城市地鐵半蓋挖施工鋪蓋系統(tǒng)及支撐施工技術(shù)

江來(lái)云，凌 濤

(1.中鐵五局集團(tuán)機(jī)械化工程有限責(zé)任公司，湖南 衡陽(yáng) 421000； 2.中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410117)

1 概述

地鐵的出現(xiàn)為人類開(kāi)辟了地下活動(dòng)空間，有效緩解了地面交通擁堵等問(wèn)題，現(xiàn)已成為21世紀(jì)中國(guó)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和城市交通建設(shè)的主要形式之一。地鐵車站的選址多位于繁華地段的道路下方，由于其上方地面交通繁忙，因此采用何種疏解交通的舉措成為施工方法選擇的關(guān)鍵因素。

半蓋挖法又稱半蓋挖逆作法，是結(jié)合傳統(tǒng)明挖法和蓋挖法兩種方法的優(yōu)點(diǎn)而提出的一種適用于交通繁忙地段城市大斷面地下空間的施工方法。周文[1]根據(jù)廣州市軌道交通十一號(hào)線流花路站為研究背景，利用FLAC 3D對(duì)超大斷面隧道施工進(jìn)行模擬，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)位移和結(jié)構(gòu)受力滿足要求。朱遵全[2]研究發(fā)現(xiàn)在地鐵中采用半蓋挖法能保證車站基坑，同時(shí)還能縮短工期，具有較高可行性。劉偉楠[3]在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)車輛荷載作用下，明挖側(cè)及支座處有較大負(fù)彎矩出現(xiàn)，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意明挖側(cè)及支座處混凝土支撐的上層縱向配筋。閆順[4]對(duì)軟巖地區(qū)地鐵車站基坑施工選用半蓋挖法，采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),既滿足了路面道路寬度行車的要求,又能滿足地鐵施工的需要,并通過(guò)了實(shí)際工程監(jiān)測(cè)。陳昆[5]在實(shí)踐中分析得到結(jié)論，建議在深基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)時(shí)考慮土體的卸荷效應(yīng)。本文以西安地鐵5號(hào)線黃雁村車站基坑工程實(shí)際情況采用半蓋挖法施工，并且提出了一種半蓋挖地鐵車站超寬基坑內(nèi)支撐體系安裝工藝。

2 工程概況

2.1 周邊環(huán)境調(diào)查

西安地鐵5號(hào)線黃雁村車站位于西安市碑林區(qū)，含光路與友誼西路十字路口東側(cè)，車站沿友誼西路東西向布置。含光路和友誼西路均屬于西安城區(qū)內(nèi)的主要交通干線，地面上交通流量非常大；友誼西路現(xiàn)狀為道路寬度50 m，雙向八車道。含光路現(xiàn)狀為雙向六車道+兩個(gè)非機(jī)動(dòng)車道，規(guī)劃道路紅線寬50 m。車站位置如圖1所示，處于西安城市中心范圍內(nèi)，道路線繁雜，但因本市車流量較大，仍無(wú)法滿足城市交通需求。因此，在該區(qū)位修建地下城市軌道交通需要重點(diǎn)關(guān)注施工對(duì)地面交通和周邊建筑物的影響。

本車站位于西安市中心城區(qū)十字路口段，交通流量大，地下管線復(fù)雜。車站西南側(cè)為陜西省人民醫(yī)院，西北側(cè)為陜建安裝公司已經(jīng)拆除居民樓，東北側(cè)為陜西公務(wù)員大廈、陜西行政學(xué)院及西安四通大廈；車站南側(cè)為華豪麗晶高層住宅小區(qū)32層大廈(地下2層，基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，樁基長(zhǎng)約25 m)、嘉美大廈和雁塔區(qū)旅游局家屬樓，距車站基坑較近，是重點(diǎn)觀察區(qū)域。

2.2 車站主體設(shè)計(jì)概況

車站主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土的雙柱三跨箱型框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)外設(shè)置外包防水層。本站共設(shè)有出入口五個(gè)、風(fēng)亭三組，風(fēng)亭布置于車站南側(cè)東西兩端及北側(cè)中部，車站結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，車站小里程端(西端頭)為盾構(gòu)區(qū)間，大里程端(東端頭)為暗挖區(qū)間。

3 施工方案

3.1 半蓋挖法

半蓋挖法即蓋挖順作法的臨時(shí)鋪蓋只有一半，另一半敞口。區(qū)別于全蓋挖需要做多次的交通疏解和導(dǎo)改，半蓋挖法只需要執(zhí)行一次或兩次交通導(dǎo)改即可。不僅可以滿足工期、經(jīng)濟(jì)性要求，而且能夠有效滿足周邊環(huán)境和交通的需要。每種工法都需要按其特定的工程環(huán)境和項(xiàng)目要求來(lái)進(jìn)行選擇。

若本車站采用半蓋挖法施工，由于施工難度降低或?qū)Ц拇螖?shù)減少，因此與暗挖法和蓋挖法相比較而言，能夠有效縮短工期和減少造價(jià)。同時(shí)與明挖法相比，半蓋挖法更有利于緩解交通擁堵，圍擋最大寬度為27 m，地面交通可規(guī)劃雙向六車道(22.5 m寬)。

經(jīng)過(guò)以上比較，考慮到現(xiàn)場(chǎng)的市政占道要求，應(yīng)選擇除明挖法之外的工法。進(jìn)一步考慮到工程成本、工期條件和施工難度等，選型優(yōu)先級(jí)依次為半蓋挖法>蓋挖法>明挖法>暗挖法。因此，除過(guò)街通道部分采用暗挖法施工外，本車站主體工程施工均采用半幅蓋挖順作法施工，其中為滿足南側(cè)商鋪進(jìn)出通道的要求，在車站中間南北向增設(shè)10 m凈寬的混凝土現(xiàn)澆十字鋪蓋棧橋一座，與東西向友誼西路主干道形成“T”字型交叉平交道口。

3.2 基坑支護(hù)體系設(shè)計(jì)

根據(jù)工法選型結(jié)果，本車站采用半幅鋪蓋順作法施工，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁，灌注樁間擋土采用掛網(wǎng)噴射混凝土，樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式使用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐的支護(hù)型式，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

基坑沿豎向布設(shè)3道支撐，第一道采用800 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐，間距7.5 m；第二、三道支撐采用φ609 mm×16 mm鋼管內(nèi)支撐，間距3.5 m，并用2根36C 槽鋼聯(lián)系梁與立柱節(jié)點(diǎn)聯(lián)接。第一道支撐撐在冠梁上，其余均撐在鋼圍檁上，鋼圍檁均采用2根Ⅰ45b組合型鋼。半鋪蓋系統(tǒng)采用六四式軍便梁+500 mm厚現(xiàn)澆混凝土蓋板+瀝青路面形成臨時(shí)路面系統(tǒng)，沿車站縱向局部鋪蓋。

3.3 鋪蓋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工

黃雁村站主體基坑長(zhǎng)253.1 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬21.2 m。北側(cè)半鋪蓋，其中軍便梁段長(zhǎng)207 m，寬11 m～14 m。

鋪蓋系統(tǒng)擬采用六四式鐵路軍用梁作為主梁，該軍用梁的支點(diǎn)結(jié)構(gòu)有兩種類型：一種是采用低支點(diǎn)式端構(gòu)架，一種是采用標(biāo)準(zhǔn)式端構(gòu)架。本基坑工程中，為了便于與路面銜接，降低基坑開(kāi)挖深度，選用標(biāo)準(zhǔn)型低支點(diǎn)六四式鐵路軍用梁。

3.4 優(yōu)化牛腿

本基坑采用半蓋挖法，在基坑內(nèi)設(shè)置臨時(shí)立柱樁(樁徑1.2 m)，作為鋪蓋系統(tǒng)的支撐，該臨時(shí)立柱樁樁身需設(shè)置牛腿，作為內(nèi)支撐桿安裝的支撐。

在臨時(shí)立柱樁施工前，將環(huán)向鋼板(厚16 mm，高600 mm)焊接在鋼筋籠的主筋上，基坑開(kāi)挖后，根據(jù)內(nèi)支撐桿的安裝位置，定位并鑿除預(yù)埋環(huán)向鋼板外部混凝土保護(hù)層(保護(hù)層厚70 mm)，然后再將牛腿肋板、頂板焊接于預(yù)埋環(huán)向鋼板，然后在牛腿頂部放置聯(lián)系梁，作為內(nèi)支撐桿的豎向支撐(見(jiàn)圖4,圖5)。

經(jīng)分析，設(shè)計(jì)方案存在以下不足：焊接預(yù)埋環(huán)向鋼板，需要消耗較多的鋼材，還增加了工人焊接時(shí)間，影響臨時(shí)立柱樁施工進(jìn)度；在澆筑臨時(shí)立柱樁時(shí)，由于鋼筋籠上浮等影響，給預(yù)埋環(huán)向鋼板準(zhǔn)確定位增加了難度；后期鑿除部分樁身混凝土，對(duì)立柱樁的承載力也會(huì)帶來(lái)不利影響。

針對(duì)這些不足，結(jié)合力學(xué)性能分析，提出牛腿的優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖6，圖7所示。優(yōu)化后的牛腿采用角鋼焊接形成三角形托架，然后通過(guò)膨脹螺栓固定在臨時(shí)立柱樁身上。三角托架采用L100 mm×10 mm等邊角鋼焊接而成，寬350 mm，高600 mm；膨脹螺栓長(zhǎng)200 mm，豎向中心間距400 mm。該牛腿結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，材料均可回收利用，且定位精度高，靈活性好，對(duì)其他工序的施工不造成影響。

4 地鐵半蓋挖支護(hù)效果的數(shù)值分析

利用FLAC 3D軟件對(duì)西安地鐵5號(hào)線黃雁村車站基坑建立一段模型進(jìn)行數(shù)值模型分析(見(jiàn)圖8)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，地鐵車站基坑開(kāi)挖土體邊界范圍的取值對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響較大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)挖對(duì)周圍土體的影響的范圍大致為3倍～5倍開(kāi)挖寬度，3倍開(kāi)挖深度。三維模型尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=100 m×20 m×60 m。中間開(kāi)挖基坑尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=22 m×20 m×20 m。路面板尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=11 m×20 m×1.91 m。支撐梁尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=1.2 m×20 m×18.09 m。模型的邊界條件為:下、左、右、前、后;邊界：固定邊界；上邊界：自由邊界(地表)。

通過(guò)表1確定基坑和支撐系統(tǒng)的力學(xué)參數(shù)，所得數(shù)據(jù)將采取Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，所得出的結(jié)果如圖9～圖13所示。

表1 土體的力學(xué)參數(shù)

從位移圖可以看出，路面板和支撐梁位移幅度較小，說(shuō)明該支護(hù)方式比較穩(wěn)定。從車站基坑周邊應(yīng)力和塑性區(qū)域分布圖來(lái)看，該支護(hù)方案分散了應(yīng)力的集中程度，使得塑性區(qū)范圍較小，路面板與支撐梁處于良好應(yīng)力狀態(tài)，可以有效發(fā)揮支護(hù)作用。

5 結(jié)論

1)本文提出一種半蓋挖地鐵車站超寬基坑內(nèi)支撐體系安裝工藝。該工藝的特點(diǎn)在于采用角鋼托架作為超長(zhǎng)內(nèi)支撐的支撐牛腿，角鋼托架采用螺栓固定在臨時(shí)立柱樁上，構(gòu)造簡(jiǎn)單，安裝方便，適用范圍廣。所用角鋼托架為批量生產(chǎn)的定型構(gòu)件，采用膨脹螺栓固定，可實(shí)現(xiàn)快速安裝和拆除，勞動(dòng)強(qiáng)度低，施工效率高。牛腿在基坑開(kāi)挖后安裝，能夠直接對(duì)牛腿進(jìn)行定位和安裝，非常方便根據(jù)實(shí)際需要對(duì)牛腿位置進(jìn)行微調(diào)，從而提高牛腿安裝的定位精度。相對(duì)于預(yù)埋鋼板法，可節(jié)約鋼板及加工費(fèi)用，所采用的角鋼托架，拆除后可以回收利用。2)通過(guò)數(shù)值模擬分析了該支護(hù)方式，結(jié)果表示該支護(hù)方式具有安全、經(jīng)濟(jì)、效益性。