半蓋挖法在地鐵車站基坑中的應(yīng)用及效果分析

張茜珍，劉 昕（.天津地下鐵道集團有限公司，天津30005；.北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司，湖北武漢43004）

半蓋挖法在地鐵車站基坑中的應(yīng)用及效果分析

張茜珍1，劉 昕2
（1.天津地下鐵道集團有限公司，天津300051；2.北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司，湖北武漢430014）

城市地鐵車站施工受周邊環(huán)境制約較多，選擇合理的施工方法可減小施工與環(huán)境的矛盾。以某軟土地區(qū)地鐵車站為工程實例，通過對比分析各施工方法的優(yōu)缺點 ，詳細(xì)闡述半蓋挖法在城市地鐵車站施工中的應(yīng)用 ，并從設(shè)計、導(dǎo)行、施工三方面對半蓋挖法進行詳細(xì)說明。最后 ，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)對施工效果進行分析，通過分析不同施工工序下地表沉降及圍護結(jié)構(gòu)的變形 ，在合理路橋體系下，半蓋挖法不僅可以有效解決工期緊、交通疏導(dǎo)難等問題，并可取得良好施工效果。

基坑；半蓋挖；交通導(dǎo)行；豎向位移

城市地鐵車站施工受周邊環(huán)境制約較多，選擇合理的施工方法可減小施工與環(huán)境的矛盾。目前我國地鐵車站的施工方法主要有明挖法、暗挖法、半蓋挖法、蓋挖法。其中明挖法為主要施工方法［1］，具有施工方便、施工速度快、受主體設(shè)計進度制約小等特點，但明挖法占地面積大，給交通導(dǎo)行帶來極大困難，不適用于交通繁重地段的地鐵施工［2］。半蓋挖法作為新型施工技術(shù)，既克服了逆作法和全蓋挖法施工進度慢、質(zhì)量較難控制的缺點，又能高效組織交通導(dǎo)行，且其成本較蓋挖法低［3］，因此在地鐵領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

1 工程概述

1.1 工程概況

以某市地鐵1號線和2號線的換乘站作為工程實例，該換乘站位于兩條交通干道的交叉路口下，其中1號線車站主體沿東西方向的道路布置，2號線車站主體沿南北方向的道路布置 ，兩條正線間設(shè)聯(lián)絡(luò)線。其中1號線車站先行施工，車站為地下2層站，開挖深度約16 m，寬度為15.25 m～41.2 m，車站頂板覆土2 m～3 m，采用800 mm厚地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)，內(nèi)支撐體系采用3道混凝土支撐，局部鋼支撐的形式。

車站總體平面圖如圖1所示。

圖1 車站總平面圖

1.2 周邊環(huán)境

車站周邊環(huán)境復(fù)雜，建筑密集，交通繁重。車站周邊建筑多為多層居民樓，條形基礎(chǔ)，與基坑圍護結(jié)構(gòu)最近的距離僅為7 m。東西向道路為雙向六車道的主干道，南北向為雙向四車道的次干道，人口密集，車流量大，施工期間需保證兩條干道的通行需求。

1.3 地質(zhì)條件

本車站所處場地為廣闊的沖積湖平原，水系發(fā)育，地勢平坦。場地表層為人工填土，往下為粉質(zhì)粘土、粘土、粉砂等（見圖2），地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖2 路橋體系剖面圖（即為圖3中的1-1剖面圖，單位:mm）

場地潛水主要分布于人工填土層內(nèi)，穩(wěn)定水位埋深0.8 m～3.4 m；承壓水有三層，其中一、二層對基坑施工影響較大，第三層埋藏較深，對工程施工影響甚微。

2 施工方法比選

2.1 工程條件

根據(jù)該市有關(guān)部門要求 ，車站施工期間須滿足東西向干道機動車雙向4車道及2條非機動車道（含行人）的通行要求，計算其所需路面寬度為3.5 m（機動車道寬）×4+3 m（人行及機動車道寬）×2=20 m。而現(xiàn)狀路寬度約35 m，周邊居民樓距主體結(jié)構(gòu)最近僅7 m，由此可見施工場地極其狹小。

2.2 工法選擇

地鐵車站可選用的施工方法從施工難度、工程質(zhì)量、工程造價等方面綜合考慮，依次為明挖法、半蓋挖法、蓋挖法、暗挖法［4］。由于本站周邊環(huán)境較為復(fù)雜，不具備明挖條件，考慮半蓋挖法和全蓋挖法施工。又因本工程管線埋深較深，全蓋挖法無法解決管線切改問題，最終決定采用半蓋挖施工方法。

采用半蓋挖法施工時，本工程所需的最大圍擋寬度僅為30 m，將道路兩側(cè)的綠化帶改造利用后，可保證最小20 m寬的交通路面寬度，滿足“四機+兩非”的交通要求。且半蓋挖法結(jié)合了明挖、蓋挖兩種方法的優(yōu)勢，既能解決交通疏解問題，又能最大程度的縮短工期，降低工程造價［5］。

不同施工方法在本工程中的適用性如表2所示。綜上所述，1號車站主體結(jié)構(gòu)采用半蓋挖法施工，出入口及附屬結(jié)構(gòu)可采用明挖法施工。

表2本工程不同施工方法對比

3 半蓋挖法的設(shè)計與施工

3.1 路橋體系設(shè)計

3.1.1 路面

根據(jù)軟土流變地區(qū)基坑開挖的監(jiān)測數(shù)據(jù)，架設(shè)第一道支撐時產(chǎn)生的初始位移占圍護結(jié)構(gòu)最終變形40%左右，因此需盡早設(shè)置首道支撐，并提高首道支撐的高度［6］。為了增加支撐剛度，減少圍護結(jié)構(gòu)變形，本工程采用路面板與第一道混凝土支撐結(jié)合設(shè)置，一起現(xiàn)澆；第一道混凝土支撐尺寸1 000 mm× 1 000 mm，橫向間距8 m；路面板厚300 mm，路面板梁尺寸800 mm×900 mm，均為C30混凝土。路面鋪設(shè)范圍及細(xì)部尺寸見圖3～圖4。

圖3 臨時路面鋪設(shè)范圍及細(xì)部圖（單位:mm）

圖4 路面板細(xì)部尺寸圖（單位:mm）

3.1.2 立柱

圍護結(jié)構(gòu)臨時支撐系統(tǒng)采用格構(gòu)柱，路面板下格構(gòu)柱為600 mm×600 mm，其余格構(gòu)柱為400 mm× 400 mm，基坑縱向格構(gòu)柱與格構(gòu)柱之間用角鋼連接，每隔四跨取消一個。立柱基礎(chǔ)為直徑1 m的鉆孔灌注樁，樁長44 m～47 m，格構(gòu)柱插入鉆孔樁中3 m。具體見圖2。

3.2 半蓋挖段結(jié)構(gòu)計算

3.2.1 荷載

由于車站位于城市主干道上，按城市A級橋梁荷載進行取值（如圖5所示），且根據(jù)相關(guān)規(guī)范及文獻，當(dāng)車站頂板以上覆土厚度大于2.5 m時（本站局部覆土厚度超過3 m），地面超載按20 kPa考慮［7］

。

圖5 城-A級車輛荷載布置

3.2.2 計算模型

該結(jié)構(gòu)體系根據(jù)施工工序采用增量法進行計算，由于立柱之間分別設(shè)置了控制縱向及橫向位移的型鋼拉壓桿件，因此立柱計算時只計算其所受軸力，對其彎矩不予考慮。

半蓋挖段受力最為危險的工況是在基坑開挖完成后，底板澆筑前的階段，此時結(jié)構(gòu)縱向最大跨度為315.2 m，橫向跨度為15.15 m，車站頂板設(shè)置在南側(cè)圍護墻頂?shù)墓诹汉蛙囌净觾?nèi)兩道立柱頂部縱梁上，其在空間上形成了單向板的受力模式。

3.2.3 計算結(jié)果

半蓋挖段結(jié)構(gòu)計算結(jié)果如表3所示。

考慮頂板配筋后，其極限承載力均大于半蓋挖時所受荷載，因此認(rèn)為結(jié)構(gòu)是安全的。

3.3 分期施工及交通疏解

由于東西向干道北側(cè)為控制中心及聯(lián)絡(luò)線的施工場地，1號線車站主體結(jié)構(gòu)蓋挖部分只能設(shè)在該路南側(cè)，工程總體分為三期施工，對應(yīng)三次交通導(dǎo)行［8］。

3.3.1 一期工程

本期主要施工車站南側(cè)的圍護結(jié)構(gòu)、立柱樁及路面系統(tǒng)，施工圍擋將占據(jù)現(xiàn)狀東西向干道南側(cè)約25 m寬的路面，為保證該路的通行，先將該路六車道進行第一次交通改移，北移修建一條長440 m、寬20 m的臨時道路，滿足雙向四車道的行車要求；然后對一期施工范圍進行圍擋，由東向西的方向進行施工。一期工程全部完成后，開放該路南側(cè)交通。一期工程平面布置如圖6所示。

圖6 一期工程示意圖（單位:m）

3.3.2 二期工程

二期主要采用半蓋挖法施工1號線車站主體結(jié)構(gòu)。由于本期交通疏解設(shè)計規(guī)劃為南北向次干道跨越1號線主體結(jié)構(gòu)與東西向相連，由此必須首先將跨越段北側(cè)圍護結(jié)構(gòu)施工完成，施工鋪筑行車板，才能將南北向次干道改移至設(shè)計位置。所以本期將圖7（a）中A節(jié)點處的交通疏解分為兩個階段，首先將南北向的道路改移至設(shè)計位置西側(cè)，四車道通行，如圖7（b）所示，突擊施工改移道路段圍護結(jié)構(gòu)及行車板鋪筑，完成后再將該路遷移至設(shè)計位置 ，按設(shè)計進行圍蔽，如圖7（c）所示。

3.3.3 三期工程

車站主體結(jié)構(gòu)施工完畢后，恢復(fù)東西向道路原狀，同時采用明挖法施工控制中心和車站出入口及其附屬結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖7二期工程示意圖

圖8 三期工程示意圖

4 施工效果分析

（1）本工程自2007年12月開工，歷經(jīng)3期工程，于2010年10月結(jié)束，圓滿地完成了施工任務(wù)，且在施工速度與成本控制上都取得了較優(yōu)的效果。

（2）半蓋挖法的成功關(guān)鍵是臨時路橋系統(tǒng)的設(shè)計、施工及維護，因為其一旦出現(xiàn)問題，則既要中止工程施工 ，又會影響交通等，也沒有轉(zhuǎn)換的空間［9］。半蓋挖施工的基坑圍護結(jié)構(gòu)在開挖的過程中會產(chǎn)生明顯的差異沉降，尤其是中間立柱與兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)剛度差異較大，兩者之間的差異沉降會導(dǎo)致路面、梁及第一道支撐產(chǎn)生附加內(nèi)力 ，影響結(jié)構(gòu)安全［10］。因此施工中須重點對路橋體系及圍護結(jié)構(gòu)的變形進行監(jiān)測，以反饋指導(dǎo)施工。由于蓋挖路面下立柱沉降不易直接測量，實際監(jiān)測時采用用路面沉降代替立柱沉降［11-13］，路面測點（LM）及部分連續(xù)墻頂位移測點（QD）布置如圖9所示。

圖9 基坑路面沉降測點及連續(xù)墻頂位移監(jiān)測布置圖

圖10為路面測點隨基坑施工的沉降發(fā)展。在施工初期，路面及立柱有少量下沉，隨著基坑的開挖而持續(xù)隆起，底板澆筑之后逐漸穩(wěn)定，趨于收斂。本工程中立柱隆起整體偏大，主要是基坑支撐均為混凝土支撐，形成強度晚，導(dǎo)致基坑暴露時間過長。圖11為路面及連續(xù)墻墻頂最終變形曲線，連續(xù)墻頂隆起明顯小于路面，兩者差異沉降大部分小于10 mm，在設(shè)計允許范圍內(nèi)。其中在120 m～270 m范圍內(nèi)差異沉降較大，LM4與QD4處隆起值、差異沉降均最大，約15 mm；該范圍是整個基坑較寬處，且LM4 與QD4正好是基坑最寬處（寬41 m，深16 m）；雖然LM3與QD3也處于最寬的位置，但差異沉降卻很小，主要是處于換乘段，深度也大（寬41 m，深21 m）。路面隆起間接反映了坑底隆起，本工程中坑底隆起及立柱與圍護結(jié)構(gòu)的差異沉降隨基坑寬度、深度的變化正好反映了基坑的“尺度效應(yīng)”［14］，也表明在類似的工程中可以利用“尺度效應(yīng)”的內(nèi)在規(guī)律采取一些工程措施來減小圍護結(jié)構(gòu)變形［15］

。

圖10 半蓋挖法路面變形隨時間發(fā)展（+隆起，-下沉）

圖11 半蓋挖法路面、墻頂變形（+隆起，-下沉）

5 結(jié) 論

（1）本工程采用半蓋挖法施工，結(jié)合明挖法和蓋挖法的優(yōu)點，有效地解決了工期緊、交通疏解等問題，取得了良好的社會和經(jīng)濟效益，該方法是一種值得推廣的施工方法。

（2）本工程中基坑采用三道混凝土支撐，但混凝土形成強度晚，一定程度上造成了圍護結(jié)構(gòu)及立柱變形偏大，類似工程中可采取加強臨時支撐的設(shè)置等措施來彌補混凝土支撐的缺點。

（3）半蓋挖法的路橋體系是整個工程的關(guān)鍵，由于立柱與圍護結(jié)構(gòu)的剛度差異 ，可能導(dǎo)致兩者之間產(chǎn)生差異沉降并引起路橋結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力，實際施工中應(yīng)避免立柱與圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的差異沉降。

［1］ 黃勝文，黃海峰.淺談明挖法施工技術(shù)及其在地鐵車站基坑中的應(yīng)用［J］.城市建設(shè)理論研究，2011，（26）:1-3.

［2］ 陶 剛.明挖法施工技術(shù)及其在地鐵車站基坑中應(yīng)用［J］.科學(xué)時代，2013，（21）:1-3.

［3］ 朱德章.城市軌道交通車站造價分析［J］.鐵路工程造價管理，2007，22（4）:16-18.

［4］ 朱桂新.大型基坑群基坑工程施工方案優(yōu)化設(shè)計［J］.水利與建筑工程學(xué)報，2012，10（4）:151-155.

［5］ 閆 順.軟土地區(qū)地鐵車站半蓋挖深基坑施工［J］.鐵道建筑，2011，（8）:76-77.

［6］ 黃愛軍，徐正良.流變軟土地層中蓋挖法路面體系設(shè)計［C］//2010城市軌道交通關(guān)鍵技術(shù)論壇暨第二十屆地鐵學(xué)術(shù)交流會論文集.2010:126-128.

［7］ 侯昭路.成都地鐵2號線牛王廟車站半蓋挖法設(shè)計［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009，46（1）:8-14.

［8］ 張 存.地鐵車站施工中的地面交通組織方案［J］.城市軌道交通研究，2008，11（2）:62-64.

［9］ 詹 超，楊龍才，何太洪，等.蓋挖法臨時路橋體系的設(shè)計方法研究［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報，2009，26（3）:20-25，41.

［10］ 周少忠，羅曉輝，周華杰，等.深基坑蓋板半逆作施工的支護結(jié)構(gòu)性能分析［J］.水電能源科學(xué)，2009，27（2）: 126-129.

［11］ 翟鴻飛，田 谷，續(xù)若楠.基坑工程支護施工和監(jiān)測策略研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報，2009，7（4）:73-75，108.

［12］ 丁勇春，戴 斌，王建華，等.某鄰近地鐵隧道深基坑施工監(jiān)測分析［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，34（5）: 492-497.

［13］ 夏晉華，岳鵬威.分層開挖支護基坑變形監(jiān)測及影響因素分析［J］.水利與建筑工程學(xué)報，2013，（5）:22-26，61.

［14］ 陳 沛.基于散粒體加卸載特性的深基坑開挖平面尺度效應(yīng)問題［D］.上海:同濟大學(xué)，2010.

［15］ 劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

The Application and Effect Analysis of Semi-covered Excavation Method in Metro Excavation

ZHANG Xi-zhen1，LIU Xin2
（1.Tianjin Metro Limited Company，Tianjin 300051，China；2.MIDAS Information Technology Co.，Ltd.，Wuhan，Hubei 430014，China）

Metro excavation is restricted by the surrounding environment at a large extent，hence a reasonable construction method which can decrease the contradiction between construction and environment should be selected.Through the comparison of different construction methods used in excavation，the application of semi-covered excavation method in metro excavation was introduced in detail at the aspect of design，traffic organization and construction.At last，by studying the monitoring data of the surface subsidence and the deformation of the supporting structure based on various construction procedures，it is concluded that with the reasonable road-bridge system，adopting semi-covered excavation method can not only solve the problems of tight schedule and complicated traffic organization，but also obtain a good construction effect.

excavation pit；semi-covered excavation method；traffic organization；vertical displacement

U455.4

A

1672—1144（2015）02—0207—05

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.043

2014-11-27

2014-12-25

張茜珍（1989—），女（回族），河南周口人 ，碩士，主要從事巖土工程方面的工作。E-mail:anji zhang@qq.com