“站橋合一、先橋后站”蓋挖地鐵車(chē)站關(guān)鍵施工方案的比選與優(yōu)化

劉蘇明，石達(dá)強(qiáng)

(北京中鐵隧道建筑有限公司，北京 100022)

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，城市地鐵在城市交通中的作用越來(lái)越明顯，許多城市都在修建地鐵。地鐵項(xiàng)目均處在城市繁華地段，周邊建筑物林立，地下管線密集，環(huán)境極其復(fù)雜。由于受地鐵線路等各種外界條件的限制，地鐵車(chē)站的布設(shè)越來(lái)越困難，出現(xiàn)了許多新的地鐵車(chē)站布設(shè)形式，“站橋合一、先橋后站”蓋挖地鐵車(chē)站就是其中之一。在復(fù)雜環(huán)境條件下，影響“站橋合一、先橋后站”蓋挖地鐵車(chē)站施工的因素很多，施工極其困難。因此，需要對(duì)施工方案進(jìn)行比選、優(yōu)化，以保證施工安全和質(zhì)量，并盡量提高施工方案的可操作性和經(jīng)濟(jì)性。

文獻(xiàn)［1－3］介紹了蓋挖逆作法的設(shè)計(jì)、施工及在我國(guó)地鐵工程中的應(yīng)用情況;文獻(xiàn)［4－6］介紹了深基坑開(kāi)挖、圍護(hù)結(jié)構(gòu)施作、變形等情況;文獻(xiàn)［7－9］介紹了基坑工程支撐系統(tǒng)的拆除方法。盡管這些文獻(xiàn)對(duì)蓋挖逆作法地鐵車(chē)站基坑開(kāi)挖、支護(hù)及支撐系統(tǒng)拆除做了詳細(xì)描述，但是均未涉及復(fù)雜環(huán)境下“站橋合一、先橋后站”這種特殊的地鐵車(chē)站形式。本文以復(fù)雜環(huán)境條件下某“站橋合一、先橋后站”地鐵車(chē)站基坑為例，對(duì)基坑開(kāi)挖方案、鋼管柱吊裝方案及鋼筋混凝土支撐體系拆除方案進(jìn)行比選及優(yōu)化，以期為今后復(fù)雜環(huán)境條件下其他“站橋合一、先橋后站”地鐵車(chē)站基坑施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某地鐵車(chē)站位于城市主干道交叉路口，地面交通繁忙。為緩解交通壓力，路口處采用“站橋合一”形式，即先修建跨線橋以疏解交通(目前該跨線橋已開(kāi)通運(yùn)營(yíng))，后期在橋下修建地鐵車(chē)站，車(chē)站與跨線橋平行，位于其正下方，橋樁即為車(chē)站中柱。該車(chē)站下穿城市一環(huán)路隧道，與隧道斜交57°。橋、隧、站立體關(guān)系見(jiàn)圖1。車(chē)站為雙層雙島式三線換乘車(chē)站，局部單層、二跨、三跨、五跨，標(biāo)準(zhǔn)段寬 40.9 m，總長(zhǎng) 298.65 m，頂板覆土約3 m，底板埋深約20 m，中間暗挖下穿公路隧道，兩端蓋挖順作。地鐵車(chē)站下穿公路隧道段寬40.9 m，長(zhǎng)33 m;兩端蓋挖段長(zhǎng)分別為67.3 m和198.35 m。車(chē)站總建筑面積為22 095.2 m2，共設(shè)4個(gè)出入口、3組風(fēng)亭。

車(chē)站周邊建(構(gòu))筑物眾多，醫(yī)院、學(xué)校、飯店、商鋪及居民住宅樓鄰近，距離車(chē)站主體結(jié)構(gòu)最小距離僅3.5 m。且車(chē)站位于老城區(qū)，站位處地下管線種類(lèi)齊全、數(shù)量眾多，有雨污水管、給水管、煤氣管、電力管、通訊管等，整體呈“蛛網(wǎng)狀”覆蓋車(chē)站。

車(chē)站范圍內(nèi)地層主要以卵石土層為主，卵石體積分?jǐn)?shù)為60% ～80%，最大粒徑30 cm，地下水滲透性強(qiáng)，地下水位埋深6 m。已通過(guò)人工降水把地下水位降至車(chē)站底板以下2 m。

圖1 跨線橋與車(chē)站縱剖面關(guān)系圖Fig.1 Longitudinal profile showing relationship between overpass bridge and Metro station

2 原設(shè)計(jì)施工方案

由于該車(chē)站周邊環(huán)境復(fù)雜，施工條件惡劣，且與橋、隧立體交叉，施工難度大，招標(biāo)時(shí)綜合考慮場(chǎng)地、交通等外部條件，確定車(chē)站主體采用“蓋挖順作法+下穿隧道暗挖法”施工，且在基坑出土方案、結(jié)構(gòu)柱安裝、內(nèi)支撐體系等方面均做了專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)。

2.1 土方開(kāi)挖方案

車(chē)站蓋挖部分招投標(biāo)方案分為2部分:1)頂板以上淺基坑采用明挖法施工，地模法施作頂板，且頂板橫向倒邊施作;2)在頂板上連續(xù)預(yù)留多個(gè)出土孔(西段頂板2個(gè)、東段頂板6個(gè))配合吊車(chē)出碴。

招標(biāo)方案擬定時(shí)主要考慮以下3點(diǎn)因素:1)受跨線橋影響，橋下出碴條件差，且周邊建(構(gòu))筑物鄰近，場(chǎng)地狹小，因此在頂板上跨線橋范圍以外預(yù)留出土孔;2)交通疏解要求高，不得已頂板倒邊施工，且出土孔預(yù)留在主體一側(cè);3)工期緊，采用多孔多吊車(chē)“遍地開(kāi)花”式出碴方案。

招標(biāo)方案的缺點(diǎn)也很明顯:頂板倒邊施作將留下縱向施工縫，后期頂板易產(chǎn)生裂縫;多吊車(chē)出碴方案，出碴效率低，滿(mǎn)足不了工期要求，且施工投入大、成本高。

2.2 鋼管柱吊裝方案

車(chē)站共有85根鋼管柱，其中33根與跨線橋(橋樁)共用，且均已完成，因此車(chē)站需新建52根鋼管柱。車(chē)站頂板至橋底凈高1.4～9 m，受空間限制，橋下新建12根鋼管柱無(wú)整體吊裝條件，招標(biāo)采用分節(jié)吊裝方案。但由于“站橋合一”模型，施工過(guò)程中鋼管柱力學(xué)工況復(fù)雜，因此，鋼管柱設(shè)計(jì)采用22 mm厚Q345C特種鋼，且要求所有焊縫質(zhì)量達(dá)到一級(jí)。

招標(biāo)時(shí)考慮到車(chē)站運(yùn)營(yíng)后鋼管柱的美觀，要求分節(jié)吊裝鋼管柱，采用現(xiàn)場(chǎng)焊接連接;但此方案的缺點(diǎn)是受環(huán)境影響，一級(jí)焊縫質(zhì)量在現(xiàn)場(chǎng)很難達(dá)到。

2.3 鋼筋混凝土支撐體系拆除方案

車(chē)站西端基坑緊鄰2002年修建的36層商務(wù)樓(距離6.5m)和1982年修建的9層商務(wù)酒店(距離4.5m)。商務(wù)樓地下室2層，2 m厚筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深11 m;酒店為磚砌條形基礎(chǔ)，埋深3 m;而車(chē)站基坑深度約20 m，且基坑輪廓極不規(guī)則。

由于此基坑周邊環(huán)境惡劣、受力工況復(fù)雜，招標(biāo)設(shè)計(jì)方案為坑內(nèi)“1道鋼支撐+3道鋼筋混凝土支撐”。本基坑支撐體系的施工難點(diǎn)在于鋼筋混凝土支撐的拆除。投標(biāo)時(shí)考慮到便于人工操作，并綜合考慮工期等因素，選用了靜態(tài)破碎方案，即:在混凝土澆筑前，在支撐中部選取一段(1.0～1.5 m)，在垂直方向預(yù)埋2排φ50 mm的PVC管，PVC管水平間距50 cm;支撐拆除時(shí)，向預(yù)留孔內(nèi)裝入微膨脹劑，通過(guò)膨脹力破碎混凝土支撐。

后經(jīng)實(shí)踐證明，靜態(tài)破碎耗時(shí)較長(zhǎng)，效果不佳，且混凝土結(jié)構(gòu)脹裂后反而將混凝土支撐變成了危險(xiǎn)源，危及施工安全。

3 施工方案比選及實(shí)施效果

3.1 土方開(kāi)挖

3.1.1 方案比選

原“多孔多吊”出土方案與“出土孔上配龍門(mén)吊+局部坡道”優(yōu)化方案的對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 “多孔多吊”出土方案與“出土孔上配龍門(mén)吊+局部坡道”優(yōu)化方案比較Table 1 Comparison and contrast between original mucking scheme and optimized mucking scheme

由于受跨線橋的凈高、孔跨長(zhǎng)度及橋墩緊鄰出土孔等因素的影響，龍門(mén)吊方案采用不同擺放形式的固定式龍門(mén)吊。東端場(chǎng)地，由于受場(chǎng)地和跨線橋的限制，靠東側(cè)出土孔無(wú)法安設(shè)龍門(mén)吊，故只能在靠西側(cè)的出土孔安設(shè)2臺(tái)固定式龍門(mén)吊(見(jiàn)圖2);西端場(chǎng)地，在大出土孔位置上安設(shè)2臺(tái)平行的固定式龍門(mén)吊(見(jiàn)圖3)。由于固定式龍門(mén)吊不具備行走功能，其作業(yè)范圍有限，降低了方便程度。

僅采用垂直提升出碴不能滿(mǎn)足工期要求，因此必須考慮增加其他輔助出碴措施。通過(guò)反復(fù)測(cè)算，決定在東、西兩端各設(shè)置1條坡道，輔助出碴。在東端結(jié)構(gòu)變斷面處南側(cè)設(shè)置1條坡道出碴，并預(yù)留1塊頂板暫不澆筑，以滿(mǎn)足車(chē)輛進(jìn)出高度需求;在西端南側(cè)外掛結(jié)構(gòu)處設(shè)置1條坡道出碴。由于站位處地下管線密集，因此確定坡道方案后，立即著手改移坡道處地下管線，為實(shí)施坡道方案提供條件。

3.1.2 實(shí)施效果

1)東段基坑出土效果。由于場(chǎng)地條件較好，坡道能夠直接延伸至基坑底部，因此，自卸汽車(chē)可直接開(kāi)至基坑底部，出碴效果良好;坡道最后剩余土方需要采用汽車(chē)吊垂直出土;固定式龍門(mén)吊由于受車(chē)站頂板荷載(覆土厚度)的限制，臨時(shí)儲(chǔ)碴場(chǎng)容量有限，必須邊出碴邊運(yùn)碴，出碴效率相對(duì)較低。

2)西段基坑出土效果。由于受場(chǎng)地條件的限制，坡道不能直接延伸至基坑底部，只能下至距離基坑底4 m處，且坡度較陡，自卸汽車(chē)不能直接下至掌子面。因此，只能采用裝載機(jī)配合挖掘機(jī)接力出土，坡道處剩余4 m范圍的碴土采用龍門(mén)吊垂直出碴。西段基坑施工投入、施工成本相對(duì)較高。

與原“多孔多吊”出土方案相比，最終采用的“出土孔上配龍門(mén)吊+局部坡道”優(yōu)化方案滿(mǎn)足了工期要求，保證了施工安全，施工投入、成本也大幅降低。

圖2 東端場(chǎng)地坡道及龍門(mén)吊位置圖Fig.2 Ramp on east end of site and positions of portal cranes

圖3 西端場(chǎng)地坡道及龍門(mén)吊位置圖Fig.3 Ramp on west end of site and positions of portal cranes

3.2 鋼管柱吊裝方案

3.2.1 方案比選

鋼管柱設(shè)計(jì)材質(zhì)為Q345C特種鋼，厚度為22mm。由于受橋下凈高限制，12根鋼管柱需現(xiàn)場(chǎng)連接。經(jīng)多方咨詢(xún)調(diào)研，此厚度一級(jí)焊縫需分3次方可焊滿(mǎn)，現(xiàn)場(chǎng)露天環(huán)境下很難達(dá)到一級(jí)焊縫質(zhì)量，且吊裝時(shí)也不易操作。因此，分節(jié)鋼管柱施工質(zhì)量保證難度極大。

為了確保鋼管柱的施工質(zhì)量，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件出發(fā)，對(duì)這12根鋼管柱的連接方案進(jìn)行優(yōu)化，決定采用現(xiàn)場(chǎng)法蘭連接方案。原鋼管柱現(xiàn)場(chǎng)焊接方案與鋼管柱現(xiàn)場(chǎng)法蘭連接優(yōu)化方案的對(duì)比分析見(jiàn)表2。

法蘭在工廠加工并與管段焊接，現(xiàn)場(chǎng)僅實(shí)施高強(qiáng)螺栓連接。

法蘭位置的選取需滿(mǎn)足2個(gè)條件:1)通過(guò)對(duì)鋼管柱位置處的跨線橋至車(chē)站頂板的凈高測(cè)算出每根鋼管柱位置處的可起吊高度，從而確定鋼管柱分節(jié)長(zhǎng)度;2)分節(jié)位置應(yīng)盡量避開(kāi)車(chē)站裝修后的公共使用區(qū)，減少對(duì)車(chē)站空間使用效果的影響。

表2 原鋼管柱現(xiàn)場(chǎng)焊接方案與鋼管柱現(xiàn)場(chǎng)法蘭連接優(yōu)化方案的比較Table 2 Comparison and contrast between original steel pipe column connecting method and optimized steel pipe column connecting method

由于受跨線橋凈空的影響，無(wú)法支立井式門(mén)架，起吊鋼管柱難度大，不易操作。通過(guò)比選，選用三腳桅桿、起重纜風(fēng)繩和電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)組成的吊裝設(shè)備。

3.2.2 實(shí)施效果

1)分節(jié)吊裝實(shí)施效果。通過(guò)驗(yàn)算，三腳桅桿、起重纜風(fēng)繩和電動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)組成的吊裝設(shè)備滿(mǎn)足施工要求，實(shí)施情況如圖4所示。分節(jié)吊裝鋼管柱采用法蘭連接，比現(xiàn)場(chǎng)焊接連接施工更能夠保證鋼管柱連接質(zhì)量，施工速度快，操作方便，連接質(zhì)量檢測(cè)均合格。

2)整根吊裝實(shí)施效果。采用吊車(chē)雙機(jī)抬吊，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工需要，安全、快捷。如圖5所示。

3.3 鋼筋混凝土支撐體系拆除

3.3.1 方案比選

投標(biāo)方案為靜態(tài)破碎后采用“人工+風(fēng)鎬”破除方法拆除混凝土支撐。本工程混凝土支撐距底板高度約5 m，若采用風(fēng)鎬破除，現(xiàn)場(chǎng)破除難度較高，且時(shí)間較長(zhǎng)，滿(mǎn)足不了工期需要。為了克服原投標(biāo)方案的不足，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，經(jīng)調(diào)查研究，初步擬定爆破方案和金剛石繩鋸切割方案作為備選方案?！办o態(tài)破碎+人工+風(fēng)鎬”方案、爆破方案、金剛石繩鋸切割方案比較見(jiàn)表3。

表3 “靜態(tài)破碎+人工+風(fēng)鎬”方案、爆破方案、金剛石繩鋸切割方案的比較Table 3 Comparison and contrast among“static fracturing +manpower+pneumatic pick”scheme，blasting scheme and diamond cable saw cutting scheme

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，經(jīng)上述對(duì)比分析后，最終確定采用金剛石繩鋸切割方案。

3.3.2 實(shí)施效果

為了保證施工安全，采用搭設(shè)腳手架、鋪設(shè)方木等措施墊實(shí)混凝土支撐，切割后分段吊運(yùn);為了控制成本和保證現(xiàn)場(chǎng)施工安全，混凝土支撐切割成1.5～2 m/段，每段質(zhì)量約4 t。由于車(chē)站底板已施工完成，存在多條上翻梁(比底板高1.1 m)，因此，已吊運(yùn)下架的混凝土支撐在站內(nèi)倒運(yùn)困難，站內(nèi)運(yùn)輸時(shí)間長(zhǎng)。金剛石繩鋸切割加工和吊運(yùn)見(jiàn)圖6和圖7。

4 結(jié)論與討論

“站橋合一、站隧斜交、兩層三線換乘、先橋后站施工”車(chē)站由于受環(huán)境條件影響，在土方開(kāi)挖、鋼管柱吊裝、鋼筋混凝土支撐體系拆除等方面施工難度很大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)原方案進(jìn)行了優(yōu)化，最終采用了“出土孔上配龍門(mén)吊+局部坡道”開(kāi)挖出土方案、鋼管柱現(xiàn)場(chǎng)法蘭連接方案及金剛石繩鋸切割鋼筋混凝土支撐體系方案。

盡管優(yōu)化方案取得了較好的效果，但在出土龍門(mén)吊的設(shè)置、出土斜坡道的設(shè)置、鋼管柱分節(jié)長(zhǎng)度、鋼管柱連接法蘭位置的確定、鋼筋混凝土支撐在站內(nèi)的倒運(yùn)等方面，仍需要做進(jìn)一步優(yōu)化。

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