城市復雜條件下地鐵車站蓋挖法的應用

劉明友

(北京城建設計研究總院有限責任公司，北京 100037)

1 概述

現在城市交通擁擠問題已成為制約城市發展的瓶頸，因此國內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，國內有35個城市修建地鐵獲得國家審批。同時，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。

地鐵車站是整個地鐵系統的重要組成部分，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，又要結構合理，方便施工。同時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和環境等具有較大的影響，直接影響到全線的社會效益、經濟效益和環保效益。

地下車站結構型式和施工方法的選擇，受沿線工程地質、水文地質條件以及所處環境、地面建筑物、地下構筑物、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，同時也要滿足合理開發利用地上、地下有效空間的要求，并考慮施工給周圍環境帶來的不良影響。

地鐵的施工現在多采用明挖法，明挖法是地下車站諸多施工方法中較為經濟，且技術安全可靠的一種施工方法。在條件允許的情況下，應優先選用明挖法施工。明挖法是利用預先施作的圍護結構，從地面開始往下挖到基坑底部，施工車站結構再回填路面恢復到原狀。明挖法施工的缺點是: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產生高昂的費用。于是蓋挖法應運而生，蓋挖法是先做圍護結構和支撐結構，在該結構保護下施工主體結構頂縱梁和頂板，然后恢復路面系統，管線也遷移到位。因此，蓋挖法是一種比較快速經濟的施工方法。根據施工工序的不同，蓋挖法一般可分為蓋挖順作法(臨時便橋法)、蓋挖逆作法、蓋挖半逆作法。1)蓋挖順作法:先施作圍護結構及臨時路面，恢復交通。之后在臨時路面下方，按明挖順作法的施工順序開挖土方、施作主體襯砌結構。2)蓋挖逆作法:先施作圍護結構及中間樁，基坑開挖至結構頂板底面，澆筑頂板結構，恢復地面道路，然后在頂板、圍護結構及中間樁的保護下，自上而下開挖土方并施作主體結構。3)蓋挖半逆作法:蓋挖半逆作法與逆作法的區別僅在于頂板完成及恢復路面后，向下挖土至設計標高后先澆筑底板，再依次向上逐層澆筑側墻、樓板。在半逆作法施工中，一般都必須設置橫撐并施加預應力。車站施工方法比較表見表1。

2 實際應用

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，白云路規劃道路紅線寬度40 m。站位附近規劃用地性質為綜合用地。現狀周邊西北角為2層國美電器，東北角為一規劃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。車站范圍內東西向橫穿管線較多，若采用從道路兩側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，其次是道路兩側現狀管線較多，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，交叉口一定范圍內車站頂板結構先施工，待結構頂板完成后，再將東西向綜合管線遷移至結構頂板上并恢復路面。該站區所處地層由上至下依次為人工填土、粘土、粉土、泥炭質土和圓礫土。其中，圓礫土的滲透系數達到4.0 m/d，屬于強透水層。施工時采用水平止水帷幕的辦法。

表1 車站施工方法比較表

2.2 車站結構型式和基坑圍護型式

車站結構型式取決于車站規模、建筑功能要求、外部環境條件、地質條件、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。車站結構采用兩層兩跨箱形結構。適用于該地層的基坑圍護結構有以下兩種可供選擇:地下連續墻和鉆孔灌注樁。地下連續墻較鉆孔灌注樁，其整體剛度大，基坑變形小，防水效果好，施工安全，施工技術成熟，可兼作永久結構;故本車站圍護結構選用地下連續墻。蓋挖法結構型式見圖1。

2.3 結構計算

白云路車站由于使用功能的要求，設計成沿橫向兩跨(局部雙柱段三跨)、縱向為多跨的長條結構。結構寬度為19.7 m，總長度為262.80 m，沿高度大多分2層，結構內部只設縱梁不設橫梁(或局部設有高度受到嚴格限制的橫梁)，其結構形式可定義為箱形框架結構。

圖1 蓋挖法結構型式

結構計算方法歸納起來分為平面計算法和空間計算法，前者也叫橫斷面法，后者可細分為空間梁系、空間板系、空間梁板系計算法。在實際應用中，橫斷面法應用較多。橫斷面法就是沿車站縱向截取單位長度的斷面，將墻、板假設成梁單元，將框架柱按剛度或面積換算成相應的厚度，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，用“荷載—結構模型”按有限元法進行內力計算，根據不同的荷載組合得到結構的內力包絡圖。對于縱梁，根據通常的傳力方式，由板傳給梁，形成梁的荷載，柱作為梁的支點，根據多跨連續梁結構進行梁的內力計算。

結構計算斷面和計算結果如圖2，圖3所示。

圖2 結構計算斷面

圖3 結構計算彎矩圖

3 蓋挖法關鍵技術

3.1 防水

車站基坑有圓礫強透水層，滲透系數很大，地下水位也較高。在這樣的地質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“以結構自防水為主，其他防水措施為輔”，對地下連續墻、蓋板和底板提出更高的抗滲性要求(抗滲等級P12)，同時保證在結構外的涂層防水、結構內的注漿防水以及向結構外土體內的注漿防水。

本車站先施工地下連續墻，為達到良好的防水效果，需要在頂板與連續墻的節點處認真處理。本工程具體施工時，先鑿除300 mm連續墻，具體做法如圖4所示。

圖4 防水節點處理

3.2 臨時立柱節點

由于地鐵車站對中間立柱的位置、垂直度精度要求較高，相應的就要求臨時立柱的安裝達到較高的精度。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中心線允許誤差在5 mm以內。在含水地層中，中間臨時立柱多采用H型鋼柱或鋼管柱，而柱下基礎多采用鉆孔灌注混凝土樁。本車站施工時采用后插法，即是在灌注柱基混凝土至其頂面標高后，立即安裝臨時立柱。具體施工措施:1)格構柱尺寸為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，施工時可根據具體情況調整綴板的位置，但綴板間距不得大于500 mm。綴板應避開混凝土支撐位置設置。2)格構柱制作時綴板和角鋼接觸部位，均應滿焊。3)格構柱基礎樁直徑1 000 mm，采用C30混凝土，HPB235，HRB335鋼筋澆筑，主筋的保護層厚度為70 mm。4)格構柱與樁身鋼筋籠應可靠焊接，并一起吊裝入孔，以便準確就位。5)每根樁須埋設1根注漿管進行樁底注漿。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。7)格構柱長度根據基坑底標高和頂板底標高確定;基坑底部以下樁長為25 m。

4 結語

地鐵工程施工方法應根據現場條件、工程地質、水文地質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勢。

地鐵結構設計采用平面法可以滿足工程精度要求，對復雜位置處的結構計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構關鍵位置的防水問題:側墻與樓板之間的連接節點;臨時立柱與后澆梁及柱下基礎的連接節點。

蓋挖法施工應充分做到設計施工一體化，及時監測，對可能出現的問題采取必要的處理措施，保證安全。

［1］劉國斌，王衛東.基坑工程手冊［M］.第2版.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［2］黃 強.建筑基坑支護技術規程應用手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2011.

［3］GB 50157-2003，地鐵設計規范［S］.

［4］陳小雄.蓋挖逆作地鐵車站的結構特點［J］.現代隧道技術，2010(5):32.

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