某密集交通道路下方地鐵換乘車站半蓋挖法設計

趙其軒, 李朝龍, 沙開萊, 高成博

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司, 上海 200092)

地鐵車站一般位于城市干線，建設階段在主干線大范圍占道施工。但由于大范圍占道給交通導行帶來極大困難，不適用于交通繁重地段的地鐵施工。半蓋挖法作為新型施工技術，既克服了逆作法和全蓋挖法施工進度慢、質量較難控制的缺點，又能高效組織交通導行，且其成本較全蓋挖法低，因此在地鐵領域得到了越來越廣泛的應用。本文結合成都某地鐵站設計實例，以永久結構構件作為半蓋挖橋系承重結構的方法作相應研究，對半蓋挖結構主要工況作受力計算和分析。

1 工程概況

1.1工程簡介

該站是成都地鐵6號線一、二期工程的中間站，車站位于錦華路與晨輝東、西路交叉路口。本站為6、7號線“T”型換乘車站，6號線沿錦華路南北向設置，7號線沿晨輝東路東西向設置，7號線屬于在建項目。本站為13 m島式車站，標準段采用雙柱三跨地下三層現澆框架結構，結構標準段寬度22.5 m，車站總建筑面積為17 165 m2，車站主體總外包長度216 m，基坑深度為27 m，覆土厚度約為2.1 m。車站大里程端盾構接收，盾構平推過站后，小里程端盾構始發(圖1)。

圖1 總平面

1.2 工程地質概況

根據鉆孔揭示，場地范圍內上覆第四系人工填土層(Q4ml)；其下為第四系全新統沖洪積層(Q4al+pl)粉質黏土、黏質粉土、中砂及卵石、下伏基巖為白堊系上統灌口組泥巖(K2g)。

擬建車站場地范圍內無地表水徑流。車站起點西北向約350 m為沙河，屬川西平原岷江水系，河寬約40 m，基本已受到人為改造，河床深度、流量以及洪水位等均已受到人為控制，河內水面坡降不大，地表水與地下水水力聯系較弱。

1.3 主要設計原則

(1)車站結構按設計使用年限100 a的要求進行耐久性設計，結構安全等級為一級，其重要性系數γ0=1.1。

(2)車站結構按設防烈度7度進行抗震驗算，并在結構設計時按三級抗震采取相應的抗震構造處理措施，以提高結構的整體抗震性能。

(3)本工程防核武器及常規武器抗力級別均為6級。

2 車站結構設計

2.1 設計周邊環境

該站位于錦華路與晨暉路交叉路口，沿錦華路敷設。錦華路寬40 m，雙向6車道，為成都市城區東部主要交通干線，主體施工期間，錦華路必須滿足地面交通4個機動車道+2個非機動車道通行，所需路面寬度為3.5×4+2.5×2=19m。

道路兩旁緊鄰小區。站位西北端現狀為康郡高層居民住宅小區，東北、東南端現狀主要為金象花園多層磚混居住樓，西南端為康郡小區3期小區以及一座商場。

車站周邊控制性管線主要有：DN700污水(埋深4～4.7 m)、DN700污水(埋深4.6～4.9 m)、DN800雨水(埋深2.7～3.1 m)、DN1000雨水(埋深2.7～3.2 m)、通信、電力、給水、燃氣等。

2.2 車站施工方法選定

為滿足施工期間道路交通要求，從工程施工難度、質量、周圍既有建筑物、管線等多方面因素考慮。車站采用半蓋挖法施工。施工周期分四期進行，保障道路交通運行需求。

(1)一期施工車站A出入口及車站西端示意范圍圍護樁，圍擋面積2 604 m2，圍擋時間4個月。錦華路車輛通過東、西側繞行。保證雙向8+2通行(8×3.5 m機動車道+2×2.5 m非機動車道)(圖2)。

圖2 一期交通導改

(2)二期施工車站主體結構蓋挖部分及車站東側圍護樁，圍擋面積4 188 m2，圍擋時間7個月。錦華路車輛通過東、西側繞行。保證雙向5+2通行(5×3.5 m機動車道+2×2.5 m非機動車道)(圖3)。

圖3 二期交通導改

圖4 三期交通導改

圖5 四期交通導改

(3)三期施工車站主體結構剩余部分，圍擋面積7 775 m2，圍擋時間12個月。錦華路車輛通過東、西側綠化帶繞行。保證5+2通行(5×3.5 m機動車道+2×2.5 m非機動車道)(圖4)。

(4)四期施工車站附屬部分，圍擋面積7 790 m2圍擋時間6個月。錦華路面通行寬度壓縮。保證4+2通行(4×3.5 m機動車道+2×2.5 m非機動車道)(圖5)。

2.3 半蓋挖結構計算

2.3.1 計算斷面

車站主體基坑施工階段，為保障道路交通運行，不具備全斷面開挖的施工條件。采用半蓋挖法進行局部車站頂板施工并架設臨時混凝土立柱(圖6)。

圖6 半蓋挖橫斷面

2.3.2 圍護結構

該基坑工程由圍護結構和豎向承重局部蓋板橋系結構組成。將車站圍護結構體系分開計算。車站標準段采用φ1200@2000灌注樁，圍護樁嵌固深度取5 m；盾構段采用φ1200@1800灌注樁，圍護樁嵌固深度取5 m，圍護樁在盾構洞門影響范圍內的鋼筋采用玻璃纖維筋。內支撐采用四道支撐，第一道支撐為混凝土支撐，第二、三、四道為φ609鋼支撐，樁頂設置鋼筋混凝土冠梁，第一道支撐支撐于冠梁上，第二、三、四道支撐支撐于鋼圍檁上，樁間土采用φ8.0@150×150 mm鋼筋網、150 mm厚C20網噴混凝土封閉。

2.3.3 蓋板橋系結構

豎向承重橋系結構工程由半幅結構頂板、梁和臨時混凝土立柱組成。該橋系結構采用北京大學sap通用結構分析軟件建立計算模型。

2.3.3.1 計算參數

本站車站頂板位于人工填土、粉質黏土或黏質粉土層中，主體結構多位于粉質黏土、黏質粉土、砂層、卵石層及基巖中。車站底板位于中等中風化泥巖層中。根據地勘報告，頂板覆土加權容重按20 kN/m3計算；斷面所在土層加權容重=∑(γihi)/∑hi=20 kN/m3；斷面所在土層加權靜止側壓力系數計算取K0=0.3。

2.3.3.2 計算簡圖

取半蓋挖頂板結構作為車站施工時臨時工況作為計算模型，同時整體計算車站二維框架施工工況及永久工況取包絡設計(圖7、圖8)。

圖7 半蓋挖計算模型

圖8 車站橫斷面計算模型

2.3.3.3 計算過程

設計中不考慮地震和人防等荷載偶然組合，并按照承載力極限狀態和正常使用極限狀態兩種工況驗算結構在施工階段的結構受力。根據以往的設計計算經驗，影響蓋挖結構構件配筋設計主要是施工階段承載力極限狀態控制和正常使用極限狀態裂縫寬度驗算。

計算結果見圖9～圖16。

圖9 蓋挖工況彎矩

圖10 蓋挖工況剪力

圖11 近遠期工況基本組合彎矩包絡

圖12 近遠期工況基本組合剪力包絡

圖13 近遠期工況基本組合軸力包絡

圖14 近遠期工況準永久組合彎矩包絡

圖15 近遠期工況準永久組合剪力包絡

圖16 近遠期工況準永久組合軸力包絡

3 結論與建議

在狹窄的城市空間修建地下工程，既要滿足施工期間地面交通的要求，又要達到節約工期的目的。結合明挖和蓋挖的修筑技術，創新采用半蓋挖法，協調解決了施工用地和快速施工的要求，取得一定的經濟和社會效益。通過對某站的設計研究，結論和建議如下：

(1) 臨時橋系半蓋挖法施工存在工序繁多、施工效率低、投資大等缺點，優化后的方案工序大為簡化，避免不必要的拆除工作和二次市政占道，同時節省了臨時工程的安拆相關費用。

(2) 圍護樁和臨時混凝土柱作為豎向承重構件，保證其壓彎穩定性極其重要，必要時應將水平支撐和豎向鋼管柱協同布置，并有效拴接。

(3) 本文整個半蓋挖結構頂板都作為地面交通，城市交通得到更好地改善。