地下4層蓋挖逆作地鐵車站設(shè)計要點研究

胡顯鵬

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司 北京 100037)

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地下4層蓋挖逆作地鐵車站設(shè)計要點研究

胡顯鵬

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司 北京 100037)

介紹蓋挖逆作車站的做法以及地下4層蓋挖逆作車站結(jié)構(gòu)設(shè)計需重點研究的抗浮、側(cè)墻頂拉彎應(yīng)力控制、鋼管柱受力控制、鋼管柱施工誤差控制、中間樁與邊樁差異沉降控制等5個關(guān)鍵問題，并結(jié)合合肥軌道交通1號線大東門站地下4層蓋挖逆作車站設(shè)計實例進行研究，得出采用板墻隼槽連接、AM樁、HPE液壓垂直插入鋼管柱工法等措施，可以很好地解決上述5個問題，相關(guān)研究結(jié)果可供類似工程參考。 關(guān)鍵詞 城市軌道交通；蓋挖逆作； AM樁；HPE液壓垂直插入鋼管柱工法；板墻隼槽連接；地下連續(xù)墻

開挖地面修筑結(jié)構(gòu)頂板及其豎向支撐后，在頂板的下面自上而下分層開挖土方，分層修筑結(jié)構(gòu)的施工方法稱之為蓋挖逆作法[1-2]。蓋挖逆作法因其利于交通導(dǎo)改、管線改移、控制變形，且施工受天氣影響小，在環(huán)境復(fù)雜的鬧市區(qū)應(yīng)用日益廣泛。目前國內(nèi)采用蓋挖逆作施工的車站一般為地下2層車站，然而，隨著時代的不斷發(fā)展，地下空間開發(fā)深度日益加大，受周邊條件限制，地下3層甚至地下4、5層的地鐵車站不斷涌現(xiàn)，許多地下3、4層的車站受周邊環(huán)境控制也需要采用蓋挖逆作法施工。二者雖同為蓋挖逆作車站，其原理一致，但由于地下4層車站存在基坑深、側(cè)墻頂部需懸掛3層地鐵結(jié)構(gòu)(復(fù)合墻)、鋼管柱長度大、荷載大等特殊情況，因此在結(jié)構(gòu)受力計算、節(jié)點構(gòu)造設(shè)計、鋼管柱設(shè)計、樁基設(shè)計、方便施工和出土、嚴格控 制 變 形 等 方面均需進行更多的研究和特殊設(shè)計。地下4層蓋挖逆作車站在合肥軌道交通1號線大東門站已成功應(yīng)用，目前該站已經(jīng)封頂超過1年。

1 蓋挖逆作車站傳統(tǒng)做法

傳統(tǒng)的蓋挖逆作地鐵車站一般為地下2層3跨車站，車站頂板覆土3～4 m，車站基坑深度17～18 m,圍護結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁或地下連續(xù)墻，內(nèi)襯結(jié)構(gòu)墻與圍護結(jié)構(gòu)的結(jié)合方式有復(fù)合墻與疊合墻兩種(見圖1、2)。

圖1 蓋挖逆作復(fù)合墻剖面

圖2 蓋挖逆作疊合墻剖面

復(fù)合墻結(jié)構(gòu)，由于在圍護結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墻之間有一層連續(xù)的全外包防水層，因此結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墻以及各層結(jié)構(gòu)板的鋼筋與圍護結(jié)構(gòu)不相連。地下水壓力由內(nèi)襯結(jié)構(gòu)承擔(dān)，水壓力以外的其余荷載由圍護結(jié)構(gòu)和內(nèi)襯結(jié)構(gòu)一同承擔(dān)，在墻體中產(chǎn)生的內(nèi)力按兩者的剛度分配[3]。

疊合墻結(jié)構(gòu)，在地連墻內(nèi)側(cè)鑿毛并涂刷水泥基滲透結(jié)晶防水材料，或采用微晶水泥剛性抹面，然后在內(nèi)側(cè)施工內(nèi)襯墻。圍護結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墻密貼設(shè)置，各層板與圍護結(jié)構(gòu)鋼筋連接，圍護結(jié)構(gòu)與內(nèi)襯墻之間可設(shè)置構(gòu)造抗剪鋼筋，所有荷載均由圍護結(jié)構(gòu)和內(nèi)襯結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)，視為整體墻受力。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計需重點解決的問題

與地下2層蓋挖逆作車站相比，地下4層蓋挖逆作車站結(jié)構(gòu)設(shè)計需重點解決以下5個方面的問題。

1) 地下4層車站基坑深度大，地下水浮力一般較大，車站靠自重一般難以滿足抗浮要求，逆作車站的圍護結(jié)構(gòu)和中間立柱樁需考慮兼做抗浮樁，節(jié)點構(gòu)造設(shè)計時需同時考慮施工階段受壓、使用階段受拉等工況。

2) 傳統(tǒng)的2層蓋挖逆作車站，頂板與側(cè)墻交接處，施工階段側(cè)墻僅需懸掛1層樓板和1層側(cè)墻的荷載，而地下4層蓋挖逆作車站在該位置需懸掛3層樓板和3層側(cè)墻的荷載，所受的拉力將是地下2層站的3倍，彎矩也遠大于地下2層車站的彎矩，如何解決施工階段的該處拉彎受力問題是關(guān)鍵。

3) 地下4層站鋼管柱計算長度是地下2層站的約2倍，設(shè)計軸力是2層站的約1.7倍，如何控制鋼管柱的尺寸以滿足建筑布置需求，又有足夠的承載能力是結(jié)構(gòu)設(shè)計需著重考慮之處。

4) 基坑深，鋼管柱長，鋼管柱的施工誤差直接影響受力安全及使用功能，采取什么樣的辦法能控制鋼管柱的施工誤差是前期方案設(shè)計時需重點考慮的。

5) 鋼管柱基礎(chǔ)樁受力大，樁基的選型非常關(guān)鍵，在滿足受力的同時還要控制樁基沉降，從而減小中間樁與圍護結(jié)構(gòu)間的差異沉降。

下面結(jié)合合肥軌道交通1號線大東門站地下4層蓋挖逆作車站設(shè)計來研究上述5個問題的解決方案。

3 車站設(shè)計創(chuàng)新及要點介紹[4-11]

3.1 大東門站工程概況

大東門站為合肥軌道交通1、2號線的換乘站，位于勝利路和長江東路交叉路口西側(cè)，站臺寬度為14 m，兩站斜交呈T型換乘。受區(qū)間下穿南淝河、市政下穿隧道(長江東大街隧道)等影響，車站埋深較大，故該站1號線部分為地下4層站，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度為31～33 m，寬度約為23 m；2號線部分為地下3層站，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度為22.5～24.5 m，寬度約為23 m。1、2號線同期建設(shè)，總建筑面積為35 020 m2，其中1號線總建筑面積為17 005 m2,2號線總建筑面積為18 015 m2。1號線車站上方規(guī)劃有市政下穿橋(勝利路下穿)二者同步設(shè)計，同期施工(見圖3)。

圖3 大東門站平、剖面及效果圖

該站周邊臨近的建(構(gòu))筑物主要有：

1) 南淝河。河面寬度約為60 m，河深約為10 m。河堤為重力式擋土墻結(jié)構(gòu)，無護坡樁。1號線車站主體基坑距河堤約為24 m，2號線主體基坑距河堤僅為4.5 m。

2) 古井假日酒店。為五星級大酒店，主樓29層，裙樓5層，地下室2層，底板埋深約11 m。基礎(chǔ)形式為樁基(人工挖孔樁)，樁長14.2 m(即樁底在地面以下約25 m)。1號線車站地下4層主體基坑深度超過樁基深度6～8 m。

3) 圣大國際。圣大國際地上18層，地下2層，底板埋深約為9 m。基礎(chǔ)形式為樁基(人工挖孔樁)，樁長為13.5～18 m(樁底在地面以下22～27 m)，與該站2號線部分主體基坑凈距僅為10.6 m。

4) 銀路酒店。銀路酒店有1層 半 地 下 室、地 上 主體為5層框架結(jié)構(gòu)，采用350 mm×350 mm預(yù)應(yīng)力方樁基礎(chǔ)，樁長15 m。與該站2號線部分主體基坑凈距僅為12.8 m,與雙層風(fēng)道凈距8.8 m。

該站地貌類型屬于南淝河河床、河漫灘及一級階地。車站基坑側(cè)壁土層自上而下主要為雜填土①1層、粉質(zhì)黏土②1層、粉土②2層、粉細砂②3層、強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖⑥1層、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖⑥2層。粉質(zhì)黏土②1層呈軟塑—硬塑狀，土層壓縮性較高，在臨近南淝河一側(cè)土層較軟弱，粉土②2層、粉細砂②3層為承壓水(三)含水層，在地下水作用下易發(fā)生涌水、流砂、涌土等現(xiàn)象。承壓水(三)的水頭埋深為 1.59 ～ 9.58 m，含水層滲透系數(shù) 2.31×10-3cm/s，水中侵蝕性二氧化碳濃度為16.39～19.62 mg/L，擬建工程環(huán)境作用等級為Ⅴ-C。車站地質(zhì)剖面圖見圖4。

圖4 大東門站地質(zhì)剖面

綜上所述，大東門站基坑屬于深大、異形、臨河、緊鄰高層建筑、偏載、工程地質(zhì)條件復(fù)雜的基坑。為控制基坑變形、確保周邊環(huán)境安全，經(jīng)過多輪方案比選、專家論證最后選擇了蓋挖逆作施工，圍護結(jié)構(gòu)選用地下連續(xù)墻。

3.2 疊合墻和復(fù)合墻的選用

一般來說，疊合墻車站的綜合造價要稍低于復(fù)合墻車站，但其施工難度較大，施工質(zhì)量不易保證，薄弱環(huán)節(jié)較多，具體表現(xiàn)為：1)預(yù)留鋼筋接駁器難度較大，結(jié)構(gòu)板鋼筋對接難度大且連續(xù)墻接縫處無法預(yù)留鋼筋連接器；2)邊節(jié)點接縫漏水腐蝕鋼筋，邊墻裂縫多，易發(fā)生滲漏事故，相關(guān)文獻調(diào)查表明，深圳地鐵一期工程共有7個站采用疊合墻方案，均存在不同程度的側(cè)墻豎向滲水裂縫，有的間距僅為2～4 m[12-13]；3)后期堵水費用較高，維護成本高。

結(jié)合該站臨河、地下水位高且具承壓性，含水層為粉砂層，透水性大等特點，選用復(fù)合墻結(jié)構(gòu)防水質(zhì)量更有保障，故通過綜合比選，選擇了復(fù)合墻結(jié)構(gòu)。

3.3 頂板、中板與地連墻結(jié)合方式的創(chuàng)新

3.3.1 頂板與連續(xù)墻的連接方案

該站地連墻施工階段需作為豎向構(gòu)件承擔(dān)施工期間的豎向荷載，永久工況要兼做抗浮樁。為同時能實現(xiàn)這兩個功能，采取在地連墻施工時預(yù)留頂板的“隼接凹槽”的做法，并在“隼接凹槽”內(nèi)預(yù)埋鋼板解決局部受壓的問題(見圖5)。

3.3.2 頂板與側(cè)墻交接處拉彎受力解決方案

如前所述，側(cè)墻頂部所受的拉力將是地下2層站的3倍，彎矩也遠大于地下2層站的彎矩，僅靠增加配筋很難解決施工階段拉彎受力問題。在方案研究過程中也曾經(jīng)討論過以下2個方案：

1) 在側(cè)墻中增加預(yù)應(yīng)力鋼筋或鋼絞線方案，該方案的缺點是施工復(fù)雜，工藝要求高，難于控制，質(zhì)量保障較難。

2) 在兩側(cè)的邊跨中增加臨時性鋼柱及其樁基，采用分擔(dān)受力的方案。該方案的缺點是造價高，立柱多影響施工，且側(cè)墻受力仍較大，側(cè)墻頂部配筋密集。

在否定了上述2個方案后，參考頂板與地連墻連接的做法，提出了利用地下連續(xù)墻混凝土保護層(70 mm厚)預(yù)留樓板“隼接凹槽”的做法。為確保“隼接凹槽”的質(zhì)量及局部受壓要求，在“隼接凹槽”上下方分別設(shè)置了70 mm×70 mm的角鋼，并要求鋼筋籠綁扎時用泡沫板或方木臨時填充該凹槽，以方便后期鑿除。此外，對車站主體側(cè)墻接出入口、風(fēng)道處，在側(cè)墻上開大洞，傳統(tǒng)的做法需將洞內(nèi)豎向鋼筋拉通設(shè)置(后期再切斷)，以解決施工期間洞口下方墻體的懸掛問題。該方案由于樓板可以插入隼槽，洞口下方的墻體直接懸掛在樓板上，方便、簡單、效果好。目前該站土建主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)竣工1年多，未見開裂及滲漏水情況。

圖5 板墻隼接做法

3.4 AM可視旋挖擴底灌注樁的應(yīng)用

該站受頂板上方勝利路下穿橋標(biāo)高的影響，施工期間頂板上的覆土較厚(局部達5.3 m)，施工期間的鋼管柱樁基的豎向承載力特征值較大，為11 760～13 500 kN；在正常使用期間，車站頂板上方局部覆土僅約1 m厚，樁基礎(chǔ)兼作抗拔樁使用，需要的抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值為14 130～17 650 kN。如果采用普通的擴底樁基，樁徑為2 m，擴底直徑為3 m，樁長需26.5～33 m，通過調(diào)查了解，采用普通的施工工藝在中風(fēng)化巖層中施工擴底直徑為3 m的樁基，比較困難，且擴底效果很難保證。

經(jīng)過充分的調(diào)查研究，大東門站鋼管柱的樁基礎(chǔ)選用了AM可視旋挖擴底灌注樁，簡稱“AM 工法樁”。該樁采用全液壓電腦管理映像追蹤快換魔力鏟斗可控可視工藝，通過魔力鏟斗干取土挖掘(成孔)電腦管理映像追蹤等施工方法挖掘出直樁后，用全液壓擴底快換魔力鏟斗擴大相應(yīng)部位。操作人員只需要按照設(shè)計要求預(yù)先輸入電腦的擴底數(shù)據(jù)和形狀進行操作，樁底端的深度及擴底部位的形狀、尺寸等數(shù)據(jù)和圖像，通過檢測裝置顯示在操作室里的監(jiān)視器上，全程可視化施工，施工質(zhì)量有保障。

由于采用AM樁可以電腦控制可視化在任何部位擴底，且質(zhì)量有保障，因此設(shè)計時選擇在中風(fēng)化巖層中兩次擴底，樁長優(yōu)化至20 ～25 m，單樁長度縮短了 33%，混凝土用量減少了30%，單樁造價節(jié)省約 20%。

3.5 HPE液壓垂直插入鋼管柱工法的應(yīng)用

該站為地下4層蓋挖逆作車站，基坑深，鋼柱柱長度達31.6 m，且施工精度要求高。

常規(guī)的鋼管柱在安裝施工過程中，工人要下到孔底進行混凝土的鑿除及定位器安裝，存在諸多不安全因素，且單根鋼管柱施工周期長達10～20 d，施工成本較高，影響車站工期。

HPE液壓垂直插入鋼管柱工藝，根據(jù)二點定位的原理，通過HPE液壓垂直插入機機身上的兩個液壓垂直插入裝置，在支承樁混凝土澆筑后、混凝土初凝前，將底端封閉的永久性鋼管柱垂直插入支承樁混凝土中，直到插入至設(shè)計標(biāo)高。該工藝施工過程中完全采用機械化作業(yè)，無需人工安裝定位器，減少了人為因素，將鋼管柱插至混凝土頂面后，可以根據(jù)鋼管柱下部安裝的位移傳感器反映到電腦上的信號來檢測鋼管柱的垂直度，保證插入鋼管柱的垂直度符合要求，垂直度可達1/500～1/1200，保證了施工質(zhì)量。大東門站鋼管柱施工完成后，檢測結(jié)果顯示鋼管柱偏位值都控制在1/500以內(nèi)。該工藝平均完成單根鋼管柱安裝時間為10～20 h，單根鋼管柱安裝的施工工期縮短了70%以上(見圖6、7)。

圖6 HPE液壓垂直插入鋼管柱現(xiàn)場施工

圖7 車站施工完成后

3.6 多軟件進行計算分析

鑒于本站的復(fù)雜性，設(shè)計過程中采用了sap84、理正深基坑、Midas、ANSYS等多種軟件進行對比計算分析，對圍護結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)采用增量法進行了詳細的計算分析，并對整個車站進行了抗震三維分析，確保設(shè)計安全、可靠(見圖8)。

圖8 三維抗震計算分析模型及位移云圖

4 結(jié)語

目前，大東門站主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)竣工超過1年，車站內(nèi)部未見滲漏水現(xiàn)象。根據(jù)第三方監(jiān)測單位提供的 1 號線大東門站的監(jiān)測報告，基坑周邊地表最大累計沉降量為-21.6 mm，最大變形速率為-0.32 mm/d，小于控制值30 mm； 基坑圍護結(jié)構(gòu)水平變形，最大累計變形量為 +21.55 mm，最大變形速率為+0.34 mm/d，小于控制值30 mm；古井酒店最大累計變形為-6.9 mm，最大變形速率為-0.16 mm/d，圣大國際最大累計變形為-6.6 mm，最大變形速率為-0.32 mm/d，銀路酒店最大累計變形為3.8 mm，最大變形速率為0.14 mm/d，均小于控制值10 mm；中間樁與地連墻最大差異沉降為9.1 mm，小于控制值20 mm；監(jiān)測值均在正常范圍。實踐證明，該站的設(shè)計方案及幾種新做法是成功的，相關(guān)經(jīng)驗可供類似工程參考。

[1] 地鐵設(shè)計規(guī)范：GB 50157—2013[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2013.

[2] 有智慧.樁基后壓漿技術(shù)在地鐵蓋挖車站中的應(yīng)用[J].都市快軌交通，2015，28(3)：89-93.

[3] 胡顯鵬.增量法與總量法在地鐵結(jié)構(gòu)計算中的應(yīng)用[J].都市快軌交通，2013，26(1)：75-80.

[4] 北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司.合肥市軌道交通1號線大東門站施工設(shè)計圖:A版[A].北京，2012.

[5] 北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司.合肥市軌道交通2號線大東門站施工設(shè)計圖:A版[A].北京，2012.

[6] 北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司.合肥市軌道交通 1 號線一期工程大東門站(車站主體部分)巖土工程勘察詳勘報告[R].北京，2010.

[7] 可視旋挖擴底灌注樁技術(shù)規(guī)程：DBJ/CT 093—2010 AM[S].上海，2010.

[8] 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB 50010—2010[S].北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[9] 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：CECS 28：2012[S].北京: 中國計劃出版社，2012.

[10] 施仲衡.地下鐵道設(shè)計與施工[M].1版.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

[11] 王元湘.地下鐵道深基坑工程圍護結(jié)構(gòu)的計算[J].世界隧道，1998(2)：1-10.

[12] 劉樹亞.地鐵疊合結(jié)構(gòu)車站側(cè)墻開裂探析[J].中國建筑與防水，2006(5)：13-17.

[13] 北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司.合肥市軌道交通 1 號線一期工程大東門站第三方監(jiān)測報告[R].北京，2015.

(編輯：郝京紅)

Key Points of Subway Station Design with 4-storey Underground by Covered Top-down Excavation Method

Hu Xianpeng

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing 100037)

The process of covered top-down excavation method and five key issues including anti-floating, tension bending stress control of side wall, force control of steel tube column, construction error control of steel pipe column, control of differential settlement between piles and side piles, are introduced for the structure design of a 4-storey underground station constructed by the covered top-down excavation method. Taking the structure design of Dadongmen station, Hefei Rail Transit Line 1 as an example, a 4-storey underground station built by the covered top-down excavation method, the author presents suggestions to solve the five problems, such as the wall mortise connection, AM pile, HPE hydraulic vertical insertion steel pipe column method and so on. The solutions put forward in the paper can be referenced for similar projects.

urban rail transit; covered top-down excavation method; AM pile; HPE hydraulic vertical insertion steel pipe column method; the wall mortise connection way; diaphragm wall panel trench

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.06.017

2016-02-23

2016-05-27

胡顯鵬，男，碩士，高級工程師，主要從事軌道交通設(shè)計研究工作，35380174@qq.com

U231.4

A

1672-6073(2016)06-0082-05