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1、龙源期刊网 http:/城市中心区地铁车站采用盖挖法施工技术研究作者：贾培文来源：价值工程2015年第15期摘要： 随着城市轨道交通的发展，建造地铁车站的周边环境越来越复杂。盖挖法有别于传统的明挖顺作法施工，有着自身的优势和特点。早已广泛应用于工民建施工的盖挖法，目前也越来越多的应用到了地铁车站的设计和施工中。针对某车站位于城市中心区的周边建筑环境和特点，研究与盖挖法相关的关键问题。工程实施过程中，采用现场测试和试验的方法，对关键问题进行验证，得出相对更适合于盖挖法地铁车站实施的结论。对今后采用类似的工法设计和施工具有借鉴意义。Abstract： With the development of
2、 city rail transit， the surrounding environment of metro station construction becomes more and more complex. Cover Excavation Method is different from the traditional Open-cut Method， Which has own advantages and characteristics. Cover Excavation Method is widely applied to the civil construction， a
3、nd now it is applied more and more to the design and construction of metro station. According to one station located in the center of the city surrounding built environment and characteristic， we can research the key issues about Cover Excavation Method. In the process of the construction， we can ve
4、rify the key problems， based on the field monitoring and test， and get the conclusion which is more suitable for the metro station built by the Covered Excavation. It could give reference for the similar design and construction， which is under similar conditions.关键词： 盖挖法；地铁车站；钢管混凝土柱；节点设计；变形Key words
5、： the Cover Excavation Method；metro station；concrete-filled steel tubular column；node design；deformation中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）15-0118-040 引言地铁地下工程施工的特点是隐蔽性大、作业循环性强、作业空间有限、作业的综合性强、施工具有动态性、作业环境恶劣、作业风险性大。选择地铁施工的工法必须充分考虑这些特性。在城市中心施工的地铁车站为了尽量维持地面交通，减少地下管线迁改和占地对周边的影响，越来越多的考虑采用盖挖法施工。如何结合具体
6、环境合理设计盖挖法车站，做到既安全可靠又经济合理，已成为目前需要重要研究的课题之一。1 工程概况成都市市二医院站是成都地铁4号线与3号线的换乘站。4号线车站沿武成大街东西向布置，为地下2层车站，3号线车站沿红星路南北向布置，为地下3层车站。两站在交叉路口处换乘。该区域为成都CBD中心区域，交通压力巨大。红星路和武成大街分别是成都南北向和东西向的主干道，交通十分繁忙。红星路宽约35m，武成大街宽约25m，两条路下方都有大直径污水管、雨水箱涵、高压电缆等各类管线交织。且部分管线埋深与车站顶板冲突，结构方案必须与管线迁改方案相配套。车站标准段宽度约21m，顶板埋深3m，4号线基坑深度约为18m，3号
7、线基坑深约为27m，周边建筑物密集，大部分建筑物都紧贴车站围护结构边。建筑物大多为411层砖砼结构，基础大多为浅基础，埋深在34m，房屋对变形极为敏感。基坑安全等级属于一级，基坑变形控制保护等级为一-A级。2 方案研究车站地处川西平原岷江水系级阶地，为冲洪积地貌，地形平坦。设计抗浮水位为地下2.5m。站区范围内土层自上而下依次为：人工填筑土，层厚1.203.80m；粉质粘土，层厚0.50m2.70m；粉土，层厚1.80m2.60m；细砂土，层厚0.50m1.60m；卵石土，层厚21.40m24.50m；强风化泥岩，层厚0.90m5.10m；中等风化泥岩，顶面埋深29.50m39.90m。车站周
8、围建筑物较多，管线密集。车站施工期间特别需要保护的建构筑物和管线清理如表1、2所示。根据车站地段的工程地质，水文地质结合周边环境并考虑工期等因素，选择合理的围护形式，水平及竖向支撑体系。为满足这两条交通干道上的交通疏解要求，减少地下管线迁改和占地对周边的影响，同时尽量好地控制车站基坑开挖对周边建筑的影响，本站3、4号线主体结构均采用盖挖法施工。盖挖法是由地面向下开挖至一定深度后，将顶部封闭，其余的下部工程在封闭的顶盖下进行施工的方法。相对于传统的明挖法施工，盖挖法有着基坑暴露时间短，围护结构变形小的优点。盖挖法施工包括三种形式：架设临时铺盖系统后顺作结构；自上而下施工各层结构板和侧墙的盖挖逆作
9、法；先将结构顶板施工完成并置于周边围护桩和结构主体桩柱上，回填覆土后逐层开挖架设临时支撑，并自下而上回筑结构的盖挖顺作法。针对成都市二医院站的具体情况，采用第三种作法相比之下对工期影响不大，也能避免二次破路对周边环境的影响。3 盖挖法设计的关键技术地铁车站盖挖体系的结构设计包括：围护结构设计；竖向受力构件设计；水平受力构件设计；节点设计及构造。3.1 围护结构设计考虑到车站距离周边建构筑物较近，车站围护桩采用密排形式（12001500mm）。施工阶段排桩作为围护结构进行计算，使用阶段排桩与侧墙共同受力，桩墙按各自刚度分配各自所承受的侧向水土压力。盖挖法围护桩设计与普通明挖法围护桩设计区别并不大
10、，但需要注意的是围护桩除了承受侧土压力外，还要作为盖挖顺筑法顶板的竖向支撑。需要验算围护桩的桩侧摩阻力和端部承载力之和是否满足开挖阶段竖向受力要求。3.2 竖向受力构件设计盖挖法竖向受力构件可选用钢管混凝土柱、型钢混凝土柱、钢筋混凝土柱。三种立柱工艺的优缺点对比如表3。本站考虑节省工期和工程造价，选用的是钢管混凝土柱。施工阶段，顶板覆土后，基坑开挖到基坑底部，结构回筑完成前，此时需要计算钢管混凝土柱的承载力和柱子的稳定。柱子承受竖向轴力和偏载引起的弯矩。钢管柱应按偏压构件计算，分别考虑施工阶段和使用阶段柱子的轴力和弯矩，柱的长细比不应大于1/25，柱顶端承受水平力应按水平支撑轴向力的2%计算，
11、并根据垂直度允许偏差考虑竖向荷载偏心影响。除了钢管混凝土柱受力计算外，还应分析钢管混凝土柱的沉降对顶板受力的影响，从而确定钢管混凝土柱沉降的最大值。对立柱的升沉也要提出要求，减小对顶梁、顶板的影响。钢管混凝土柱是盖挖法地铁车站最重要的构件之一，其综合质量的影响因素包括桩基施工质量、钢管柱安装和定位质量、柱内混凝土施工质量等。钢管柱所有焊接要全部经过超声波检查，必须达到一级焊缝要求。钢管柱的安装定位采取上下两点定位法。定位器必须预先加工锚固于混凝土基础中，其构造决定了钢管混凝土柱定位的精确性。经计算确定钢管柱允许定位偏差不得大于20mm，同时其垂直度偏差不得大于1/500。施工期间累计升沉值不得
12、大于0.003L（L为边墙和立柱轴线间的距离），同时也不得大于20mm。钢管立柱中心线与基础中心线定位偏差不得大于5mm，相邻钢管立柱不垂直度不应大于长度的1/1000，同时也不得大于15mm。3.3 水平受力构件设计盖挖法顺筑法车站水平受力构件包括车站顶板结构和临时钢支撑两部分。其中临时钢支撑验算与普通明挖法支撑体系设计区别不大。钢支撑安装简单，施工速度快，能够根据设计的要求施加所需的预加力，对围护桩迅速地起到支撑作用。这也是盖挖顺筑与盖挖逆筑法相比最大的优点。设计采用的609mm，壁厚14mm的钢支撑，最大设计轴力约1800kN。为保证支撑的稳定性，利用钢管柱之间的水平约束型钢梁兼作水平支
13、撑的中间支点。车站顶板设计应考虑与施工和使用状态相符的计算模型进行内力分析和截面验算。在设计时应分两个阶段进行分析：承载能力极限状态：即施工过程阶段结构构件达到最大承载能力时；正常使用极限状态：即使用阶段，结构形成完整框架结构以后。经过对两个阶段变形和受力的包络，得出构件的控制性标准。为满足管线迁改和交通疏解要求，本站顶板还需要进行分期倒边施工。即先完成2/3跨顶板施工，覆土后，再完成后续1/3跨顶板施工，最后完成基坑开挖回筑结构。3.4 节点的设计及其构造盖挖节点的设计需要每个工况功能要求，而每个阶段顶板与支座的连接形式对计算结果都影响很大。围护桩与顶板可采用铰接接头、刚性接头和不完全刚性接
14、头三种形式。考虑到让围护桩参与抗浮并利用围护桩帮助顶板受力，本站设计将围护桩钢筋伸入顶板，桩顶设圈梁如图1所示。计算按不完全刚性接头考虑。钢管混凝土柱与顶板按铰接接头考虑，为满足抗震要求在钢管柱与顶板之间设置插筋连结如图2所示。同时钢管混凝土柱兼作永久立柱，钢管柱本身与永久结构的中板、底板的节点连接也是盖挖法车站的关键问题。设计按照环板法连结钢管混凝土柱与现浇混凝土梁板，充分考虑受力和抗震要求，根据不同情况绘制了连结大样。4 盖挖法工程实践的结果分析成都市二医院站施工过程中根据设计要求，对围护结构、中间竖向及水平支护体系、周边建构筑物管线均进行了监测。利用监测值我们可以判断支护结构以及周围建筑
15、物的安全性。4.1 围护结构及中间支撑体系变形结果分析盖挖法施工除了常规的基坑开挖需要监测的地下水位、支撑轴力、围护桩顶变形，围护桩体变形外，还应加入中间立柱监测、顶板绕度控制。为了正确利用监测数据及时调控施工对策，确保车站基坑开挖及周边环境的安全，应对必测项目制定施工监控量测的管理基准值、施工管理等级及对策。基准值根据设计计算确定，报警值约为基准值的70%。车站监测中同时采用时态曲线中的变化速率作为基准值的辅助。具体如表4所示。监测数据反映整个基坑开挖和回筑阶段的支撑轴力、围护桩顶变形、围护桩体变形、中间立柱桩变形均控制在报警值以内。监测结果如表5所示。4.2 周边建构筑物变形结构分析车站主
16、体结构基坑周边房屋多为浅基础砖混结构，房屋基础持力层为稍密卵石层。为保证房屋安全，基坑开挖回筑过程中均对周边房屋进行了严密监测。具体布置如图3所示。根据监测结果显示建筑物大部分沉降均在基坑开挖前，降水完成后就已经发生。顶板完成形成第一道横向支撑后，基坑开挖的3个月内建筑物沉降不明显，最大的累计变形不超过12mm，未达到报警值。值得注意的是，与本站相邻的停车线基坑采用明挖顺筑的施工方式，基坑开挖期间周边建筑物沉降值达到20mm以上，部分建筑围墙有开裂现象。由此可见采用顶板为第一道横向约束的盖挖法施工，比明挖法更容易控制基坑和周边建构筑物的变形。5 结语市二医院站目前已经顺利完工，从2012年3月
17、开挖，到2013年8月主体结构封顶历时18个月。成都地铁后续3、7号线多个站点也遇到类似工程环境，都参照借鉴了市二医院站的盖挖设计施工经验。从市二医院车站的顺利实施，可以看到在城市中心区的地铁车站采用盖挖顺筑法施工是合理可行的。对于在这样环境下的盖挖法工艺可以得出以下结论：利用顶板和钢管混凝土柱兼作施工阶段支撑体系结构安全可靠、经济合理；设计和施工过程中应尤其重视各构件连接的节点构造；盖挖顺筑法比明挖法更容易控制基坑和周边建构筑物变形。总的说来，盖挖法能提高工程安全性，减少资源浪费，缩短施工总工期，对周边环境影响小，是一种值得推广的支护技术。本工程采用盖挖顺筑法工艺的成功实施，为今后适合采用类
18、侍工法的地铁车站积累了宝贵经验。参考文献：1姜晨光.地铁工程建造技术M.北京：化学工业出版社，2010.2陈祖煜.深基坑支护技术指南M.北京：中国建筑工业出版社，2012.3黄胜平，韩明华.地铁换乘车站深基坑支护体系测试研究J.铁道工程学报，2012（5）：58-62.4程宝平.深圳赛格广场钢管混凝土柱钢结构施工特点J.施工技术，2000，29（6）.5JGJ165-2010，地下建筑工程逆作法技术规程S.中国建筑工业出版社.urban traffic structure in the urban public transport system, rail traffic with a fas
19、t, large capacity, low pollution and high efficiency, become an indispensable part of urban traffic structure, is the contradiction between supply and demand of the growing metropolis, cities, effective means to meet the needs of urban traffic. The following table is a rail transport and other modes
20、 of urban passenger transport capacity, transportation speed and resource consumption, and so on. Comparison of urban passenger traffic characteristics table 5.1-2 traffic volume (human/h) transport speed (km/people) Road area occupied (M2/people) scope bike 2,000 10-15 3,000 short car 20-50 10-20 w
21、ide bus 6,000-9,000 1-2 40-60 0.25-0.5 from the Metro light rail of 10,000-30,000 in long-distance line 3 More than 0,000 40-60 do not occupy an area both in terms of transport over long distances, transport efficiency, or from the level of resource consumption and environmental pollution, rail tran
22、sport is undoubtedly an effective means to solve the problem of traffic congestion in cities. Especially in urban population strength enormous traffic demand on the route to ease traffic pressure, rail transportation has incomparable advantages. Washington, DC, area of 177km2, and a population of 60
23、0,000, is a United States political center. For the Washington Metro system United States second-busiest subway, second only to the New York subway, opened in 1976. Current rail sizes for 5, station 86, total 171.6km, net annual passenger volume reached 223 million people. According to statistics, f
24、rom 2000 to 2009 vehicle trip down 12.7%, bus travel has increased by 12%. Objectives of the Washington Metro system boils down to the following three points: by driving onto the tracks at the station transfer mode in order to alleviate traffic congestion; For those who will not or cannot drive the person with a better option than conventional public transit; Block highway