某地鐵車站半蓋挖法設(shè)計(jì)研究

阮國勇

(中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

0 引言

近年來，我國城市軌道交通建設(shè)發(fā)展迅速，為緩解自身的交通壓力，陸續(xù)有24個(gè)城市開始修建地鐵工程。地鐵車站一般位于城市干線，建設(shè)階段在主干線大范圍占道施工，對目前已經(jīng)緊張的城市交通更是堵上添堵。為緩解由施工引起的城市擁堵問題，廣州地鐵2 號線曉港站［1］、深圳地鐵1 號線崗廈站［2］、上海地鐵8號線陸家浜站［3］、上海地鐵11號線真南路站［4］均采用半蓋挖法進(jìn)行施工，其具體做法是在基坑的空間范圍內(nèi)敷設(shè)半幅臨時(shí)橋架結(jié)構(gòu)，作為施工機(jī)具空間和市政交通條件;但由于橋架結(jié)構(gòu)是臨時(shí)工程，后期有大量鋼結(jié)構(gòu)需要拆除，對車站主體結(jié)構(gòu)極為不利，而且橋身多為臨時(shí)鋼便橋，拆除時(shí)需要再次進(jìn)行交通疏解，導(dǎo)致交通不暢。

半蓋挖法施工的地鐵車站，如何能科學(xué)地組織結(jié)構(gòu)，有效地結(jié)合永久結(jié)構(gòu)和臨時(shí)工程，減少不必要的拆除工程和避免二次交通導(dǎo)改是目前面臨的又一課題。本文結(jié)合成都地鐵黃忠路口站設(shè)計(jì)實(shí)例，以永久結(jié)構(gòu)構(gòu)件作為半蓋挖橋系承重結(jié)構(gòu)的方法作相應(yīng)研究，對半蓋挖結(jié)構(gòu)主要工況作受力計(jì)算和分析。

1 工程概況

1.1 工程簡介

黃忠路口站是地鐵2號與7號線的換乘站，2號線車站主體沿蜀漢路布置，地下2層，7號線車站沿黃忠大道布置，地下3層。2站在交叉路口成“L”型節(jié)點(diǎn)換乘。黃忠路口車站為12 m雙柱島式站臺，頂板覆土3.25 m，車站長 181 m，軌面埋深 14.68 m，主體建筑面積7 734 m2，總建筑面積10 805 m2。本站地處城市西北，呈東西走向，規(guī)劃道路寬40 m，是都江堰、郫縣以及城西居民進(jìn)出成都的主要通道，車流量極大。黃忠路口站總平面圖見圖1。

黃忠路口站兩端區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，由于車站施工場地受限，盾構(gòu)到達(dá)本站后由站臺層直接通過車站。

1.2 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)

車站范圍內(nèi)從上至下地層是雜填土〈1－1〉、素填土〈1－2〉、粉土〈2－4〉、細(xì)砂〈2－5－2〉、中砂〈2－5－3〉、卵石土〈2－6〉。其中，主要有以下2種:

圖1 黃忠路口站總平面圖Fig.1 General plan of Huangzhonglukou station

1)雜填土〈1－1〉。褐黃、灰黑等雜色，松散，稍濕，由碎石、砂土、磚瓦碎塊等建筑垃圾組成，其間充填黏性土，分布于地表，層厚0.5 ～3.20 m。

2)卵石土〈2－6〉。青灰色，黃褐色，濕－飽和，卵石主要以巖漿巖、變質(zhì)巖類巖石組成。以亞圓形為主，少量圓形，分選性差，卵石含量50% ～85%，粒徑以20～80 mm為主，部分粒徑大于100 mm，充填物為中砂，局部夾漂石，埋深1.8 ～3.4 m。

場地地下水主要為砂、卵石層中的孔隙潛水。主要賦存于全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)的砂、卵石土中，砂卵石層含水豐富，含水層總厚度大于30 m。車站主體結(jié)構(gòu)基本位于該層砂、卵石土中，受地下水影響很大。

1.3 主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1)車站主體基坑安全等級為一級，主體結(jié)構(gòu)的安全等級為一級，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度，結(jié)構(gòu)按6級人防的抗力標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)算。

2)與土壤直接接觸的迎土面混凝土構(gòu)件的環(huán)境類別為I－B類。

3)地下水及地表水對混凝土及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋均無腐蝕性，但對鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性。混凝土抗侵蝕系數(shù)不得低于0.8。

4)結(jié)構(gòu)按最不利情況進(jìn)行抗浮驗(yàn)算，在不考慮側(cè)壁摩阻力時(shí)，其抗浮安全系數(shù)不得小于1.05。

2 車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)周邊環(huán)境

1)施工期間蜀漢路交通條件。作為成都市城區(qū)西部的主要交通干線，市交委對車站主體施工提出要求:主體施工期間，蜀漢路須滿足地面交通4個(gè)機(jī)動車道+2個(gè)非機(jī)動車道+人行通道匯合通行，所需地面道路寬度為3.5 ×4+2.5×2+4.5 ×1=23.5 m。

2)施工場地周邊環(huán)境。車站位于蜀漢路，規(guī)劃道路寬40 m，地面交通量大，施工場地相對緊張。因本站是換乘站，車站主體結(jié)構(gòu)總寬度相對非換乘站要大，為28 m。

車站周邊有重要建(構(gòu))筑物，上層建筑(混凝土18層)、新天地(混凝土18層)、黃忠加油站，道路北側(cè)老房子酒樓(混凝土7層)距離主體基坑5.4 m，距離出入口基坑2.2 m。

場地內(nèi)管線較多，主要有雨水、污水、給水、電力、通信、燃?xì)獾?。其中，道路中間有1根DN1 600鋼制的給水管，管底埋深約4.5 m，需要改移至主體結(jié)構(gòu)外。

3)車站埋深。車站頂板覆土3.1～3.7 m，底板埋深17.0～17.5 m，頂板位于粉土、細(xì)砂和卵石土交界面，側(cè)墻處于卵石土層，底板位于中密和密實(shí)卵石土層上。

4)施工組織。本站相鄰2區(qū)間均為盾構(gòu)法施工，附近無法為盾構(gòu)吊裝提供施工場地，本站采用增大地下2層結(jié)構(gòu)高度的辦法，使盾構(gòu)機(jī)直接通過軌行區(qū)。

2.2 車站的施工方法選定

施工方法的選擇與工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、城市規(guī)劃要求、周圍既有建筑物、管線及公交狀況及結(jié)構(gòu)形式等密切相關(guān)［5－6］。車站在外部條件許可的情況下，從工程施工難度、質(zhì)量、工期、造價(jià)的角度考慮應(yīng)選擇的施工方法依次為明挖法、半蓋挖法、蓋挖法和暗挖法［7］。其中，半蓋挖法是結(jié)合明挖和蓋挖的修筑方法［8］，施作整個(gè)車站的半邊橋梁體系，作為交通道路或施工場地，另外半邊作為施工出土和進(jìn)料的敞口。主體基坑一側(cè)為蓋挖，另一側(cè)為明挖，見圖2。半蓋挖法與其他施工方法的比較見表1。

表1 施工方案比較表Table 1 Comparison and contrast among different construction methods

圖2 半蓋挖法橫斷面Fig.2 Profile of foundation pit excavated by semi cover and cut method

根據(jù)市交委對此段路施工時(shí)的占道要求(需提供23.5 m寬的市政道路)，本站主體基坑施工階段不具備明挖的施工條件。若采用全蓋挖法施工，車站主體位于蜀漢路北側(cè)，出土和進(jìn)料僅能選擇在車站南側(cè)與黃忠大道的交叉口處(即2號風(fēng)井位置)，施工前需要先完成2號風(fēng)道的結(jié)構(gòu)頂板和2號風(fēng)井結(jié)構(gòu)，整個(gè)工期相對較長，不能滿足盾構(gòu)過站工程籌劃要求，故擬在半蓋挖和暗挖2種工法中進(jìn)行選擇。本站與7號線相接換乘，設(shè)計(jì)為雙柱12 m站臺，結(jié)構(gòu)寬度為20.5 m，若采用暗挖法施工，比較可行的是中洞法，就目前本站設(shè)計(jì)情況，車站覆土需加深3 m達(dá)到6 m左右，軌面埋深約17.0 m方能滿足主體起拱的條件，這樣導(dǎo)致工程施工和后期運(yùn)營費(fèi)用相對較高，此方法不夠經(jīng)濟(jì)，不推薦采納。由此，進(jìn)一步研究半蓋挖法。半蓋挖法常用主要形式有2種。

1)鋼格構(gòu)立柱樁+半幅臨時(shí)便橋形式。如廣州地鐵2號線曉港站、上海地鐵8號線陸家浜路站(見圖3)。

2)無柱鋪設(shè)鋼便橋形式。半幅便橋作為市政交通，半幅便橋作為施工運(yùn)輸空間。如成都地鐵1號線騾馬市站，軍用梁鋪設(shè)間距為2.4 m(見圖4)。

這2種形式都較好地解決了在狹窄的城市空間利用架設(shè)便橋來協(xié)調(diào)施工場地和交通的問題，從而能更快地進(jìn)行施工;但施工中架設(shè)的臨時(shí)便橋，在后期需要再次改移道路，進(jìn)行拆除，這對既有交通不利。黃忠路口站施工方案針對以上2種形式做了一些優(yōu)化，把永久結(jié)構(gòu)頂板和承重柱作為橋系結(jié)構(gòu)，不必對道路進(jìn)行再次改移，必然節(jié)約工期和造價(jià)。如果支撐的鋼管柱結(jié)構(gòu)受力允許，將不架設(shè)臨時(shí)格構(gòu)柱，這需要通過施工期間對橋架結(jié)構(gòu)受力和永久結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行比較。

2.3 半蓋挖結(jié)構(gòu)計(jì)算

黃忠路口站施工期間主要結(jié)構(gòu)斷面以圖2進(jìn)行擬定。由平面可知，離基坑最近的2幢建筑物是老房子和水景灣茶樓，約為5.4 m。本站在基坑施工中最不利工況是結(jié)構(gòu)底板已施作，拆除第2道支撐時(shí)。半蓋挖頂板上的覆土荷載和車輛荷載直接傳遞給結(jié)構(gòu)頂板和梁柱體系，由于頂板為半幅，所以受力較不利，而且有較長的縱向施工縫。

2.3.1 計(jì)算斷面擬定

根據(jù)圖2和車站周邊實(shí)際情況，擬定整個(gè)基坑計(jì)算簡圖如圖5所示。

2.3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

該基坑工程結(jié)構(gòu)由圍護(hù)結(jié)構(gòu)和豎向承重橋系結(jié)構(gòu)組成，可將2個(gè)結(jié)構(gòu)體系分開來計(jì)算，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用常規(guī)的“人工挖孔樁 +內(nèi)支撐”的體系，按 JGJ 120—1999《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》的要求，采用增量法，一級基坑，運(yùn)用理正深基坑6.0計(jì)算，得出基坑圍護(hù)體系符合技術(shù)要求。圍護(hù)樁包絡(luò)圖如圖6所示。

2.3.3 橋系結(jié)構(gòu)

豎向承重橋系結(jié)構(gòu)工程由半幅結(jié)構(gòu)頂板、梁和鋼管柱組成，其計(jì)算簡圖如圖7所示。車站東盾構(gòu)井段位于十字交叉路口，采用滿幅結(jié)構(gòu)頂板蓋挖，此站是以半蓋挖法為主并結(jié)合全蓋挖法的結(jié)構(gòu)形式。該站橋系結(jié)構(gòu)需要按荷載情況、施工方法，模擬開挖、回筑和使用階段不同的受力狀況，取最不利內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算。采用MIDAS GEN計(jì)算軟件建立三維計(jì)算模型(如圖8所示)。

2.3.3.1 計(jì)算參數(shù)

1)頂板覆土按3.35 m設(shè)計(jì)，為單層板多跨連續(xù)梁框架結(jié)構(gòu)。

2)頂板厚0.7 m，底板厚0.8 m，側(cè)墻厚0.6 m。跨度為8.4 m和9.0 m?；靥钔涟春粚?shí)黏土考慮。

3)地面超載標(biāo)準(zhǔn)值按照均布荷載Qm=20 kN/m2計(jì)算，頂板上土荷載 DBTU=20×3.35=67.0 kN/m2;頂板上施工荷載DBSG=5.0 kN/m2;北側(cè)對頂板水平支撐荷載DBZC=650 kN(間距3.5 m)。

圖5 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖(單位:kPa)Fig.5 Calculation sketch for retaining structure of foundation pit(kPa)

圖6 圍護(hù)樁包絡(luò)圖Fig.6 Envelope diagram of retaining pile

2.3.3.2 計(jì)算過程

設(shè)計(jì)中不考慮地震和人防等荷載偶然組合，并按照承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)2種工況驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在施工階段的結(jié)構(gòu)受力。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，影響蓋挖結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋設(shè)計(jì)主要是施工階段承載力極限狀態(tài)控制和正常使用極限狀態(tài)裂縫寬度驗(yàn)算。經(jīng)降水施工，計(jì)算時(shí)無水壓。

鋼管結(jié)構(gòu)支撐在頂板上，假設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)冠梁無水平位移，鋼管柱底部無相對位移，支撐與鋼管柱無連接。

計(jì)算軟件中定義的靜力荷載包括:豎向土壓力、側(cè)向土壓力、活荷載、社會車輛、施工荷載、自重、恒荷載、第1道鋼管撐等。

通過MIDAS GEN軟件計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)組合作用下的彎矩圖、軸力圖、剪力圖、扭矩圖，分別見圖9—13。

標(biāo)準(zhǔn)段因頂板土荷載只加載在頂板局部范圍，由計(jì)算結(jié)果來看，并沒有使用階段荷載值大;在東端盾構(gòu)井采用頂板全蓋挖，土荷載、地面超載等同于使用階段荷載，所以板的計(jì)算和設(shè)計(jì)均按照使用階段進(jìn)行控制即可。

梁在半蓋挖段和全蓋挖段的作用彎矩均不大于使用階段的情況，施工階段產(chǎn)生的扭矩最大值為29.1kN·m，通過構(gòu)造配筋可以滿足抗扭要求。

2.3.4 鋼管柱計(jì)算

半蓋挖法施工時(shí)，鋼管柱會產(chǎn)生一定彎矩值。由MIDAS計(jì)算時(shí)，鋼管混凝土柱與縱梁、板構(gòu)件固接，頂板彎矩有小部分傳至半蓋挖鋼管柱。以某一構(gòu)件為例，說明鋼管柱在施工中的穩(wěn)定性。

2.3.4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

水平力650 kN/4 m，D=700mm，t=16mm，C45混凝土，Q235鋼，L=12 500mm，豎向力F=3 460kN，彎矩設(shè)計(jì)值 M=117.5 kN·m。

2.3.4.2 抗彎承載力計(jì)算

按規(guī)程DBJ 13－51—2003驗(yàn)算。

壓彎構(gòu)件，鋼管混凝土構(gòu)件在一個(gè)平面內(nèi)承受壓彎荷載共同作用時(shí)，承載力計(jì)算如下:

鋼管混凝土截面含鋼率α=As/Ac=34381/350 464=0.098(As，Ac分別為鋼管和混凝土的橫截面面積)。

圓鋼管混凝土穩(wěn)定系數(shù)φ查表［9］，經(jīng)內(nèi)插計(jì)算得φ =0.84。

由《鋼規(guī)》和《混凝土規(guī)范》查得f=215 N/m2，fc=21.1 N/m2;fy=235 N/m2，fck=29.6 N/m2。

構(gòu)件截面約束效應(yīng)系數(shù)設(shè)計(jì)值ξ0=αf/fc=0.098×215/21.1=0.998。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)組合作用下的彎矩圖(單位:kN·m)Fig.9 Bending moment under standard comprehensive action(kN·m)

圖13 標(biāo)準(zhǔn)組合作用下板的彎矩圖(單位:kN·m)Fig.13 Bending moment of slab under standard comprehensive action(kN·m)

鋼管混凝土組合軸壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fsc=(1.14+1.02ξ0)fc=(1.14+1.02 × 0.998) × 21.1=45.54 N/m2。

構(gòu)件截面約束效應(yīng)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值ξ=αfy/fck=0.098 ×235/29.6=0.778。

構(gòu)件截面抗彎塑性發(fā)展系數(shù)γm=1.1+0.48ln(ξ+0.1)=1.1+0.48ln(0.778+0.1)=1.038。

鋼管混凝土構(gòu)件截面抗彎模量Wsc=πD3/32=π×7003/32=33 673 946.26 mm3。

鋼管混凝土構(gòu)件的抗彎承載力(極限彎矩)Mu=γmWscfsc=1.038 ×33 673 946.26 ×45.54 ×10－6=1591.784 kN·m ＞M=117.5 kN·m(設(shè)計(jì)彎矩)。

2.3.4.3 壓彎圓鋼管混凝土構(gòu)件計(jì)算

在一個(gè)平面內(nèi)承受壓彎荷載共同作用，依據(jù)參考文獻(xiàn)［9］得 ξ0=0.18ξ－1.15+1=0.18 × (0.778)－1.15+1=1.240。

因?yàn)?ξ=0.778 ＞0.4，則 η0=0.1+0.14 × ξ－0.84=0.1+0.14 ×0.778－0.84=0.272。

N/fsc=3460 ×1000/45.54=75977.16mm2(此處N為F，即軸力設(shè)計(jì)值)。

2η0φ3Asc=2 × 0.272 × 0.843× 3.14 × 7002/4=124 102.07 mm2。

因?yàn)?N/fsc＜2η0φ3Asc，則

鋼管混凝土組合軸壓彈性模量Esc=46 375 N/mm2(查表［9］可得)

歐拉臨界力 NE=πEscAsc/λ2=3.14×46 375×3.14 ×7002/4/71.422/1 000=10 994.935 kN。

查《鋼規(guī)》有端彎矩和橫向荷載，等效彎矩系數(shù)βm=1.0，當(dāng) N/fsc＜2η0φ3Asc時(shí)，依據(jù)參考文獻(xiàn)［9］得 －bN2/N2u－cN/Nu+(1/d)βmM/Mu=1.26 ×10－6－3.48 ×10－4+0.0845=0.0842 ＜1。

所以，鋼管柱滿足壓彎構(gòu)件要求。

2.4 半蓋挖結(jié)構(gòu)應(yīng)注意的幾個(gè)問題

1)本站半蓋挖頂板上的道路寬度，只占先期施工結(jié)構(gòu)頂板的1/2，結(jié)構(gòu)受力相對較小。如果整個(gè)半幅結(jié)構(gòu)頂板均填土鋪設(shè)道路，那么頂縱梁的抗扭剛度和柱的抗彎剛度須增大，必要時(shí)，還需設(shè)置臨時(shí)鋼立柱。建議:即使在鋼管柱抗彎剛度足夠情況下，鋼管柱也應(yīng)和水平鋼支撐有效拴接，減小其變形。

2)橋系半蓋挖部分結(jié)構(gòu)經(jīng)過1 a左右覆土壓載和車輛動載作用，承重圍護(hù)樁相應(yīng)產(chǎn)生沉降;主體結(jié)構(gòu)施工完成后較長時(shí)期內(nèi)，地基沉降才會趨于穩(wěn)定。蓋挖頂板和明挖結(jié)構(gòu)存在差異沉降，其位置在蓋挖頂板下后澆側(cè)墻，和蓋、明挖頂板相接處會產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力。應(yīng)在先期和后期結(jié)構(gòu)相連處設(shè)置微膨脹混凝土后澆帶，以減少差異沉降對結(jié)構(gòu)的影響。

本站圍護(hù)樁端和承重柱均位于密實(shí)卵石土層，承載力特征值為900 kPa，后期差異沉降在2 mm以內(nèi)，無明顯結(jié)構(gòu)變形。

3)蓋挖頂板和明挖頂板受力存在二次分配的問題，后期澆筑的明挖結(jié)構(gòu)加載后，蓋挖頂板撓度減小，頂縱梁扭度和鋼管柱曲度均減少，空間上呈扭轉(zhuǎn)態(tài)勢［10］。實(shí)際上這種應(yīng)力變化對結(jié)構(gòu)是不利的，應(yīng)加大板的配筋和柱的抗彎剛度，減小初始變形。

二次分配對結(jié)構(gòu)的影響，主要取決相臨板帶的寬度。單柱車站結(jié)構(gòu)，相臨板帶較寬，再次加載，先期施工頂板彎矩變化相對大一些。本站為雙柱結(jié)構(gòu)，先期施工結(jié)構(gòu)彎矩減少約3%。

4)這種半蓋挖法施工的頂板存在較長的縱向施工縫，澆筑明挖部分頂板時(shí)，應(yīng)分段設(shè)置后澆帶，分段長度不大于40m，采用提高一級的微膨脹混凝土后澆，減小混凝土收縮徐變的影響;也可在先期澆筑半蓋挖頂板的同期，澆筑一部分明挖部分頂板，根據(jù)施工的需要留足一定的出土的進(jìn)料孔，這樣對頂板結(jié)構(gòu)較為有利。

3 結(jié)論與建議

在狹窄的城市空間修建地下工程，既要滿足施工期間地面交通的要求，又要達(dá)到節(jié)約工期的目的。結(jié)合明挖和蓋挖的修筑技術(shù)，創(chuàng)新采用半蓋挖法，協(xié)調(diào)解決了施工用地和快速施工的要求，取得一定的經(jīng)濟(jì)和社會效益。通過對黃忠路口站的設(shè)計(jì)研究，結(jié)論和建議如下。

1)臨時(shí)橋系半蓋挖法施工存在工序繁多、施工效率低、投資大等缺點(diǎn)，優(yōu)化后的方案工序大為簡化，避免不必要的拆除工作和二次市政占道，同時(shí)節(jié)省了臨時(shí)工程的安拆相關(guān)費(fèi)用。

2)覆土深度在3 m左右的地鐵車站，可將頂板和承重柱直接作為橋系結(jié)構(gòu)，并提供約6 m寬的地面交通;如果覆土深度在1 m以內(nèi)的地鐵車站，則可提供約10 m寬的地面交通。

3)圍護(hù)樁和鋼管柱作為豎向承重構(gòu)件，保證其壓彎穩(wěn)定性極其重要，必要時(shí)應(yīng)將水平支撐和豎向鋼管柱協(xié)同布置，并有效拴接。

4)為控制明挖基坑整體穩(wěn)定性，第1道水平支撐中心宜與頂板結(jié)構(gòu)水平中心重合。

5)本文僅對先期施工頂板的部分空間加以利用，如果作進(jìn)一步深入研究，將整個(gè)半蓋挖結(jié)構(gòu)頂板都作為地面交通，則城市交通將得到更好地改善;但橋系結(jié)構(gòu)豎向荷載增加較大，對橋系結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求更高，承重柱整體穩(wěn)定性問題將成為主要控制因素。

［1］ 楊峻.半蓋法施工在廣州地鐵曉港站工程中的應(yīng)用［J］.廣東土木與建筑，2002(3):18－19.

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