城市復(fù)雜條件下地鐵車站蓋挖法的應(yīng)用

劉明友

(北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司，北京 100037)

1 概述

現(xiàn)在城市交通擁擠問題已成為制約城市發(fā)展的瓶頸，因此國內(nèi)的許多城市都把目光放到了地下軌道交通上。截止到2013年3月，國內(nèi)有35個(gè)城市修建地鐵獲得國家審批。同時(shí)，地鐵已不單單是能解決交通擁堵，而是成為集地鐵車站、地下商場、人行過街通道、市政工程于一體的大型綜合性多功能建筑物。

地鐵車站是整個(gè)地鐵系統(tǒng)的重要組成部分，車站型式的選擇需要多方案比較、綜合考慮，既要滿足使用功能的要求，又要結(jié)構(gòu)合理，方便施工。同時(shí)車站型式的選擇是否合理，對線路埋深、工期及土建工程造價(jià)和環(huán)境等具有較大的影響，直接影響到全線的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

地下車站結(jié)構(gòu)型式和施工方法的選擇，受沿線工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件以及所處環(huán)境、地面建筑物、地下構(gòu)筑物、道路交通等因素的影響和制約，方案的選擇不僅要滿足地鐵工程本身的使用功能，同時(shí)也要滿足合理開發(fā)利用地上、地下有效空間的要求，并考慮施工給周圍環(huán)境帶來的不良影響。

地鐵的施工現(xiàn)在多采用明挖法，明挖法是地下車站諸多施工方法中較為經(jīng)濟(jì)，且技術(shù)安全可靠的一種施工方法。在條件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用明挖法施工。明挖法是利用預(yù)先施作的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，從地面開始往下挖到基坑底部，施工車站結(jié)構(gòu)再回填路面恢復(fù)到原狀。明挖法施工的缺點(diǎn)是:施工期間占地范圍大，對地下管線和道路交通等有較大影響，遷移某些重要管線會(huì)產(chǎn)生高昂的費(fèi)用。于是蓋挖法應(yīng)運(yùn)而生，蓋挖法是先做圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)保護(hù)下施工主體結(jié)構(gòu)頂縱梁和頂板，然后恢復(fù)路面系統(tǒng)，管線也遷移到位。因此，蓋挖法是一種比較快速經(jīng)濟(jì)的施工方法。根據(jù)施工工序的不同，蓋挖法一般可分為蓋挖順作法(臨時(shí)便橋法)、蓋挖逆作法、蓋挖半逆作法。1)蓋挖順作法:先施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)及臨時(shí)路面，恢復(fù)交通。之后在臨時(shí)路面下方，按明挖順作法的施工順序開挖土方、施作主體襯砌結(jié)構(gòu)。2)蓋挖逆作法:先施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)及中間樁，基坑開挖至結(jié)構(gòu)頂板底面，澆筑頂板結(jié)構(gòu)，恢復(fù)地面道路，然后在頂板、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及中間樁的保護(hù)下，自上而下開挖土方并施作主體結(jié)構(gòu)。3)蓋挖半逆作法:蓋挖半逆作法與逆作法的區(qū)別僅在于頂板完成及恢復(fù)路面后，向下挖土至設(shè)計(jì)標(biāo)高后先澆筑底板，再依次向上逐層澆筑側(cè)墻、樓板。在半逆作法施工中，一般都必須設(shè)置橫撐并施加預(yù)應(yīng)力。車站施工方法比較表見表1。

2 實(shí)際應(yīng)用

2.1 工程概況

白云站位于北京路和白云路路交叉路口處，沿北京路布置，北京路延長線紅線寬為60 m，白云路規(guī)劃道路紅線寬度40 m。站位附近規(guī)劃用地性質(zhì)為綜合用地。現(xiàn)狀周邊西北角為2層國美電器，東北角為一規(guī)劃22層混凝土建筑，西南角為在建建筑施工場地，東南角為既有金星賓館。車站范圍內(nèi)東西向橫穿管線較多，若采用從道路兩側(cè)一次性將管線遷移出車站施工范圍的方案，這樣做首先對道路交通影響較大，其次是道路兩側(cè)現(xiàn)狀管線較多，無法提供需遷移管線的具體路徑，決定采用車站局部蓋挖順作法，交叉口一定范圍內(nèi)車站頂板結(jié)構(gòu)先施工，待結(jié)構(gòu)頂板完成后，再將東西向綜合管線遷移至結(jié)構(gòu)頂板上并恢復(fù)路面。該站區(qū)所處地層由上至下依次為人工填土、粘土、粉土、泥炭質(zhì)土和圓礫土。其中，圓礫土的滲透系數(shù)達(dá)到4.0 m/d，屬于強(qiáng)透水層。施工時(shí)采用水平止水帷幕的辦法。

表1 車站施工方法比較表

2.2 車站結(jié)構(gòu)型式和基坑圍護(hù)型式

車站結(jié)構(gòu)型式取決于車站規(guī)模、建筑功能要求、外部環(huán)境條件、地質(zhì)條件、施工方法等。按照建筑功能要求車站分為兩層:站廳層和站臺層。車站結(jié)構(gòu)采用兩層兩跨箱形結(jié)構(gòu)。適用于該地層的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)有以下兩種可供選擇:地下連續(xù)墻和鉆孔灌注樁。地下連續(xù)墻較鉆孔灌注樁，其整體剛度大，基坑變形小，防水效果好，施工安全，施工技術(shù)成熟，可兼作永久結(jié)構(gòu);故本車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用地下連續(xù)墻。蓋挖法結(jié)構(gòu)型式見圖1。

2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

白云路車站由于使用功能的要求，設(shè)計(jì)成沿橫向兩跨(局部雙柱段三跨)、縱向?yàn)槎嗫绲拈L條結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)寬度為19.7 m，總長度為262.80 m，沿高度大多分2層，結(jié)構(gòu)內(nèi)部只設(shè)縱梁不設(shè)橫梁(或局部設(shè)有高度受到嚴(yán)格限制的橫梁)，其結(jié)構(gòu)形式可定義為箱形框架結(jié)構(gòu)。

圖1 蓋挖法結(jié)構(gòu)型式

結(jié)構(gòu)計(jì)算方法歸納起來分為平面計(jì)算法和空間計(jì)算法，前者也叫橫斷面法，后者可細(xì)分為空間梁系、空間板系、空間梁板系計(jì)算法。在實(shí)際應(yīng)用中，橫斷面法應(yīng)用較多。橫斷面法就是沿車站縱向截取單位長度的斷面，將墻、板假設(shè)成梁單元，將框架柱按剛度或面積換算成相應(yīng)的厚度，底板與地基間采用彈性假定，地基彈簧剛度為豎向基床系數(shù)，用“荷載—結(jié)構(gòu)模型”按有限元法進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，根據(jù)不同的荷載組合得到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力包絡(luò)圖。對于縱梁，根據(jù)通常的傳力方式，由板傳給梁，形成梁的荷載，柱作為梁的支點(diǎn)，根據(jù)多跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行梁的內(nèi)力計(jì)算。

結(jié)構(gòu)計(jì)算斷面和計(jì)算結(jié)果如圖2，圖3所示。

圖2 結(jié)構(gòu)計(jì)算斷面

圖3 結(jié)構(gòu)計(jì)算彎矩圖

3 蓋挖法關(guān)鍵技術(shù)

3.1 防水

車站基坑有圓礫強(qiáng)透水層，滲透系數(shù)很大，地下水位也較高。在這樣的地質(zhì)和水文條件下修建地鐵工程，防水問題如果處理不好，對后期的車站使用影響很大。本工程“以結(jié)構(gòu)自防水為主，其他防水措施為輔”，對地下連續(xù)墻、蓋板和底板提出更高的抗?jié)B性要求(抗?jié)B等級P12)，同時(shí)保證在結(jié)構(gòu)外的涂層防水、結(jié)構(gòu)內(nèi)的注漿防水以及向結(jié)構(gòu)外土體內(nèi)的注漿防水。

本車站先施工地下連續(xù)墻，為達(dá)到良好的防水效果，需要在頂板與連續(xù)墻的節(jié)點(diǎn)處認(rèn)真處理。本工程具體施工時(shí)，先鑿除300 mm連續(xù)墻，具體做法如圖4所示。

圖4 防水節(jié)點(diǎn)處理

3.2 臨時(shí)立柱節(jié)點(diǎn)

由于地鐵車站對中間立柱的位置、垂直度精度要求較高，相應(yīng)的就要求臨時(shí)立柱的安裝達(dá)到較高的精度。本工程立柱不垂直度控制在1/500，并且要求立柱中心線和基礎(chǔ)中心線允許誤差在5 mm以內(nèi)。在含水地層中，中間臨時(shí)立柱多采用H型鋼柱或鋼管柱，而柱下基礎(chǔ)多采用鉆孔灌注混凝土樁。本車站施工時(shí)采用后插法，即是在灌注柱基混凝土至其頂面標(biāo)高后，立即安裝臨時(shí)立柱。具體施工措施:1)格構(gòu)柱尺寸為600×600，由4根L200×24等邊角鋼和綴板焊接而成，角鋼和綴板均采用Q345鋼，施工時(shí)可根據(jù)具體情況調(diào)整綴板的位置，但綴板間距不得大于500 mm。綴板應(yīng)避開混凝土支撐位置設(shè)置。2)格構(gòu)柱制作時(shí)綴板和角鋼接觸部位，均應(yīng)滿焊。3)格構(gòu)柱基礎(chǔ)樁直徑1 000 mm，采用C30混凝土，HPB235，HRB335鋼筋澆筑，主筋的保護(hù)層厚度為70 mm。4)格構(gòu)柱與樁身鋼筋籠應(yīng)可靠焊接，并一起吊裝入孔，以便準(zhǔn)確就位。5)每根樁須埋設(shè)1根注漿管進(jìn)行樁底注漿。地下墻與立柱樁的差異沉降不大于15 mm。6)基底以上鉆孔樁用黃砂填實(shí)。7)格構(gòu)柱長度根據(jù)基坑底標(biāo)高和頂板底標(biāo)高確定;基坑底部以下樁長為25 m。

4 結(jié)語

地鐵工程施工方法應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場條件、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等多種因素綜合考慮，蓋挖法在繁忙的十字路口和管線密集的位置有很大優(yōu)勢。

地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用平面法可以滿足工程精度要求，對復(fù)雜位置處的結(jié)構(gòu)計(jì)算需輔以三維空間模型或有限元方法。

地鐵車站施工必須考慮解決結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的防水問題:側(cè)墻與樓板之間的連接節(jié)點(diǎn);臨時(shí)立柱與后澆梁及柱下基礎(chǔ)的連接節(jié)點(diǎn)。

蓋挖法施工應(yīng)充分做到設(shè)計(jì)施工一體化，及時(shí)監(jiān)測，對可能出現(xiàn)的問題采取必要的處理措施，保證安全。

［1］劉國斌，王衛(wèi)東.基坑工程手冊［M］.第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［2］黃 強(qiáng).建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程應(yīng)用手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［3］GB 50157-2003，地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］陳小雄.蓋挖逆作地鐵車站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010(5):32.

［5］程國華.地鐵換乘車站半蓋挖法設(shè)計(jì)［J］.山西建筑，2012，38(13):196-197.