地下車站逆作工法經(jīng)濟(jì)性分析

趙秀杰

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 武漢 430063∥高級(jí)工程師)

城市軌道交通地下車站一般采用明挖法和暗挖法施工。暗挖法因受控地質(zhì)條件和功能局限，應(yīng)用較少。明挖法一般又分為明挖順作法和蓋挖逆作法。蓋挖逆作法施工，采用車站主體與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，根據(jù)施工需要設(shè)置一定數(shù)量的工作孔，從上往下開挖車站基坑，從上往下施工各層結(jié)構(gòu)，利用各層梁板結(jié)構(gòu)替代明挖法內(nèi)支撐系統(tǒng)，開挖至基坑底，結(jié)構(gòu)封底即完成地下結(jié)構(gòu)主體施工。這種利用車站結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)內(nèi)支撐的逆作施工工法，因?yàn)橹ёo(hù)剛度大，安全可靠，應(yīng)用越來越多。

目前城市軌道交通地下車站，最常見的為地下2層、3層站，少量地下1層、地下4層或更深車站。本文結(jié)合3個(gè)典型地下站，對(duì)明挖順作和蓋挖逆作兩種工法的經(jīng)濟(jì)性作精細(xì)分析和對(duì)比研究。

1 地下2層站施工方法經(jīng)濟(jì)性分析

某地下標(biāo)準(zhǔn)2層站，基坑深度約17 m，地質(zhì)條件以粉質(zhì)黏土為主，局部有淤泥質(zhì)土層，地下水豐富。

采用明挖順作法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地連墻，局部有淤泥質(zhì)土采用攪拌樁加固；設(shè)置4道內(nèi)支撐，第1道混凝土支撐，第2、3、4道為Φ800 mm的鋼支撐，設(shè)一道倒換撐。結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

采用蓋挖逆作法，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000 mm地連墻，與主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻構(gòu)成“疊合墻”結(jié)構(gòu)；利用車站主體結(jié)構(gòu)梁板作為基坑內(nèi)支撐系統(tǒng)；車站主體結(jié)構(gòu)鋼管混凝土柱兼作施工臨時(shí)立柱；結(jié)構(gòu)方案如圖2所示，差異工程量及投資對(duì)比如表1所示(僅對(duì)比差異工程量，相同的結(jié)構(gòu)工程量不參與計(jì)算對(duì)比)。

圖1 明挖順作結(jié)構(gòu)方案圖

圖2 蓋挖逆作結(jié)構(gòu)方案圖

表1 地下二層站明挖順作與蓋挖逆作差異工程量及投資對(duì)比表

通過表1可知，本地下2層站，明挖順作和蓋挖逆作兩種工法投資基本接近，逆作工法因?yàn)榈剡B墻厚度提高一個(gè)規(guī)格，地連墻和樁基礎(chǔ)投資增加，而蓋挖逆作相對(duì)明挖順作內(nèi)支撐減少的投資相對(duì)較少。因此，蓋挖逆作相對(duì)明挖順作工法投資稍高。

2 地下3層站逆作施工經(jīng)濟(jì)性分析

某地下3層站，車站主體基坑深度26 m，2層附屬外掛基坑深度17.8 m，1層換乘大廳基坑深度10.9 m。地質(zhì)條件以黏土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂為主，地下水豐富。

采用明挖順作法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000 mm厚地連墻；設(shè)置5道內(nèi)支撐，第1、3道為混凝土支撐，第2、4、5道為Φ800 mm的鋼支撐，設(shè)1道倒換撐[1]。結(jié)構(gòu)方案如圖3所示。

采用蓋挖逆作法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000 mm厚地連墻，與主體側(cè)墻構(gòu)成“疊合墻”結(jié)構(gòu)；利用車站梁板作為基坑內(nèi)支撐系統(tǒng)；主體鋼管混凝土柱兼作施工臨時(shí)立柱，結(jié)構(gòu)方案如圖4所示，兩種工法差異工程量及投資對(duì)比如表2所示(僅對(duì)比差異工程量，相同的結(jié)構(gòu)工程量不參與計(jì)算對(duì)比)。

本站采用蓋挖逆作，可將部分地下2層、地下1層區(qū)域與地下3層主體合并為一個(gè)基坑整體逆作法施工，相對(duì)于明挖順作，減少投資2 419萬元，占土建總投資的5.4%；若分期逆作實(shí)施，減少投資1 030萬元，占土建總投資的2.3%。采用蓋挖逆作法施工，利用主體結(jié)構(gòu)梁板系統(tǒng)作為內(nèi)支撐系統(tǒng)，基坑支護(hù)整體剛度大，安全度高，因此可將不同深度分區(qū)施工的基坑合并為一個(gè)基坑整體施工，既減少了分區(qū)隔離墻，降低了工程投資和施工難度，又加快施工進(jìn)度，縮短了工期，一舉多得。

圖3 明挖順作結(jié)構(gòu)方案圖

圖4 蓋挖逆作結(jié)構(gòu)方案圖

表2 地下三層站明挖順作與蓋挖逆作差異工程量及投資對(duì)比表

3 地下4層站逆作施工經(jīng)濟(jì)性分析

某地下4層站，基坑深度35 m，位于長(zhǎng)江邊，地質(zhì)條件差，周邊環(huán)境復(fù)雜，為保證安全和控制變形，通過工程類比和計(jì)算分析，可以采用兩種明挖方案：方案一，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 500 mm厚地連墻，設(shè)置7道內(nèi)支撐和1道倒換撐，其中第1、3、5道為混凝土支撐，其余為鋼管撐，如圖5所示；方案二，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 200 mm厚地連墻，設(shè)置8道內(nèi)支撐和2道倒換撐，其中第1、2、3、5道為混凝土支撐，其余為鋼管撐，如圖6所示。為有效控制地下水滲流穩(wěn)定(尤其是承壓水抗突涌穩(wěn)定性)，將車站主體四周地連墻落入基巖，同時(shí)采用壓力注漿加固墻趾沉渣，徹底隔斷基坑內(nèi)外水力聯(lián)系，形成可靠的落底式止水帷幕[2]。

蓋挖逆作法施工，采用支護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)全面相結(jié)合的支護(hù)方案[3]：① 圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 500 mm厚地連墻，圍護(hù)地連墻和主體側(cè)墻構(gòu)成“疊合墻”結(jié)構(gòu)；② 主體結(jié)構(gòu)梁板系統(tǒng)作為基坑開挖階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平支撐系統(tǒng)，各層板施工過程根據(jù)出土需要留設(shè)一定數(shù)量臨時(shí)出土孔；③ 主體結(jié)構(gòu)永久柱(鋼管混凝土柱)兼作樓板支撐系統(tǒng)的臨時(shí)支承柱，鋼管混凝土柱基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。具體支護(hù)方案如圖7所示。

圖5 方案一結(jié)構(gòu)橫剖面圖

圖6 方案二結(jié)構(gòu)橫剖面圖

圖7 方案三結(jié)構(gòu)橫剖面圖

為控制差異沉降變形引起的次應(yīng)力，地連墻和立柱樁均插入中風(fēng)化巖；同時(shí)，對(duì)入巖鉆孔灌注樁端和地連墻墻趾沉渣進(jìn)行高壓注漿加固，有效控制樁、墻在逆作施工荷載下的絕對(duì)沉降，使相鄰立柱以及立柱樁與臨近基坑圍護(hù)墻之間的差異沉降不大于1/400柱距，且不大于20 mm。

通過表3可知，工程投資方案一最大，方案二其次，方案三再次。方案三1 500 mm地連墻蓋挖逆作方案，相對(duì)于方案一1 500 mm厚地連墻明挖順作，節(jié)省投資4 321萬元，占工程總投資約7.5%；相對(duì)于方案二1 200 mm地連墻明挖順作，節(jié)省投資3 044萬元，占總投資約5.3%。采用蓋挖逆作法施工，節(jié)省了大量的內(nèi)支撐，降低了工程投資[4]。

表4為明挖順作與蓋挖逆作兩種工法對(duì)比。

采用逆作法施工，主要具有如下優(yōu)點(diǎn)：① 利用結(jié)構(gòu)梁板作為內(nèi)支撐系統(tǒng)，可最大限度控制變形，安全度高；② 蓋挖頂板完成后可以作為施工場(chǎng)地，恢復(fù)地下管線和地面交通；③ 以板代撐，節(jié)省工程費(fèi)用；④ 無內(nèi)支撐，施工速度快；⑤ 逆作采用鋼管混凝土柱，抗震性能更優(yōu)；⑥ 無需大量鑿除混凝土支撐，綠色施工，保護(hù)環(huán)境和自然，與綠色建造發(fā)展理念吻合。

通過對(duì)蓋挖逆作工程全過程監(jiān)測(cè)跟蹤實(shí)踐，總結(jié)如下：蓋挖逆作，不受氣候條件制約，風(fēng)雨無阻，科學(xué)施工組織，施工速度快，工期短；超大超深、形狀不規(guī)則、環(huán)境復(fù)雜、地質(zhì)條件差的基坑工程，采用蓋挖逆作工法，明挖混凝土支撐數(shù)量越多，經(jīng)濟(jì)性和工期越有優(yōu)勢(shì)[5]。

表3 地下4層站明挖順作與蓋挖逆作差異工程量及投資對(duì)比表

表4 明挖順作與蓋挖逆作兩種工法對(duì)比表

當(dāng)然，逆作工法也有一些問題需要克服：① 逆作工程一般采用疊合墻，較明挖順作結(jié)構(gòu)，側(cè)墻無柔性防水層，防水混凝土需精心施工，應(yīng)高度重視逆作施工縫，提升混凝土結(jié)構(gòu)自防水質(zhì)量；② 逆作施工關(guān)鍵技術(shù)(如立柱的選型、立柱定位工法、梁柱節(jié)點(diǎn)、差異沉降及施工設(shè)備)，相對(duì)于明挖結(jié)構(gòu)，施工工藝和質(zhì)量管控要求稍高，需綜合工程安全、工期、造價(jià)、環(huán)境保護(hù)、交通疏解及基坑工程的特點(diǎn)，具體問題具體分析，權(quán)衡利弊，綜合選擇。

4 結(jié)論

1) 通過以上3個(gè)實(shí)際工程的對(duì)比分析和工程實(shí)踐，結(jié)論如下：地下4層或更深車站，或深度超過30 m地下結(jié)構(gòu)，采用蓋挖逆作工法，相對(duì)于明挖順作法，土建投資可節(jié)省5.3%～7.5%；地下3層站，或者基坑深度20～30 m結(jié)構(gòu)，蓋挖逆作相對(duì)于明挖順作，土建投資可節(jié)省2.3%～5.4%；地下2層站或者基坑深度20 m以下的結(jié)構(gòu)，土建投資蓋挖與明挖基本接近，逆作稍高。

2) 綜合安全、投資、工期、質(zhì)量等多種因素，地下4層或更深車站，或基坑深度超過30 m結(jié)構(gòu)，地質(zhì)條件差，環(huán)境復(fù)雜，安全和經(jīng)濟(jì)性要求高，推薦蓋挖逆作工法；地下3層站或是基坑深度20～30 m結(jié)構(gòu)，應(yīng)綜合比選逆作法施工；地下2層站，基坑深度小于20 m，一般環(huán)境條件下優(yōu)先采用明挖法施工。