地鐵車站蓋挖逆作法施工關鍵技術研究綜述

劉 戈，趙麗平

(天津城建大學 土木工程學院，天津 300384)

城市交通

地鐵車站蓋挖逆作法施工關鍵技術研究綜述

劉 戈，趙麗平

(天津城建大學 土木工程學院，天津 300384)

由于地鐵車站所處環境極其復雜，蓋挖逆作法以其占地少、回填小，快速覆蓋、縮短中斷交通時間，低噪音、少粉塵，不擾民等諸多優點，被廣泛用于地鐵車站施工中．筆者介紹了地鐵車站蓋挖逆作法施工技術的工作機理及其發展歷程，重點從蓋挖逆作法的圍護結構、中間支撐柱、土方開挖三方面施工技術進行研究．通過對大量關于地鐵車站蓋挖逆作法研究文獻的統計，針對以上三方面，對其最新施工工藝進行總結，為相關施工技術研究的專家學者提供一個最新的研究動態，也可為其他工程建設人員提供技術支持．

地鐵車站；蓋挖逆作技術；圍護結構；中間支撐柱；土方開挖

社會經濟的快速發展使得城市交通擁擠問題越來越突出，修建地鐵成為有效緩解城市交通的有效途徑之一．由于地鐵車站大多在人口密集、交通流量大的城市中心區修建，受城市交通、施工場地、周圍環境的限制，采用一般地下工程施工技術施工難度較大[1]．而蓋挖逆作法在建筑物密度大、施工場地狹窄、地層結構復雜的施工環境中有很大的優越性．首先，蓋挖逆作法首層結構梁板作適當加強后可作為施工平臺，有效地縮短了施工占地時間，緩解了地鐵施工對城市交通的干擾；且蓋挖逆作法是在地下作業，施工過程產生的噪聲和粉塵對周邊環境影響大幅度減小．其次，蓋挖逆作法車站的支撐體系是由地下連續墻和地下室結構組成，該支撐體系不僅具有承重功能，同時兼備擋土、擋水功能．其抗側移剛度大，能較好地控制開挖過程中基坑變形及周邊建筑和地面沉降[2]．蓋挖逆作法的這些優點為城市地鐵的建設創造了很多有利的條件，被廣泛應用于地鐵車站建設，成為地鐵建設中最重要和最基本的施工方法．

本文旨在總結目前地鐵車站蓋挖逆作法施工技術研究動態，側重研究圍護結構地下連續墻施工技術、中間支撐柱施工技術、土方開挖施工技術．通過分析總結，對已有施工工藝成果提出建議，為今后地鐵車站蓋挖逆作法施工技術研究提供一個最新的研究動態．

1 概 述

1.1 地鐵車站施工方法的比較

目前修建地鐵車站的施工方法主要有：明挖法、蓋挖法、暗挖法．明挖法施工時需要的施工場地面積比較大，且施工期間長時間中斷路面交通，對周圍環境影響大．暗挖法施工對地質條件要求高，施工技術復雜、施工風險大、機械化程度低.且地鐵車站常常是集地下街、人行過道于一體的有綜合功能的車站，層數一般在3～6層，因此暗挖法很難實現其深度和寬度的要求．在選用地鐵車站施工方法上，應綜合考慮地鐵車站功能要求、地質條件、道路交通等多方面的因素，蓋挖法除了克服了明挖法和暗挖法的缺點外，同時具備了明挖法車站在功能要求及工期、費用等方面的優勢，又具備暗挖法施工受外界氣候環境影響小，對地面交通干擾小的特點，是值得推廣和研究的一項重要施工技術[3]．

1.2 蓋挖逆作法施工技術原理及發展歷程

蓋挖逆作法施工技術一般是先沿建筑物地下室外墻施工地下連續墻，同時在建筑物內部澆筑中間支撐樁和柱，在施工作業期間至車站底板尚未封閉時，中間支撐柱與周邊圍護結構共同承擔上部結構自重和施工荷載的豎向支撐；然后施工地面首層的梁板結構，作地下連續墻的水平支撐；最后向下進行土方開挖，并澆筑每層地下結構，直到底板結構封底[4].

1933年，日本第一次提出逆作法的設想.1950年，意大利米蘭 ICOS公司研發了排樁式地下連續墻，之后又提出了“兩鉆一抓”的地下連續墻施工方法．到20世紀60年代初，出現了低振動、低噪聲的機械，如貝諾特挖掘機、鉆孔挖掘機等，機械化施工促進了逆作法的推廣使用[5-6]．20世紀 70年代以后，打樁機械的進步在一定程度上提升了中間支撐柱的垂直精度[7]．在地鐵車站施工方面，20 世紀 50 年代末意大利米蘭地鐵車站首次采用蓋挖逆作法施工；20世紀60年代中期至80年代末，在慕尼黑城市的五十七座地鐵車站中有二十座采用了蓋挖逆作法施工技術[8]．

我國相比其他發達國家在地鐵施工中應用蓋挖逆作法比較晚，我國首條運用蓋挖逆作法的地鐵車站是在1992年2月10日開工的上海地鐵陜西南路和常熟路兩座車站，1992年12月20日恢復地面交通，施工封路時間比明挖順作法節省了一年零一個月，大大縮短了占用路面時間[9-10]．1997年逆作法列入冶金工業部發布的行業標準《建筑基坑工程行業規范》(YB9258—97)；2002年該方法被列入國家標準《建筑地基基礎設計規范》；2005年，建設部將逆作法列入《建筑業 10項新技術》，并進行推廣；2010年12月 20日住房和城鄉建設部發布了中華人民共和國行業標準之《地下建筑工程逆作法技術規程》(JGJ165—2010)，該規程統一介紹了地下建筑工程逆作法技術，促進了該技術的發展；繼2005年后，又于 2010年、2014年再次列入建筑業10項新技術，極大地促進了逆作法的推廣應用[11-13]．截止2015年初，我國已經有北京地鐵復八線的永安里站、大北窯站、天安門東站；北京地鐵十號二期線潘家園站、十里河站；南京地鐵的三山街站、新街口站等大多數地鐵車站施工采用了蓋挖逆作法．

2 地鐵車站蓋挖逆作法施工關鍵工法的研究動態

2.1 圍護結構施工技術研究

地下連續墻集承擔水土壓力、防水截滲及豎向承重三重功能于一體，廣泛應用于地下工程的圍護結構.而地下連續墻成槽在地下連續墻施工中是一道最重要的工序，因此國內專家對成槽的施工工藝進行了大量研究和實踐．

在杭州市地鐵 1號線文化廣場站工程中，針對此工程地下障礙物較多，埋置深淺不一的情況，采用HS843HD(利渤海爾)成槽機進行成槽，利用利勃海爾成槽機本身具有的沖擊性能，快速解決了在不同深度遇到大塊石，進尺困難的問題．同時，在成槽過程中可通過計算機顯示系統進行垂直度跟蹤觀測，當出現偏離現象可以自動進行垂直方向偏斜糾正，保證了地下連續墻的垂直度，使該工程順利地達到 3%的垂直度要求[14]．上海是典型的沿海軟土地區，針對上海地下水富裕、土質軟弱并且有含砂層的地質條件，高學春以上海軌道交通明珠線二期工程的某車站為例，開挖槽段采用日本進口的MHL-60100AY型、MAL80120AY型液壓抓斗和KHl80履帶式起重機配套的槽壁挖掘機，對于上部軟弱土層采用抓斗成槽機施工．挖掘地下墻若遇到土層較硬，采取先用鉆機以液壓抓斗開斗的寬度為間距鉆成疏導孔，然后用液壓抓斗挖掘機向疏導孔挖掘除兩孔之間的土體．該方法確保上部槽孔垂直度達到設計要求，從而確保了軟土地區硬土層的成槽，同時大大提高了施工效率[15]．

通過對天津地區各工程成槽施工情況考察得知，天津地區目前成槽機械均采用的是液壓抓斗成槽機．對于天津市區土層上部軟下部硬、下部砂層土質不厚，機械在施工上部軟土時容易發生塌槽，施工深部砂土時不易抓取，垂直度很難保證等問題，雖然可以用液壓抓斗成槽機抓土，但是抓土較困難．楊寶珠、張淑朝認為可以使用抓斗重量大、閉合力大的設備，基本能夠安全成槽，確保成槽的質量要求．對于濱海新區，可采用液壓抓斗施工上部的軟土土層，對于基坑深處標貫值較大、土質較厚的砂層，可以采用銑槽機或鉆抓相結合的方法成槽[16]．針對軟土地層地下連續墻成槽施工，文延慶認為在成槽機開槽同時應該適當選擇輔助性措施．以深圳地鐵11號線機場站為例，該工程地層為海相淤泥，厚度大、含水率高、人工擾動后流塑性強．此時，地下連續墻成槽采用沖擊鉆引孔施工，當個別槽段連續墻發生傾斜時，采用深層水泥攪拌樁護壁輔助施工，保證了地下連續墻順利成槽和成槽的質量要求[17]．位于長沙市的 2號線溁灣鎮站，該工程施工場地下為斷層破碎帶及巖溶地帶，在此不良地質條件下成槽施工非常容易出現偏孔、擴孔和漏漿的現象；軟弱地層中的孤石容易出現成槽機和沖擊鉆卡鉆問題．針對此類現象，李凌宜采用沖擊鉆配備圓錘密排引孔、沖擊鉆配備方錘修槽、成槽機挖槽的“三步一體”的成槽施工方法．通過圓錘與方錘的配合，確保了成功破碎斷層破碎帶及巖溶地層中大部分巖層，易于成槽，且施工過程中槽段形狀穩定，順利解決了軟弱不均勻地層帶來的塌方、擴孔現象和巖溶地帶的溶洞、灰巖段等地層出現的塌孔、孤石問題[18]．王輝在廣州市軌道交通某車站引進了雙銑槽機，由于該工程地處于巖石強度高、巖層起伏大的灰巖地區，采用一般沖樁機施工易出現成槽擴孔系數大、偏孔等問題．與一般的施工方法相比，雙輪銑槽機更加適用于不同的灰巖區域．該機械在灰巖地區振動小、施工安全、成槽效率高，彌補了廣州地鐵在灰巖地區的地下連續墻采用銑槽機施工的空缺[19]．FAN結合工程的地質結構情況，單元槽段成槽采用“抓沖結合”的方法，用抓斗槽壁機進行挖槽，且槽壁機上有垂直最小顯示裝置[20]．

從目前地下連續墻的成槽施工工藝研究程度來看，成槽設備的技術進步使得地下連續墻的成槽精度和工作效率有了很大提升，同時還存在一些問題有待改善．首先，在成槽機械的實際應用方面，對于不同的地層必須采用不同的設備，限制了一些機械設備的使用條件，因此在研發新的成槽機械同時，應盡量考慮到設備適用地質條件的廣泛性．其次，一些成槽設備進場和使用成本較高，例如，目前最先進的地下連續墻成槽機械銑槽機，該設備昂貴，維修成本高．最后，在引進先進設備的同時，可以考慮一機多用，如何充分挖掘設備潛力，充分發揮設備的技術優勢，將是未來研究機械設備潛在經濟效益的一個重要方向．

2.2 中間支撐柱施工技術研究

對于蓋挖逆作法施工車站，對中間支撐柱的高程、平面位置和垂直度要求非常嚴格，因此施工的關鍵技術在于中間支撐柱的精確定位和安裝．傳統的中間支撐柱定位調垂方法為 HPE液壓垂直插入法、糾正架法、導向套筒法．通過閱讀大量文獻發現，專家學者在鋼管柱的定位和安裝方面做了大量研究和改進．

我國蓋挖逆作法鋼管柱常規的調垂方法都是依靠調垂設備之間以調節鋼管柱的垂直度．由于這些設備安裝在地下深處，安裝和拆除都相當困難．對于這些問題，胡玉銀等人提出了基于激光定位的逆作法鋼立柱間接法調垂施工方法，施工原理是將調垂平臺和鋼管柱組合，然后放置于地面，以液壓為動力，用計算機自動控制調整調垂平臺的垂直度，從而使鋼立柱垂直度達到要求．該工藝操作方便、調垂精度高、施工效率高．隨后該施工方法在上海銅山街、武漢永清等多個工程中得到推廣應用，并帶來良好的經濟效益[21]．在中間支撐柱施工中，鋼管柱一般直接插人工程樁基中形成中間樁柱一體化．但在天津濱海國際機場擴建配套交通中心工程中有部分鋼管柱位于結構底板梁上，由于鋼管柱下方沒有工程樁，導致不能使用常規方法施工．因此郭凱、李樂研發了鋼管柱分節定位安裝技術，該技術是把鋼管柱分為上、中、下 3節，當施工結構頂板時先安裝鋼管柱的上節，施工底板結構時安裝鋼管柱的下節，復核鋼管柱上節和下節以后再進行鋼管柱中間段的安裝.事實證明，鋼管柱分節定位安裝施工工藝在后起鋼管柱的安裝施工中具有良好的應用價值[22]．唐劍、付洵等人以武漢地鐵洪山廣場站為例，綜合考慮到車站的地質條件、基坑本身結構和施工單位技術力量等因素，采用下部定位器加上部絲杠的方法進行定位，鋼管柱下端定位主要依賴于定位器，上端用絲杠定位．與傳統 HPE工法相比，該定位方法施工偏差均比允許差值小，操作性較強，施工成本僅為HPE工法成本的24.2%，具有很大的經濟效益[23]．在傳統工法HPE液壓垂直插入法的基礎上，王立玲結合深圳11號線松崗站采用旋挖鉆機＋HPE插管機聯合安裝鋼管立柱的施工方法：利用德國寶峨 BG25C旋挖鉆機成孔，待樁基混凝土澆筑到基坑底標高后，且在混凝土初凝之前前，采用HPE液壓垂直插入機把底部封閉的永久性鋼柱插入支承樁的混凝土中，直到達到設計高度要求．該方法解決了傳統方法施工周期長、工序復雜、成本高的問題，大大提升了鋼管柱的安裝效率[24]．張斌等人采用導向法固定架對樁柱進行固定，其原理是采用孔口調垂架承受鋼柱自重，在孔口調整鋼管柱的垂直度，鋼管柱的底端采用導向定位器來控制它的定位偏差．當鋼管柱在下降到要求的設計標高時，鋼管柱下部的導向定位器就會自動調整鋼管柱的運動軌跡．文章對首根鋼管柱做了試驗，針對試驗出現的混凝土離析問題，對鋼管柱進行了改進：切割了鋼管柱下端定位器的尖端部位，從而確保了鋼導管順利插入混凝土交界面底部．與常規的施工方法相比，該施工方法不但提高了鋼管柱混凝土的施工質量，而且大大提升了鋼管柱的垂直度[25]．在深圳市地鐵 7號線福民站工程中，基坑中有2排鋼格構柱，其中最長達26.41,m，由于格構柱較長，導致吊裝和定位困難，為了確保其定位精度和成樁的質量，設計了一套專用定位裝置．該裝置由基座及定位盤兩部分組成，用安裝在定位盤上的八個25螺栓以調節格構柱的平面位置，依靠四角處的四個千斤頂來調整定位盤的表面平整度，從而使格構柱的垂直精度達到要求．這種定位裝置通過在 7號線福民站的應用結果證明，中間支撐柱的成樁質量和垂直精度足以滿足施工設計的要求，順利地解決了定位和垂直度難控制的難題[26]．炊鵬飛等人在北京地鐵14號線東湖渠站工程中，對中間立柱施工工藝做了以下三點改進．

(1)將原設計的最大鋼管套筒長度 18.39,m改為8.39,m.通過鋼套筒長度的優化，降低了運輸難度和運輸費用，提升了鋼套筒安裝的經濟性和安全性．

(2)將定位器的豎向支撐變為高 450,mm的鋼筋架子，將鋼筋托架與鋼套筒和定位器的十字板焊接牢固，依靠鋼筋托架托起定位器，這種施工工藝不僅充分滿足了鋼管柱安裝定位精度，重點是極大地簡化了中間支撐柱的施工工藝．

(3)固定鋼管柱上口時，在鋼管柱頂部和鋼套筒上焊接臨時的掛鉤，通過調節花籃螺絲和鋼管柱上口平面位置來保證鋼管定位精度，花籃螺絲和掛鉤可以重復使用，該施工工藝簡單方便，而且施工成本低[27].

CAI等在某工程中為防止中間支撐柱和邊柱在逆作法期間因不可見因素帶來的強度影響，決定把柱增大截面到同樁截面，同時也便于人工下樁進行梁鋼筋預埋[28]．

經過大量研究發現，盡管定位及調垂施工工藝在根據不同技術特點的工程不斷創新優化，調垂設備趨于高精度化，但是同時存在很多問題有待改進：首先，有些機械設備龐大，而這些設備大多在地下施工，導致在柱與柱之間轉移麻煩，占用人力資源大，拖延工期；其次，設備價格昂貴，維修費用不菲，給施工費用帶來很大壓力．為此，在研究改進新設備的同時，在保證定位及調垂設備施工精確度的情況下應盡量簡化機械裝置，一方面給使用、轉移設備帶來方便，另一方面可減少施工費用．

2.3 土方開挖施工技術研究

基坑土方開挖是基坑工程乃至整個工程中最關鍵的一部分，基坑土方開挖的效率很大程度上影響著整個工程工期的長短，尤其土方開挖工程量大的基坑更應該重視這個環節[29]．因此，專家學者對改善土方開挖出土效率的問題作了大量探索和研究.

在廣州云外倉儲江燕路項目中，蘇偉、張明等人在工程中取消了常規的逆作法棧橋或桁架吊車出土，減少土方開挖預留洞口，應用永久車道和坡道相結合作為逆作出土通道，土方車開到取土面來裝車，因此將逆作方法出土變為正作方法出土，比常規的施工方案出土速度高出了一倍．成功解決了傳統逆作法設備出土效率不高的缺陷和不足，取得了良好的經濟效益[30]．對于狹長形的基坑，由于土洞口距離較長，加上分段開挖土方水平運輸與支撐的空間矛盾，導致施工效率降低.徐安軍利用上海西站15號線地鐵車站工程，提出了通道式土方開挖工藝．這種開挖方法首先在基坑的中部挖土，從而形成一條縱向的作業通道，然后從遠離出土口的一側進行分段開挖，開挖的同時進行支撐制作養護．實踐證明，通道式土方開挖工藝比傳統的分段推進式開挖作業時間縮短88天，土方開挖和運輸工效提高了 40%,，經濟效益非常明顯[31]．通常土方開挖垂直運輸采用龍門吊、挖掘機接力轉運，但往往地鐵車站基坑受場地限制不能全部采用這兩種方法，而用吊機吊土成本高，采用長臂挖掘機由于基坑深度問題，難以直接將土運到地面．因此，洪三全、蔣學文提出了中繼轉運土臺出土技術，即制作鋼板平臺，基坑內設置 2臺小型挖掘機挖土，基坑邊放置1臺長臂挖掘機，把土轉運到鋼板平臺后，再將鋼板平臺上的土用長臂挖掘機挖到地面直接裝車運走.此方法給施工帶來便利，有很大技術應用價值[32]．

對于地鐵車站端部里程較短的部位，該處是不規則形狀的基坑，選擇合適的開挖方案是工程的難點．以天津地鐵 5號線思源道站為例，異形段基坑為環形輻射支撐體系，利用棧橋作為挖土平臺，采用長臂挖掘機和普通挖掘機配合倒土．土方開挖采取盆式開挖的方法，先開挖基坑環梁中間部分，然后開挖基坑周圍和支撐下的土方，開挖順序呈同心圓的形式向外開挖，三個工作面同時開挖．該施工方案可為地鐵車站異形基坑工程提供技術參考和借鑒[33]．在上海地鐵二號線陸家嘴車站工程中，車站南側毗鄰雨水泵房，如果采用常規方法進行開挖，泵房可能由于沉降過大而破壞．雖然在基坑外對地基做了大量加固，但還是未能達到要求．為了確保泵房原有結構，同時防止泵房結構下降，在基坑土方開挖過程中引入了時空效應原理，改進了常規的基坑開挖施工工藝，有效地保護了泵房結構，成為地基加固結合引入時空效應原理在實際施工應用中取得成功的實例[34]．Matsuo介紹了一種新的土方開挖方法：水力排土法．它是一種利用水的沖力和流動性進行排土的方法，但是需要周圍有充足的水源才能使用，具有一定的局限性[35]．在福州某地鐵車站工程中，基坑開挖范圍內主要是淤泥質軟土和風化巖層，風化巖層具有一定的強度，可以直接采用挖掘機進行開挖，而淤泥質土層，開挖機械不易行走，不利于開挖工作．因此，蔡永元等人針對不同工況制定了不同的開挖方式：對于表層開挖，采取建筑垃圾回填＋明排水的方式開挖；對于第二、三層，在風化巖層采用明排水方式開挖；在淤泥質土層開挖時，為了方便機械行走，機械履帶下鋪上路基板，在工作面周圍開挖面以下 50,cm挖排水溝；并在基坑的最深處設置集水井，也就是路基板＋集水明排的方式開挖.通過采用多種方式結合的開挖模式，減少了開挖過程中遇到的問題，達到了既保證質量、安全，又能節約成本的效果[36].

從現有土方開挖施工技術研究程度來看，在針對不同工況制定正確的開挖方案的前提下，選擇挖土機械和運輸設備是提高出土效率的關鍵．在施工機械方面，目前已應用到逆作法施工中的有龍門吊配合大方量抓斗、伸縮臂抓斗、高速電動葫蘆、傳送帶等新型設備．未來機械設備研發的的方向應重點開發低凈空取土的設備，有效解決上部施工凈空問題；在已有逆作取土架設備基礎上改進、創新，提升土方開挖機械取土效率；對于超深深基坑，研發超深基坑逆向的人和貨物可以兩用的升降機械，從而提高人和貨物上下基坑的效率．土方開挖施工機械的創新、優化將會很大程度影響整個工程的建設周期和施工質量.

3 結 語

目前，對于地鐵車站蓋挖逆作法施工技術的認識主要建立在對一些工程經驗的總結，其理論分析還不夠成熟，使得蓋挖逆作法相關的研究工作開展得相當有限．隨著施工機械設備、工藝以及施工管理的不斷更新與進步，雖然深基坑蓋挖逆作法施工技術水平有了大幅度提高，但是進一步研發有針對性、便于操作性、經濟實用型的機械設備，加強施工工藝優化創新等仍是未來發展的重點．只有充分掌握好蓋挖逆作關鍵施工技術，如該文中討論的圍護結構施工技術、中間支撐柱施工技術、土方開挖施工技術等，做到施工工藝科學，施工組織合理，施工機械設備類型適用，才能充分展現出蓋挖逆作法在地鐵車站施工中的優勢.

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Review of the Key Technology for Top-Down Inverse Construction Method of Subway Station

LIU Ge，ZHAO Liping
(School of Civil Engineering，TCU，Tianjin 300384，China)

Because the environment around a subway station is very complex，top-down inverse construction method，due to its less area occupation and backfill；fast coverage，the short time of interruption of traffic；low noise，less dust，not disturbing and many other advantages，is widely used in subway station construction．This paper firstly introduces the working mechanism and development history of the top-down inverse construction method of subway station，and then focus on the construction technology of the three aspects of the retaining structure，central pile-columns，and the excavation of the earth with a great deal of statistics of the research literature on top-down inverse construction method of subway station．It finally summarizes the latest construction technology of the expert scholars about the above-mentioned three aspects，provides a new research on the construction technology research and technical support to other engineering construction personnel.

subway station；top-down inverse technology；retaining structure；central pile-columns；excavation

U231.4

A

2095-719X(2016)05-0387-06

2015-10-15；

2015-12-14

天津市建委重點項目(2010軟-11)

劉 戈（1977—），男，天津人，天津城建大學教授，博士．