软土无柱大跨地铁车站施工期结构内力监测技术*

刘常浩，杨 勇，巩一凡

(1.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092； 2.上海轨道交通15号线发展有限公司，上海 200000)

0 引言

地下空间开发在扩大城市空间、缓解城市交通压力等方面显示了其独特的优越性，城市地下空间特别是地下交通设施的建设发展迅速。考虑到乘客的舒适性以及提升车站功能，现代地铁车站以大空间、大跨度、注重功能和舒适实用为发展方向，并充分利用合理的结构设计形式，体现出现代化交通建筑类结构物的特点。

近年来一些地铁车站已开始探索使用无柱大跨结构，如青岛地铁3号线保儿站、广州地铁2号线市二宫站、大连地铁兴工街站、北京地铁亦庄线宋家庄站—肖村桥站等就采用了无柱式地铁车站。

刘明保等基于对无柱大跨地铁车站建筑及结构特点与选型的阐述，结合广州地铁工程实际对大跨度车站结构形式及设计中的难点进行探讨，并提出了采取的构造措施；林作忠介绍了广州地铁2号线大跨度无柱车站的结构选型，并探讨了无柱大跨地铁车站的结构设计难点和应釆取的构造措施，认为是否采用大跨度无柱车站需因地制宜综合比选，研究成果有助于无柱大跨地铁车站的进一步发展。

从研究现状看，针对无柱大跨新型结构内力监测分析研究较少，特别是建造于软土复杂地区的地铁车站。因此，本文针对无柱大跨度新型地铁车站结构特点开展结构内力监测分析，为探索新的设计思路提供技术支持。

1 工程概况

上海轨道交通15号线吴中路站位于桂林路(吴中路—蒲汇塘)，为地下车站，该工程位于古河道沉积区，在65.43m深度范围内地基土属第四纪晚更新世及全新世沉积物，主要由黏性土、粉性土和砂土组成，分布较稳定，具有成层分布的特点。拟建场地地下水类型主要为松散岩类孔隙水，孔隙水按形成时代、成因和水理特征可划分为潜水含水层、(微)承压含水层。为减少地铁车站施工对上部居民出行的影响，创造地下车站大空间效果，降低人处于地下空间的压抑感，提高乘客的舒适感、空间感，该站采用大跨度无中柱地铁车站结构形式，如图1所示。

图1 吴中路无柱大跨车站横截面

2 监测内容与测点布置

无柱大跨车站结构由于取消了站内立柱，中板结构跨度达23m，在车站施工和运营阶段，中板承受各类竖向荷载，且在不利工况下局部可能存在拉弯受力状态，为本次重点监测对象。按照相关规范对中板进行了系统的安全监测，重点关注中板-侧墙接头、中板跨中等关键部位的内力和变形，进而对车站整体结构的施工全过程响应进行研究。监测断面共计布置10个钢筋应力测点(S1～S10)和10个混凝土应变测点(C1～C10)，分别布置在中板结构的西侧中板-侧墙节点、中板西侧1/4跨度位置，中板跨中、中板东侧1/4跨度位置以及东侧中板-侧墙节点，实现对整个无柱大跨度中板结构的内力监测。具体测点布置如图2所示。监测分析工况如表1所示。

图2 无柱大跨度中板内力监测点布置

表1 监测分析工况与施工进度

大跨度中板结构内力监测点布设，在中板混凝土浇筑之前，分别在中板结构上排和下排钢筋位置布设1组钢筋应力与混凝土应变监测点。钢筋应变计与结构受力主筋采用焊接连接的方式，使两者协同受力，确保应变计可以反映受力主筋的真实受力情况，混凝土应变计采用绑扎形式与结构受力主筋连接，浇筑混凝土后即与结构形成整体，对受力主筋附近的混凝土应变进行高精度测量。

3 监测结果与分析

3.1 无柱大跨受拉中板混凝土应变随施工进程曲线汇总分析

对吴中路站无柱大跨受拉中板上侧和下侧的混凝土应变监测数据随时间变化的结果进行汇总，得到监测设计断面中板混凝土应变随施工进程的变化曲线，如图3所示。

图3 吴中路站无柱大跨受拉中板混凝土应变监测数据处理结果

由图3可知，在结构拆模过程中，此时荷载主要为中板结构的自重作用，大部分混凝土应变测点均处于受拉状态，尤其是混凝土中板-侧墙节点上部混凝土会产生较大的拉应变，存在裂缝开展的可能。随着施工的进行，中板混凝土强度不断提高，并逐渐与侧墙混凝土连成一体，结构在较大水土压力作用下，除个别节点外，均逐渐呈现一种全断面受压的趋势。混凝土在受压状态下有很好的力学性能，此时中板结构处于比较安全的状态。

3.2 无柱大跨受拉中板钢筋应力随施工进程曲线汇总分析

对吴中路站无柱大跨受拉中板上侧和下侧的钢筋应力监测数据随时间变化的结果进行汇总，得到监测设计断面中板钢筋应力随施工进程的变化曲线，如图4所示。

图4 吴中路站无柱大跨受拉中板钢筋应力监测数据处理结果

由图4可知，在结构拆模过程中，此时的荷载主要为中板结构的自重作用，钢筋应力较小，基本处于受拉状态。随着侧墙以及顶板的施作，中楼板受力主筋与结构其他部分更好地结合，形成共同受力的整体，因而钢筋应力开始出现较为明显的增大，特别是中板-侧墙节点处的钢筋，在顶板施作后应力显著增大，出现这一现象的原因是吴中路站设计的拱形顶板对侧墙有明显的推力作用，推力传导至中板使得中板-侧墙节点产生拉力作用，应注意对中板侧墙节点的持续观测。

4 内力监测数据分析

4.1 无柱大跨中板断面混凝土应变分布随施工进程变化

选取吴中路站无柱大跨受拉中板整个断面上侧的混凝土应变监测数据根据施工进度进行汇总，得到监测设计断面中板混凝土应变随施工工况变化曲线，如图5所示。

图5 吴中路站无柱大跨受拉中板断面混凝土应变测点应变随施工工况变化曲线

由图5可知，在部分拆模阶段，混凝土应变测量结果呈现一定的对称性，受力主筋应力分布类似于两端固定梁。主要由于侧墙尚未施作，中板部件相对独立，仅受自重作用，荷载呈现对称特征。随着侧墙与顶板的施作，结构东侧混凝土呈现出压应变增大的趋势，与西侧形成一定差异，表明拱形顶板施作后，中板结构出现了受力不对称的情况。值得关注的是中板-侧墙节点混凝土拉应变较大，存在裂缝扩展的可能。

4.2 吴中路站无柱大跨中板断面钢筋应力分布随施工进程变化

选取吴中路站无柱大跨受拉中板整个断面上侧的钢筋应力监测数据根据施工进度进行汇总，得到监测断面中板钢筋应力随施工工况变化曲线，如图6所示。

图6 无柱大跨受拉中板断面钢筋应力随施工工况变化曲线

由图6可知，除现浇层施作时下排受力主筋的应力，其他钢筋应力测量结果均呈现出一定的对称性。中板侧墙节点钢筋应力表现为受拉状态，而其余测点基本为受压状态。钢筋应力最大值为72.4MPa，出现在现浇层施作时中板侧墙节点的下排受力主筋位置，表明顶板施作会对中板产生一定的拉力作用，且该作用并不完全对称。总体而言，钢筋应力数值较小，结构处于较为安全的状态。

5 结语

本文以上海地铁15号线吴中路站无柱大跨度新型地铁车站结构为例，开展施工期结构构件内力监测，实时获取该工程关键构件的力学变形规律，经过监测分析得到以下结论与建议。

1)总体而言，结构各主要部件应力应变数值较小，除混凝土可能存在局部裂纹外，整体结构处于安全状态。

2)中板混凝土浇筑后中板-侧墙节点混凝土拉应变较大，最大值近300με，超过混凝土单轴受力极限拉应变，存在裂缝扩展的可能，设计中可针对该节点进行针对性设计，如采用高强纤维混凝土进行加强。

3)拱形顶板对侧墙有明显的推力作用，推力传导至中板使得中板-侧墙节点产生拉力作用，导致钢筋拉应力及混凝土拉应变有较明显的提升，在局部不利区域可能导致混凝土结构开裂，应注意对中板侧墙节点的持续观测。