“站桥合一、先桥后站”盖挖地铁车站关键施工方案的比选与优化

刘苏明，石达强

(北京中铁隧道建筑有限公司，北京 100022)

0 引言

随着我国国民经济和社会的发展，城市地铁在城市交通中的作用越来越明显，许多城市都在修建地铁。地铁项目均处在城市繁华地段，周边建筑物林立，地下管线密集，环境极其复杂。由于受地铁线路等各种外界条件的限制，地铁车站的布设越来越困难，出现了许多新的地铁车站布设形式，“站桥合一、先桥后站”盖挖地铁车站就是其中之一。在复杂环境条件下，影响“站桥合一、先桥后站”盖挖地铁车站施工的因素很多，施工极其困难。因此，需要对施工方案进行比选、优化，以保证施工安全和质量，并尽量提高施工方案的可操作性和经济性。

文献［1－3］介绍了盖挖逆作法的设计、施工及在我国地铁工程中的应用情况;文献［4－6］介绍了深基坑开挖、围护结构施作、变形等情况;文献［7－9］介绍了基坑工程支撑系统的拆除方法。尽管这些文献对盖挖逆作法地铁车站基坑开挖、支护及支撑系统拆除做了详细描述，但是均未涉及复杂环境下“站桥合一、先桥后站”这种特殊的地铁车站形式。本文以复杂环境条件下某“站桥合一、先桥后站”地铁车站基坑为例，对基坑开挖方案、钢管柱吊装方案及钢筋混凝土支撑体系拆除方案进行比选及优化，以期为今后复杂环境条件下其他“站桥合一、先桥后站”地铁车站基坑施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

某地铁车站位于城市主干道交叉路口，地面交通繁忙。为缓解交通压力，路口处采用“站桥合一”形式，即先修建跨线桥以疏解交通(目前该跨线桥已开通运营)，后期在桥下修建地铁车站，车站与跨线桥平行，位于其正下方，桥桩即为车站中柱。该车站下穿城市一环路隧道，与隧道斜交57°。桥、隧、站立体关系见图1。车站为双层双岛式三线换乘车站，局部单层、二跨、三跨、五跨，标准段宽 40.9 m，总长 298.65 m，顶板覆土约3 m，底板埋深约20 m，中间暗挖下穿公路隧道，两端盖挖顺作。地铁车站下穿公路隧道段宽40.9 m，长33 m;两端盖挖段长分别为67.3 m和198.35 m。车站总建筑面积为22 095.2 m2，共设4个出入口、3组风亭。

车站周边建(构)筑物众多，医院、学校、饭店、商铺及居民住宅楼邻近，距离车站主体结构最小距离仅3.5 m。且车站位于老城区，站位处地下管线种类齐全、数量众多，有雨污水管、给水管、煤气管、电力管、通讯管等，整体呈“蛛网状”覆盖车站。

车站范围内地层主要以卵石土层为主，卵石体积分数为60% ～80%，最大粒径30 cm，地下水渗透性强，地下水位埋深6 m。已通过人工降水把地下水位降至车站底板以下2 m。

图1 跨线桥与车站纵剖面关系图Fig.1 Longitudinal profile showing relationship between overpass bridge and Metro station

2 原设计施工方案

由于该车站周边环境复杂，施工条件恶劣，且与桥、隧立体交叉，施工难度大，招标时综合考虑场地、交通等外部条件，确定车站主体采用“盖挖顺作法+下穿隧道暗挖法”施工，且在基坑出土方案、结构柱安装、内支撑体系等方面均做了专项设计。

2.1 土方开挖方案

车站盖挖部分招投标方案分为2部分:1)顶板以上浅基坑采用明挖法施工，地模法施作顶板，且顶板横向倒边施作;2)在顶板上连续预留多个出土孔(西段顶板2个、东段顶板6个)配合吊车出碴。

招标方案拟定时主要考虑以下3点因素:1)受跨线桥影响，桥下出碴条件差，且周边建(构)筑物邻近，场地狭小，因此在顶板上跨线桥范围以外预留出土孔;2)交通疏解要求高，不得已顶板倒边施工，且出土孔预留在主体一侧;3)工期紧，采用多孔多吊车“遍地开花”式出碴方案。

招标方案的缺点也很明显:顶板倒边施作将留下纵向施工缝，后期顶板易产生裂缝;多吊车出碴方案，出碴效率低，满足不了工期要求，且施工投入大、成本高。

2.2 钢管柱吊装方案

车站共有85根钢管柱，其中33根与跨线桥(桥桩)共用，且均已完成，因此车站需新建52根钢管柱。车站顶板至桥底净高1.4～9 m，受空间限制，桥下新建12根钢管柱无整体吊装条件，招标采用分节吊装方案。但由于“站桥合一”模型，施工过程中钢管柱力学工况复杂，因此，钢管柱设计采用22 mm厚Q345C特种钢，且要求所有焊缝质量达到一级。

招标时考虑到车站运营后钢管柱的美观，要求分节吊装钢管柱，采用现场焊接连接;但此方案的缺点是受环境影响，一级焊缝质量在现场很难达到。

2.3 钢筋混凝土支撑体系拆除方案

车站西端基坑紧邻2002年修建的36层商务楼(距离6.5m)和1982年修建的9层商务酒店(距离4.5m)。商务楼地下室2层，2 m厚筏板基础，基础埋深11 m;酒店为砖砌条形基础，埋深3 m;而车站基坑深度约20 m，且基坑轮廓极不规则。

由于此基坑周边环境恶劣、受力工况复杂，招标设计方案为坑内“1道钢支撑+3道钢筋混凝土支撑”。本基坑支撑体系的施工难点在于钢筋混凝土支撑的拆除。投标时考虑到便于人工操作，并综合考虑工期等因素，选用了静态破碎方案，即:在混凝土浇筑前，在支撑中部选取一段(1.0～1.5 m)，在垂直方向预埋2排φ50 mm的PVC管，PVC管水平间距50 cm;支撑拆除时，向预留孔内装入微膨胀剂，通过膨胀力破碎混凝土支撑。

后经实践证明，静态破碎耗时较长，效果不佳，且混凝土结构胀裂后反而将混凝土支撑变成了危险源，危及施工安全。

3 施工方案比选及实施效果

3.1 土方开挖

3.1.1 方案比选

原“多孔多吊”出土方案与“出土孔上配龙门吊+局部坡道”优化方案的对比分析见表1。

表1 “多孔多吊”出土方案与“出土孔上配龙门吊+局部坡道”优化方案比较Table 1 Comparison and contrast between original mucking scheme and optimized mucking scheme

由于受跨线桥的净高、孔跨长度及桥墩紧邻出土孔等因素的影响，龙门吊方案采用不同摆放形式的固定式龙门吊。东端场地，由于受场地和跨线桥的限制，靠东侧出土孔无法安设龙门吊，故只能在靠西侧的出土孔安设2台固定式龙门吊(见图2);西端场地，在大出土孔位置上安设2台平行的固定式龙门吊(见图3)。由于固定式龙门吊不具备行走功能，其作业范围有限，降低了方便程度。

仅采用垂直提升出碴不能满足工期要求，因此必须考虑增加其他辅助出碴措施。通过反复测算，决定在东、西两端各设置1条坡道，辅助出碴。在东端结构变断面处南侧设置1条坡道出碴，并预留1块顶板暂不浇筑，以满足车辆进出高度需求;在西端南侧外挂结构处设置1条坡道出碴。由于站位处地下管线密集，因此确定坡道方案后，立即着手改移坡道处地下管线，为实施坡道方案提供条件。

3.1.2 实施效果

1)东段基坑出土效果。由于场地条件较好，坡道能够直接延伸至基坑底部，因此，自卸汽车可直接开至基坑底部，出碴效果良好;坡道最后剩余土方需要采用汽车吊垂直出土;固定式龙门吊由于受车站顶板荷载(覆土厚度)的限制，临时储碴场容量有限，必须边出碴边运碴，出碴效率相对较低。

2)西段基坑出土效果。由于受场地条件的限制，坡道不能直接延伸至基坑底部，只能下至距离基坑底4 m处，且坡度较陡，自卸汽车不能直接下至掌子面。因此，只能采用装载机配合挖掘机接力出土，坡道处剩余4 m范围的碴土采用龙门吊垂直出碴。西段基坑施工投入、施工成本相对较高。

与原“多孔多吊”出土方案相比，最终采用的“出土孔上配龙门吊+局部坡道”优化方案满足了工期要求，保证了施工安全，施工投入、成本也大幅降低。

图2 东端场地坡道及龙门吊位置图Fig.2 Ramp on east end of site and positions of portal cranes

图3 西端场地坡道及龙门吊位置图Fig.3 Ramp on west end of site and positions of portal cranes

3.2 钢管柱吊装方案

3.2.1 方案比选

钢管柱设计材质为Q345C特种钢，厚度为22mm。由于受桥下净高限制，12根钢管柱需现场连接。经多方咨询调研，此厚度一级焊缝需分3次方可焊满，现场露天环境下很难达到一级焊缝质量，且吊装时也不易操作。因此，分节钢管柱施工质量保证难度极大。

为了确保钢管柱的施工质量，从现场实际条件出发，对这12根钢管柱的连接方案进行优化，决定采用现场法兰连接方案。原钢管柱现场焊接方案与钢管柱现场法兰连接优化方案的对比分析见表2。

法兰在工厂加工并与管段焊接，现场仅实施高强螺栓连接。

法兰位置的选取需满足2个条件:1)通过对钢管柱位置处的跨线桥至车站顶板的净高测算出每根钢管柱位置处的可起吊高度，从而确定钢管柱分节长度;2)分节位置应尽量避开车站装修后的公共使用区，减少对车站空间使用效果的影响。

表2 原钢管柱现场焊接方案与钢管柱现场法兰连接优化方案的比较Table 2 Comparison and contrast between original steel pipe column connecting method and optimized steel pipe column connecting method

由于受跨线桥净空的影响，无法支立井式门架，起吊钢管柱难度大，不易操作。通过比选，选用三脚桅杆、起重缆风绳和电动卷扬机组成的吊装设备。

3.2.2 实施效果

1)分节吊装实施效果。通过验算，三脚桅杆、起重缆风绳和电动卷扬机组成的吊装设备满足施工要求，实施情况如图4所示。分节吊装钢管柱采用法兰连接，比现场焊接连接施工更能够保证钢管柱连接质量，施工速度快，操作方便，连接质量检测均合格。

2)整根吊装实施效果。采用吊车双机抬吊，满足现场施工需要，安全、快捷。如图5所示。

3.3 钢筋混凝土支撑体系拆除

3.3.1 方案比选

投标方案为静态破碎后采用“人工+风镐”破除方法拆除混凝土支撑。本工程混凝土支撑距底板高度约5 m，若采用风镐破除，现场破除难度较高，且时间较长，满足不了工期需要。为了克服原投标方案的不足，根据现场实际情况，经调查研究，初步拟定爆破方案和金刚石绳锯切割方案作为备选方案。“静态破碎+人工+风镐”方案、爆破方案、金刚石绳锯切割方案比较见表3。

表3 “静态破碎+人工+风镐”方案、爆破方案、金刚石绳锯切割方案的比较Table 3 Comparison and contrast among“static fracturing +manpower+pneumatic pick”scheme，blasting scheme and diamond cable saw cutting scheme

根据现场实际条件，经上述对比分析后，最终确定采用金刚石绳锯切割方案。

3.3.2 实施效果

为了保证施工安全，采用搭设脚手架、铺设方木等措施垫实混凝土支撑，切割后分段吊运;为了控制成本和保证现场施工安全，混凝土支撑切割成1.5～2 m/段，每段质量约4 t。由于车站底板已施工完成，存在多条上翻梁(比底板高1.1 m)，因此，已吊运下架的混凝土支撑在站内倒运困难，站内运输时间长。金刚石绳锯切割加工和吊运见图6和图7。

4 结论与讨论

“站桥合一、站隧斜交、两层三线换乘、先桥后站施工”车站由于受环境条件影响，在土方开挖、钢管柱吊装、钢筋混凝土支撑体系拆除等方面施工难度很大。根据现场实际情况，对原方案进行了优化，最终采用了“出土孔上配龙门吊+局部坡道”开挖出土方案、钢管柱现场法兰连接方案及金刚石绳锯切割钢筋混凝土支撑体系方案。

尽管优化方案取得了较好的效果，但在出土龙门吊的设置、出土斜坡道的设置、钢管柱分节长度、钢管柱连接法兰位置的确定、钢筋混凝土支撑在站内的倒运等方面，仍需要做进一步优化。

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