京張高鐵清河站地下交通樞紐分體建造工法研究

張海濤， 李兆平， 馮 超， 鄭仔弟， 王子元

(1. 北京市市政四建設(shè)工程有限責任公司， 北京 100176； 2. 北京交通大學土木建筑工程學院， 北京 100044)

0 引言

在高鐵車站站前廣場及附近區(qū)域，為集約化利用地下空間資源，方便乘客進站以及進入周邊的商業(yè)和交通設(shè)施，往往需要將配套的各種地下設(shè)施集中布置[1-3]。由于空間布局受限，這種地下一體化樞紐往往采用上下立體交叉布置形式，導致其結(jié)構(gòu)非常復雜，同時受拆遷、施工手續(xù)、圖紙拖延等各種因素制約，這些配套設(shè)施的建設(shè)不可能一步到位。為確保車站按期投入運營，需要將部分和高鐵運營密切關(guān)聯(lián)的配套設(shè)施率先建成投入運營，這就給配套一體化樞紐結(jié)構(gòu)的施工工序安排帶來較大的困難。

近年來，隨著地下空間集約化和一體化開發(fā)理念的提出，在換乘地鐵車站、高鐵車站等工程的設(shè)計中，設(shè)計人員嘗試采用將車站與周邊地下空間一體化規(guī)劃設(shè)計、分期建造的模式[4-6]。

車站和配套的地下商業(yè)及交通設(shè)施采用集約化和一體化布置方式，有利于提高空間利用率，方便乘客進出站、購物和休閑，但是這種集中布置的交通樞紐結(jié)構(gòu)也給施工工序安排帶來了困難。本文結(jié)合京張高鐵清河站地下交通樞紐項目的施工，提出一種分體建造工法，詳細討論分體建造工法的具體工序、關(guān)鍵技術(shù)問題及解決措施，并對該工法的工期、造價、優(yōu)缺點及適用性進行分析。

1 工程背景

京張高鐵清河火車站地下交通樞紐項目位于站前廣場東側(cè)，為整體雙層、局部單層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。雙層段的負1層為相互獨立設(shè)置的地下公交通道、地下人行通道及地下連廊接駁段；雙層段的負2層為地下商業(yè)通道；局部單層段為通往鄰近商業(yè)設(shè)施接駁段。

地下公交車道、地下人行通道平行布置，在出口處與安寧莊主路聯(lián)通，并與負2層的地下商業(yè)通道在空間上垂直交叉。

該地下交通樞紐將地下人行通道、地下公交車道、連通高鐵車站的地下連廊通道和連通周圍商業(yè)設(shè)施的地下商業(yè)通道等各種配套設(shè)施集中交叉布置。地下交通樞紐項目平面布置如圖1所示。地下交通樞紐結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖1 地下交通樞紐項目平面布置

(b) 1-1縱剖面

2 地下交通樞紐結(jié)構(gòu)分體建造方案

為了保證冬季奧運測試賽的正常進行，高鐵清河火車站需要于2020年1月1日投入運營，位于樞紐負1層的地下人行通道、公交車道和連通高鐵車站的地下連廊通道需要和清河火車站同步投入運營，其工期節(jié)點為2019年12月30日。由于該樞紐前期的施工圖變更較多，且施工占地遲遲不能落實，進場施工時間為2019年9月中旬，再加上受高鐵清河站多家施工單位相互干擾等因素的影響，實際有效工期只有3個月。

高鐵清河火車站的地下交通樞紐結(jié)構(gòu)原設(shè)計采用明挖順作法，初步測算工期至少需要145 d，這樣就無法保證負1層設(shè)施與高鐵清河站同步投入運營，而傳統(tǒng)蓋挖逆作或蓋挖順作工期更長。為保證負1層結(jié)構(gòu)按期完工，提出分體建造工法，該工法有別于傳統(tǒng)的蓋挖逆作[7]或蓋挖順作工法[8]，其工法特點如下：

1)先采用明挖順作法施工負1層結(jié)構(gòu)，以滿足負1層設(shè)施和清河站同步投入運營的需求。

2)待負1層結(jié)構(gòu)投入運營后，采用蓋挖順作法施工負2層結(jié)構(gòu)，通往鄰近商業(yè)設(shè)施(威凱地塊)接駁段的單層結(jié)構(gòu)采用明挖順作法施工。

分體建造工法的總體安排如圖3所示。

3 分體建造施工步序

3.1 負1層結(jié)構(gòu)施工步序

負1層結(jié)構(gòu)包括地下人行通道、地下公交通道、通往高鐵車站的地下連廊通道，采用明挖順作法施工。在施工負1層結(jié)構(gòu)的同時，完成整個地下樞紐結(jié)構(gòu)的主要豎向承載構(gòu)件鋼管柱的施工。負1層結(jié)構(gòu)施工步序如圖4所示。

(a) 負1層及永久柱施工

(b) 負2層及單層段施工

(a) 步序1 (b) 步序2

(c) 步序3 (d) 步序4

(e) 步序5 (f) 步序6

步序1： 施作圍護樁，圍護樁采用φ1 000 mm鉆孔灌注樁，并設(shè)置合理的嵌固深度。

步序2: 施工鋼管柱承載樁，并吊裝鋼管柱。承載樁采用φ2 000 mm鉆孔灌注樁，其中鋼管柱范圍內(nèi)采用鋼護筒支護。在鋼護筒內(nèi)施作鋼管柱，回填細砂；鋼管柱采用φ800 mm鋼管，壁厚16 mm。鋼管柱內(nèi)澆筑C50自密實微膨脹混凝土。

步序3: 向下開挖至結(jié)構(gòu)頂板位置，施作樁頂冠梁，架設(shè)鋼支撐。

步序4: 繼續(xù)向下開挖基坑至中板位置。

步序5： 施工中板及側(cè)墻，并完成交叉部位的人行通道和公交車道結(jié)構(gòu)澆筑，施作結(jié)構(gòu)頂板。

步序6： 拆除樁頂支撐，恢復路面。

3.2 負2層和單層段地下商業(yè)通道施工步序

負1層完成后，具備了與高鐵車站的同步運營條件，開始負2層的施工。負2層包括地下商業(yè)通道(含行人通行功能)，與通向鄰近商業(yè)設(shè)施的地下負1層(單層段)商業(yè)通道同期施工。在負2層和單層段施工中，為最大限度降低基坑開挖對負1層結(jié)構(gòu)及鋼管柱的影響，充分利用基坑工程的空間效應[9-11]，制定開挖方案。負2層結(jié)構(gòu)施工步序如圖5所示。

(a) 步序1 (b) 步序2

(c) 步序3 (d) 步序4

(e) 步序5

步序1： 施作地下商業(yè)通道單層段圍護結(jié)構(gòu)。

步序2： 放坡開挖商業(yè)通道單層結(jié)構(gòu)基坑至冠梁底面，并架設(shè)第1道鋼支撐。

步序3： 開挖單層段基坑至圖示位置，并架設(shè)第2道鋼支撐。

步序4： 開挖負2層和單層段基坑剩余土方，并架設(shè)第3道鋼支撐。

步序5： 施作交叉段負2層商業(yè)通道結(jié)構(gòu)和單層段結(jié)構(gòu)，并預留與商業(yè)設(shè)施的接口。

4 分體建造工法的關(guān)鍵技術(shù)問題

4.1 鋼管柱施工

本工程的鋼管混凝土柱直徑為800 mm，壁厚為16 mm，總數(shù)為10根，鋼管混凝土柱垂直度要求≤H/1 000(H為鋼管柱的高度)，且最大不超過8 mm。鋼管混凝土柱錨入鉆孔灌注樁的混凝土有效長度為3.9 m(不含錐尖)，同時鋼管混凝土柱頂在地面以下3.52～5.5 m。為此，采用HPE(hydraulic pressure embed)垂直插入鋼管柱進行施工[12-13]。HPE工法如圖6所示，其主要工序如下。

1)將HPE液壓插入機準確就位、定位，根據(jù)HPE液壓插入機自身的垂直調(diào)校裝置調(diào)整垂直度。

2)HPE液壓插入機定位后，將鋼管柱吊起，用HPE液壓插入機的液壓定位器將鋼管柱抱緊，根據(jù)二點定位原理，抱緊鋼管柱后再復測垂直度。

3)在混凝土初凝前用HPE液壓插入機將鋼管柱插入到灌注樁混凝土中，直至達到設(shè)計標高。

圖6 HPE工法簡圖

HPE插入法具有如下優(yōu)點：

1)垂直精度高。

2)定位準確，單柱安裝施工周期短，大大節(jié)約施工工期。

3)避免常規(guī)永久性鋼管柱安裝人工入樁孔內(nèi)施工作業(yè)，降低安全風險。

4)無需埋設(shè)外鋼套管，降低施工成本。

4.2 明挖+蓋挖連接節(jié)點的處理

負2層邊墻與已澆筑的中板連接部位上存在1道縱向通長的逆作縫，該部位的澆筑密實程度將直接影響結(jié)構(gòu)的受力和防水效果。該連接節(jié)點的處理做法如下：

1)中板與負2層側(cè)墻連接部位的施工縫設(shè)置成錯臺型式[14]，對錯臺部位的混凝土進行鑿毛處理，除去浮漿、雜質(zhì)，露出新鮮的混凝土面。在清除干凈的混凝土表面設(shè)置嵌縫膠，嵌縫膠涂抹要求均勻、連貫，不得出現(xiàn)起層或脫落現(xiàn)象，以免影響止水效果。嵌縫膠成型后寬度應為15～20 mm，高度為8～10 mm。

2)在錯臺部位沿施工縫通長埋設(shè)注漿管。施工時必須把注漿管與混凝土表面固定牢固。注漿管采用專用扣件固定在施工縫表面結(jié)構(gòu)中線上，固定間距一般控制為40～50 cm，上部施工縫安裝注漿管時應對固定扣件進行加密，防止在混凝土澆筑過程中卡口脫落導致注漿管移位，從而影響注漿效果。

3)安裝側(cè)墻模板，澆注混凝土時應按照側(cè)墻預留的臺階逐層澆注，充分振搗。錯臺式施工縫的設(shè)置如圖7所示。

圖7 錯臺式施工縫的設(shè)置(單位： mm)

4.3 負2層鋼支撐安裝、拆除

負2層鋼支撐采用人工就地組裝就位的方法，在基坑內(nèi)拼裝成整根。在洞內(nèi)，鋼支撐標準節(jié)長為 6 m，并配備有4、2、1、0.5 m的短節(jié)，活動端長度為1.5 m。拆除鋼支撐時在底板預埋鋼板，搭設(shè)架子利用吊鏈進行拆除，下方輔以水平運輸車將支撐運至明挖段，最后用吊車將其吊出基坑。單層結(jié)構(gòu)鋼支撐安裝用吊車輔以安裝。

4.4 負2層施工對鋼管柱影響的控制

在負2層土方開挖和結(jié)構(gòu)澆筑之前，地下樞紐結(jié)構(gòu)的鋼管柱和負1層的地下行人通道、地下公交通道和地下連廊通道均已完成施工，負2層施工對負1層的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不利影響[15-16]。在負2層基坑開挖和結(jié)構(gòu)施作過程中，鋼管柱承受的荷載不斷變化，可能會導致鋼管柱的豎向或水平變形超過控制值。設(shè)計給出的鋼管柱最大豎向變形小于10 mm，最大水平變形小于8 mm(小于H×1‰，H為鋼管柱高度)。因此，需要研究負2層以及單層明挖段施工對負1層鋼管柱變形的影響，下文采用數(shù)值模擬方法討論鋼管柱受到的影響及控制措施的實施效果。

5 地下交通樞紐負2層及單層明挖段施工對鋼管柱變形影響分析與監(jiān)測

5.1 數(shù)值計算模型

為了研究負2層施工對鋼管柱的影響，采用FLAC3D有限差分軟件對全施工過程進行模擬。基于結(jié)構(gòu)的實際規(guī)模，同時為了避免計算模型的邊界效應，確定計算模型尺寸為x×y×z=110 m×75 m×50 m，共劃分為626 420個單元，11 049個網(wǎng)格節(jié)點。數(shù)值計算模型如圖8所示。

圖8 計算模型

結(jié)構(gòu)和周圍地層均采用實體單元模擬，混凝土結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，土體材料采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，支護結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型。

模型初始地應力場僅由土體自重產(chǎn)生。施工前已將水位降至負2層底板以下，故不考慮地下水的影響。模型上表面(地表)為自由邊界，下表面為固定約束，左右和前后均為法向約束。土層為各向同性的連續(xù)均勻介質(zhì)，強度準則為Mohr-Coulomb準則。

結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)如表1所示， 地層物理力學參數(shù)如表2所示。

表1 結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)

表2 地層物理力學參數(shù)

5.2 模擬開挖支護的工序劃分

負2層為地下商業(yè)通道(含行人通行功能)，與通向商業(yè)設(shè)施的地下負1層(單層段)商業(yè)通道同期施工。為研究施工階段鋼管柱的變形情況，將整個施工過程劃分為3個階段，并提取相應的計算結(jié)果，分別為：

1)開挖支護單層段基坑至-12.1 m位置。在本工程的負2層土方開挖時，如果不同時進行地下商業(yè)通道單層段的土方開挖，相當于給鋼管柱基礎(chǔ)施加了均布超載。在均布超載作用下，鋼管柱基礎(chǔ)受到水平方向的土壓力分布不均衡。為此，在開挖負2層土方的同時，也同步開挖地下商業(yè)通道單層段基坑至-12.1 m位置(與雙層段負1層持平)。

2)開挖雙層段負2層基坑土方。

3)開挖單層段基坑剩余土方至坑底。

5.3 鋼管柱變形的數(shù)值模擬計算結(jié)果分析

5.3.1 模擬計算的監(jiān)測點

（2）配套設(shè)備：表面溫度計感溫元件為表面熱電偶，指示儀表一般應具有熱電偶參考端溫度自動補償功能。配套電測儀表，要求符合0.1級及以上技術(shù)指標。

分析鋼管柱變形時，參照實際監(jiān)測位置選取4根鋼管柱的柱頂中心作為計算取值測點。鋼管柱柱頂位移監(jiān)測點布置示意如圖9所示。

圖9 鋼管柱柱頂位移監(jiān)測點布置示意圖

5.3.2 鋼管柱柱頂豎向變形和水平變形

鋼管柱柱頂豎向變形曲線如圖10所示。鋼管柱柱頂水平變形曲線如圖11所示。

圖10 鋼管柱柱頂豎向變形曲線

圖11 鋼管柱柱頂水平變形曲線

由圖10和圖11可知：

1)單層段基坑和雙層段負2層基坑開挖導致鋼管柱出現(xiàn)明顯隆起，最大隆起值為1.6 mm；隨著單層段和雙層段基坑的繼續(xù)開挖，鋼管柱逐漸開始下沉，最大下沉值為1.85 mm；鋼管柱無論是隆起還是下沉，其最大值均未超出設(shè)計給出的鋼管柱最大豎向變形值(10 mm)。

2)施工過程中鋼管柱豎向先隆起后沉降，其產(chǎn)生機制是在負1層土方開挖過程中，土方開挖產(chǎn)生卸載效應，導致鋼管柱出現(xiàn)豎向隆起變形，負2層土方開挖卸載效應將會導致鋼管柱豎向隆起變形持續(xù)增大；隨著結(jié)構(gòu)施作完成，豎向荷載將主要由鋼管柱承擔，導致鋼管柱出現(xiàn)豎向沉降變形。

3)在基坑開挖過程中，鋼管柱最大水平變形為 0.5 mm，遠遠小于設(shè)計給出的鋼管柱水平變形允許值。

5.4 鋼管柱實際變形監(jiān)測結(jié)果分析

在負2層及單層段施工期間，對鋼管柱的豎向和水平變形進行監(jiān)測，測點布置與數(shù)值計算的取值點一致。鋼管柱豎向變形實測曲線如圖12所示。鋼管柱水平變形實測曲線如圖13所示。

圖12 鋼管柱豎向變形實測曲線(2020年)

圖13 鋼管柱水平變形實測曲線(2020年)

由圖12和圖13可知：

1)隨著單層段和雙層段負2層基坑的開挖，鋼管柱經(jīng)歷了隆起—下沉的過程，最大隆起值為1.35 mm，最大下沉值為2.37 mm。

2)鋼管柱無論是隆起還是下沉，其最大值與數(shù)值模擬計算結(jié)果基本相符，且均未超出設(shè)計給出的鋼管柱最大豎向變形值。

3)鋼管柱的水平變形最大值為1 mm左右，且隨著負1層明挖段的土方開挖，鋼管柱的水平變形逐漸減小到0.4 mm左右。

6 工期、造價及實施效果評價

本地下交通樞紐是保證冬奧工程清河火車站能否按期投入運行的節(jié)點工程。由于站房施工與周邊配套工程同步實施，施工單位之間的運輸通道、施工場地相互重疊，施工相互干擾大，給工程施工組織帶來了極大的難度和影響。

若采用傳統(tǒng)的明挖順作法施工，預測工期為145 d(其中，圍護樁35 d，土方開挖與結(jié)構(gòu)110 d)。采用分體建造工法，上部負1層實際工期81 d(其中，圍護結(jié)構(gòu)和承載樁、鋼管柱39 d，土方17 d，結(jié)構(gòu)25 d)；下部負2層實際工期105 d(其中，土方開挖60 d，結(jié)構(gòu)施工45 d)。

經(jīng)測算，造價增加了798萬元(其中，永臨支柱273萬元，負2層土方開挖增加98萬元，負2層模板體系增加33萬元，人工費增加394萬元)。

從總工期和工程造價來分析，本工程采用的分體建造工法不占優(yōu)勢，但是由于負1層施工僅僅81 d就完工交付使用，確保了負1層的各種交通設(shè)施能夠隨著清河站的開通同步投入運營，其間接經(jīng)濟效益無法精確測算。

7 結(jié)論與討論

1)為確保地下交通樞紐的負1層地下人行通道、公交車站、地下連廊通道等設(shè)施能夠與高鐵清河站同步投入運營，提出分體建造方案。該方案的特點是先采用明挖法施工負1層結(jié)構(gòu)，回填后采用蓋挖順作法施工負2層結(jié)構(gòu)。

2)分體建造工法的關(guān)鍵技術(shù)問題主要有鋼管柱施工、明挖+蓋挖連接節(jié)點的處理、負2層鋼支撐安裝與拆除以及負2層施工對鋼管柱穩(wěn)定性影響的控制，并針對上述關(guān)鍵技術(shù)問題給出了解決措施。

3)數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測結(jié)果表明，負2層和單層段的施工使負1層鋼管柱呈現(xiàn)出先隆起后下沉的豎向變形規(guī)律，同時鋼管柱也產(chǎn)生一定的水平變形，但是鋼管柱的豎向變形和水平變形均遠遠小于設(shè)計允許的變形控制值。

雖然高鐵清河站地下樞紐建設(shè)所采用的分體建造工法在工期和造價方面不占優(yōu)勢，但是對于施工環(huán)境條件復雜、施工干擾大、部分配套設(shè)施需要與車站同步投入運營的交通樞紐，本工程采用分體建造工法具有較好的適用性。