区钢结构。刚性支撑荷载通过大面积路基箱或钢梁予以扩散，控制在设计要求的荷载值之内。首先完成非转换区钢结构的施工；然后利用刚性支撑系统从两边往中间节间综合安装转换区2～6楼钢结构；再利用合拢的6层以下转换区结构自下而上安装上部钢结构；最后分阶段卸载刚性支撑，完成结构自施工状态至设计状态的转换。施工示意见图4。

3.3 恒力支撑施工法

图4 刚性支撑高空散装法施工示意

恒力支撑是一种利用液压千斤顶控制支撑轴力的支撑形式。恒力支撑施工法，通过设置竖向恒力支撑，自下而上散装转换区钢结构，恒力支撑荷载通过路基箱或钢梁予以扩散，控制在设计要求的荷载值之内。首先完成非转换区钢结构的施工；然后利用恒力支撑系统从两边往中间节间综合安装转换区2～6楼钢结构；再利用合拢的6层以下转换区结构自下而上安装上部钢结构；最后通过伺服控制系统分阶段卸载恒力支撑，完成结构自施工状态至设计状态的转换。施工示意见图5。

图5 恒力支撑施工法施工示意

3.4 弹性支撑施工法

弹性支撑是一种利用弹性支座实现支撑轴力控制的支撑形式。弹性支座如图6所示。在弹性支座内设置有m个碟形弹簧，共n组，通过对碟形弹簧进行预压的方法对弹性支座施加预紧力。弹性支座原理如图7所示。以1 000 kN的预紧力弹性支座为例，当弹性支撑轴力≤1 000 kN时，其支座刚度近似无穷大，支座位移值为0 mm；当弹性支撑轴力＞1 000 kN时，其支座随弹簧变形而发生位移，支撑轴力缓慢增大。

图6 弹性支座示意

图7 弹性支座原理示意

通过设置竖向弹性支撑，自下而上散装转换区钢结构，弹性支撑荷载通过路基箱或钢梁予以扩散，控制在设计要求的荷载值之内。首先完成非转换区钢结构的施工；然后利用弹性支撑系统从两边往中间节间综合安装转换区2～6楼钢结构；再利用合拢的6层以下转换区结构自下而上安装上部钢结构；最后分阶段卸载弹性支撑，完成结构自施工状态至设计状态的转换。施工示意见图8。

图8 弹性支撑施工法施工示意

4 轨交地下站上盖多方案设计优化应用

通过Midas有限元分析软件建立E1钢结构整体模型，定义边界条件及荷载。针对多方案各施工工况进行全过程施工模拟分析，并进行数据分析比较，最终确定最优施工方案。限于篇幅，略过施工模拟分析过程，以数表表述多方案结构变形值、应力值、支撑轴力的对比分析。

4种施工方法最终状态结构变形汇总比对如表1所示。

表1 不同施工方法下结构变形值（卸载完成后）

通过表格数值比对，我们不难发现，采用悬拼法施工的结构各项变形均远超设计值，结构变形难以控制；采用刚性支撑、恒力支撑、弹性支撑的施工方法均能有效控制结构变形，变形值均接近于原设计值。

4种施工方法最终状态结构应力汇总比对如表2所示。

表2 不同施工方法下结构应力值（卸载完成后）

通过表格数值比对，我们不难发现，采用悬拼法施工的结构应力、应力比均远超设计值；采用刚性支撑、恒力支撑和弹性支撑的施工方法均能有效控制结构应力、应力比，各值均接近于原设计值。

针对各类支撑在结构合拢时的轴力比较，综合分析各类支撑施工方法的优劣。结构合拢时，刚性支撑轴力、恒力支撑轴力、弹性支撑轴力如表3所示。

表3 支撑轴力值汇总（结构合拢时，单位：kN）

通过表格数值比较，结构在合拢状态下，采用刚性支撑施工时，支撑轴力最大达2 584 kN，无法满足轨交区间对轴力的控制要求；采用恒力支撑施工时，支撑轴力始终控制在1 200 kN、800 kN，满足轨交区间对轴力的控制要求；采用弹性支撑施工时，支撑最大轴力为1 415 kN，满足轨交区间对轴力的控制要求。在后续的卸载过程中，刚性支撑轴力局部会急剧递增，对轨交的安全保护极为不利；恒力支撑能做到同步卸载，支撑轴力可控；弹性支撑轴力会缓慢递增，轴力仍在可控范围内。

综上所述，恒力支撑施工法、弹性支撑施工法均能满足E1商业中心大跨度钢结构施工的要求。在现场可操作性上，弹性支撑施工法更优[4,5]。

5 结语

通过有限元分析软件对E1大跨度钢结构进行建模分析，研究了4种不同施工方案在各个施工阶段的结构应力、应变及对应支撑形式的轴力值。通过方案比对，最终确定了适用于轨交区间上方加盖大跨度钢结构的施工方案。

恒力支撑法、弹性支撑法都不失为一种好的施工方案，结合现场实际，弹性支撑法具有更强的可实施性。E1商业中心轨交地下站上盖钢结构主要采用了弹性支撑施工法进行安装，弹性支撑实现了转化区4层以下结构合拢前的结构精度控制和轴力控制，结构施工至8层，支撑轴力值仍满足设计要求。通过结构变形监测及轨交区间变形监测可知，弹性支撑在实际施工中取得了良好的效果，结构卸载完成后，最大变形值为-94 mm＜l/1 000，轨交区间在结构施工阶段累计沉降值小于10 mm，满足设计要求。