地下4层盖挖逆作地铁车站设计要点研究

胡显鹏

(北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)



地下4层盖挖逆作地铁车站设计要点研究

胡显鹏

(北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)

介绍盖挖逆作车站的做法以及地下4层盖挖逆作车站结构设计需重点研究的抗浮、侧墙顶拉弯应力控制、钢管柱受力控制、钢管柱施工误差控制、中间桩与边桩差异沉降控制等5个关键问题，并结合合肥轨道交通1号线大东门站地下4层盖挖逆作车站设计实例进行研究，得出采用板墙隼槽连接、AM桩、HPE液压垂直插入钢管柱工法等措施，可以很好地解决上述5个问题，相关研究结果可供类似工程参考。 关键词 城市轨道交通；盖挖逆作； AM桩；HPE液压垂直插入钢管柱工法；板墙隼槽连接；地下连续墙

开挖地面修筑结构顶板及其竖向支撑后，在顶板的下面自上而下分层开挖土方，分层修筑结构的施工方法称之为盖挖逆作法[1-2]。盖挖逆作法因其利于交通导改、管线改移、控制变形，且施工受天气影响小，在环境复杂的闹市区应用日益广泛。目前国内采用盖挖逆作施工的车站一般为地下2层车站，然而，随着时代的不断发展，地下空间开发深度日益加大，受周边条件限制，地下3层甚至地下4、5层的地铁车站不断涌现，许多地下3、4层的车站受周边环境控制也需要采用盖挖逆作法施工。二者虽同为盖挖逆作车站，其原理一致，但由于地下4层车站存在基坑深、侧墙顶部需悬挂3层地铁结构(复合墙)、钢管柱长度大、荷载大等特殊情况，因此在结构受力计算、节点构造设计、钢管柱设计、桩基设计、方便施工和出土、严格控 制 变 形 等 方面均需进行更多的研究和特殊设计。地下4层盖挖逆作车站在合肥轨道交通1号线大东门站已成功应用，目前该站已经封顶超过1年。

1 盖挖逆作车站传统做法

传统的盖挖逆作地铁车站一般为地下2层3跨车站，车站顶板覆土3～4 m，车站基坑深度17～18 m,围护结构采用钻孔灌注桩或地下连续墙，内衬结构墙与围护结构的结合方式有复合墙与叠合墙两种(见图1、2)。

图1 盖挖逆作复合墙剖面

图2 盖挖逆作叠合墙剖面

复合墙结构，由于在围护结构与结构内衬墙之间有一层连续的全外包防水层，因此结构内衬墙以及各层结构板的钢筋与围护结构不相连。地下水压力由内衬结构承担，水压力以外的其余荷载由围护结构和内衬结构一同承担，在墙体中产生的内力按两者的刚度分配[3]。

叠合墙结构，在地连墙内侧凿毛并涂刷水泥基渗透结晶防水材料，或采用微晶水泥刚性抹面，然后在内侧施工内衬墙。围护结构与结构内衬墙密贴设置，各层板与围护结构钢筋连接，围护结构与内衬墙之间可设置构造抗剪钢筋，所有荷载均由围护结构和内衬结构共同承担，视为整体墙受力。

2 结构设计需重点解决的问题

与地下2层盖挖逆作车站相比，地下4层盖挖逆作车站结构设计需重点解决以下5个方面的问题。

1) 地下4层车站基坑深度大，地下水浮力一般较大，车站靠自重一般难以满足抗浮要求，逆作车站的围护结构和中间立柱桩需考虑兼做抗浮桩，节点构造设计时需同时考虑施工阶段受压、使用阶段受拉等工况。

2) 传统的2层盖挖逆作车站，顶板与侧墙交接处，施工阶段侧墙仅需悬挂1层楼板和1层侧墙的荷载，而地下4层盖挖逆作车站在该位置需悬挂3层楼板和3层侧墙的荷载，所受的拉力将是地下2层站的3倍，弯矩也远大于地下2层车站的弯矩，如何解决施工阶段的该处拉弯受力问题是关键。

3) 地下4层站钢管柱计算长度是地下2层站的约2倍，设计轴力是2层站的约1.7倍，如何控制钢管柱的尺寸以满足建筑布置需求，又有足够的承载能力是结构设计需着重考虑之处。

4) 基坑深，钢管柱长，钢管柱的施工误差直接影响受力安全及使用功能，采取什么样的办法能控制钢管柱的施工误差是前期方案设计时需重点考虑的。

5) 钢管柱基础桩受力大，桩基的选型非常关键，在满足受力的同时还要控制桩基沉降，从而减小中间桩与围护结构间的差异沉降。

下面结合合肥轨道交通1号线大东门站地下4层盖挖逆作车站设计来研究上述5个问题的解决方案。

3 车站设计创新及要点介绍[4-11]

3.1 大东门站工程概况

大东门站为合肥轨道交通1、2号线的换乘站，位于胜利路和长江东路交叉路口西侧，站台宽度为14 m，两站斜交呈T型换乘。受区间下穿南淝河、市政下穿隧道(长江东大街隧道)等影响，车站埋深较大，故该站1号线部分为地下4层站，标准段基坑深度为31～33 m，宽度约为23 m；2号线部分为地下3层站，标准段基坑深度为22.5～24.5 m，宽度约为23 m。1、2号线同期建设，总建筑面积为35 020 m2，其中1号线总建筑面积为17 005 m2,2号线总建筑面积为18 015 m2。1号线车站上方规划有市政下穿桥(胜利路下穿)二者同步设计，同期施工(见图3)。

图3 大东门站平、剖面及效果图

该站周边临近的建(构)筑物主要有：

1) 南淝河。河面宽度约为60 m，河深约为10 m。河堤为重力式挡土墙结构，无护坡桩。1号线车站主体基坑距河堤约为24 m，2号线主体基坑距河堤仅为4.5 m。

2) 古井假日酒店。为五星级大酒店，主楼29层，裙楼5层，地下室2层，底板埋深约11 m。基础形式为桩基(人工挖孔桩)，桩长14.2 m(即桩底在地面以下约25 m)。1号线车站地下4层主体基坑深度超过桩基深度6～8 m。

3) 圣大国际。圣大国际地上18层，地下2层，底板埋深约为9 m。基础形式为桩基(人工挖孔桩)，桩长为13.5～18 m(桩底在地面以下22～27 m)，与该站2号线部分主体基坑净距仅为10.6 m。

4) 银路酒店。银路酒店有1层 半 地 下 室、地 上 主体为5层框架结构，采用350 mm×350 mm预应力方桩基础，桩长15 m。与该站2号线部分主体基坑净距仅为12.8 m,与双层风道净距8.8 m。

该站地貌类型属于南淝河河床、河漫滩及一级阶地。车站基坑侧壁土层自上而下主要为杂填土①1层、粉质黏土②1层、粉土②2层、粉细砂②3层、强风化泥质砂岩⑥1层、中风化泥质砂岩⑥2层。粉质黏土②1层呈软塑—硬塑状，土层压缩性较高，在临近南淝河一侧土层较软弱，粉土②2层、粉细砂②3层为承压水(三)含水层，在地下水作用下易发生涌水、流砂、涌土等现象。承压水(三)的水头埋深为 1.59 ～ 9.58 m，含水层渗透系数 2.31×10-3cm/s，水中侵蚀性二氧化碳浓度为16.39～19.62 mg/L，拟建工程环境作用等级为Ⅴ-C。车站地质剖面图见图4。

图4 大东门站地质剖面

综上所述，大东门站基坑属于深大、异形、临河、紧邻高层建筑、偏载、工程地质条件复杂的基坑。为控制基坑变形、确保周边环境安全，经过多轮方案比选、专家论证最后选择了盖挖逆作施工，围护结构选用地下连续墙。

3.2 叠合墙和复合墙的选用

一般来说，叠合墙车站的综合造价要稍低于复合墙车站，但其施工难度较大，施工质量不易保证，薄弱环节较多，具体表现为：1)预留钢筋接驳器难度较大，结构板钢筋对接难度大且连续墙接缝处无法预留钢筋连接器；2)边节点接缝漏水腐蚀钢筋，边墙裂缝多，易发生渗漏事故，相关文献调查表明，深圳地铁一期工程共有7个站采用叠合墙方案，均存在不同程度的侧墙竖向渗水裂缝，有的间距仅为2～4 m[12-13]；3)后期堵水费用较高，维护成本高。

结合该站临河、地下水位高且具承压性，含水层为粉砂层，透水性大等特点，选用复合墙结构防水质量更有保障，故通过综合比选，选择了复合墙结构。

3.3 顶板、中板与地连墙结合方式的创新

3.3.1 顶板与连续墙的连接方案

该站地连墙施工阶段需作为竖向构件承担施工期间的竖向荷载，永久工况要兼做抗浮桩。为同时能实现这两个功能，采取在地连墙施工时预留顶板的“隼接凹槽”的做法，并在“隼接凹槽”内预埋钢板解决局部受压的问题(见图5)。

3.3.2 顶板与侧墙交接处拉弯受力解决方案

如前所述，侧墙顶部所受的拉力将是地下2层站的3倍，弯矩也远大于地下2层站的弯矩，仅靠增加配筋很难解决施工阶段拉弯受力问题。在方案研究过程中也曾经讨论过以下2个方案：

1) 在侧墙中增加预应力钢筋或钢绞线方案，该方案的缺点是施工复杂，工艺要求高，难于控制，质量保障较难。

2) 在两侧的边跨中增加临时性钢柱及其桩基，采用分担受力的方案。该方案的缺点是造价高，立柱多影响施工，且侧墙受力仍较大，侧墙顶部配筋密集。

在否定了上述2个方案后，参考顶板与地连墙连接的做法，提出了利用地下连续墙混凝土保护层(70 mm厚)预留楼板“隼接凹槽”的做法。为确保“隼接凹槽”的质量及局部受压要求，在“隼接凹槽”上下方分别设置了70 mm×70 mm的角钢，并要求钢筋笼绑扎时用泡沫板或方木临时填充该凹槽，以方便后期凿除。此外，对车站主体侧墙接出入口、风道处，在侧墙上开大洞，传统的做法需将洞内竖向钢筋拉通设置(后期再切断)，以解决施工期间洞口下方墙体的悬挂问题。该方案由于楼板可以插入隼槽，洞口下方的墙体直接悬挂在楼板上，方便、简单、效果好。目前该站土建主体结构已经竣工1年多，未见开裂及渗漏水情况。

图5 板墙隼接做法

3.4 AM可视旋挖扩底灌注桩的应用

该站受顶板上方胜利路下穿桥标高的影响，施工期间顶板上的覆土较厚(局部达5.3 m)，施工期间的钢管柱桩基的竖向承载力特征值较大，为11 760～13 500 kN；在正常使用期间，车站顶板上方局部覆土仅约1 m厚，桩基础兼作抗拔桩使用，需要的抗拔承载力标准值为14 130～17 650 kN。如果采用普通的扩底桩基，桩径为2 m，扩底直径为3 m，桩长需26.5～33 m，通过调查了解，采用普通的施工工艺在中风化岩层中施工扩底直径为3 m的桩基，比较困难，且扩底效果很难保证。

经过充分的调查研究，大东门站钢管柱的桩基础选用了AM可视旋挖扩底灌注桩，简称“AM 工法桩”。该桩采用全液压电脑管理映像追踪快换魔力铲斗可控可视工艺，通过魔力铲斗干取土挖掘(成孔)电脑管理映像追踪等施工方法挖掘出直桩后，用全液压扩底快换魔力铲斗扩大相应部位。操作人员只需要按照设计要求预先输入电脑的扩底数据和形状进行操作，桩底端的深度及扩底部位的形状、尺寸等数据和图像，通过检测装置显示在操作室里的监视器上，全程可视化施工，施工质量有保障。

由于采用AM桩可以电脑控制可视化在任何部位扩底，且质量有保障，因此设计时选择在中风化岩层中两次扩底，桩长优化至20 ～25 m，单桩长度缩短了 33%，混凝土用量减少了30%，单桩造价节省约 20%。

3.5 HPE液压垂直插入钢管柱工法的应用

该站为地下4层盖挖逆作车站，基坑深，钢柱柱长度达31.6 m，且施工精度要求高。

常规的钢管柱在安装施工过程中，工人要下到孔底进行混凝土的凿除及定位器安装，存在诸多不安全因素，且单根钢管柱施工周期长达10～20 d，施工成本较高，影响车站工期。

HPE液压垂直插入钢管柱工艺，根据二点定位的原理，通过HPE液压垂直插入机机身上的两个液压垂直插入装置，在支承桩混凝土浇筑后、混凝土初凝前，将底端封闭的永久性钢管柱垂直插入支承桩混凝土中，直到插入至设计标高。该工艺施工过程中完全采用机械化作业，无需人工安装定位器，减少了人为因素，将钢管柱插至混凝土顶面后，可以根据钢管柱下部安装的位移传感器反映到电脑上的信号来检测钢管柱的垂直度，保证插入钢管柱的垂直度符合要求，垂直度可达1/500～1/1200，保证了施工质量。大东门站钢管柱施工完成后，检测结果显示钢管柱偏位值都控制在1/500以内。该工艺平均完成单根钢管柱安装时间为10～20 h，单根钢管柱安装的施工工期缩短了70%以上(见图6、7)。

图6 HPE液压垂直插入钢管柱现场施工

图7 车站施工完成后

3.6 多软件进行计算分析

鉴于本站的复杂性，设计过程中采用了sap84、理正深基坑、Midas、ANSYS等多种软件进行对比计算分析，对围护结构和主体结构采用增量法进行了详细的计算分析，并对整个车站进行了抗震三维分析，确保设计安全、可靠(见图8)。

图8 三维抗震计算分析模型及位移云图

4 结语

目前，大东门站主体结构已经竣工超过1年，车站内部未见渗漏水现象。根据第三方监测单位提供的 1 号线大东门站的监测报告，基坑周边地表最大累计沉降量为-21.6 mm，最大变形速率为-0.32 mm/d，小于控制值30 mm； 基坑围护结构水平变形，最大累计变形量为 +21.55 mm，最大变形速率为+0.34 mm/d，小于控制值30 mm；古井酒店最大累计变形为-6.9 mm，最大变形速率为-0.16 mm/d，圣大国际最大累计变形为-6.6 mm，最大变形速率为-0.32 mm/d，银路酒店最大累计变形为3.8 mm，最大变形速率为0.14 mm/d，均小于控制值10 mm；中间桩与地连墙最大差异沉降为9.1 mm，小于控制值20 mm；监测值均在正常范围。实践证明，该站的设计方案及几种新做法是成功的，相关经验可供类似工程参考。

[1] 地铁设计规范：GB 50157—2013[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2013.

[2] 有智慧.桩基后压浆技术在地铁盖挖车站中的应用[J].都市快轨交通，2015，28(3)：89-93.

[3] 胡显鹏.增量法与总量法在地铁结构计算中的应用[J].都市快轨交通，2013，26(1)：75-80.

[4] 北京城建设计研究总院有限责任公司.合肥市轨道交通1号线大东门站施工设计图:A版[A].北京，2012.

[5] 北京城建设计研究总院有限责任公司.合肥市轨道交通2号线大东门站施工设计图:A版[A].北京，2012.

[6] 北京城建勘测设计研究院有限责任公司.合肥市轨道交通 1 号线一期工程大东门站(车站主体部分)岩土工程勘察详勘报告[R].北京，2010.

[7] 可视旋挖扩底灌注桩技术规程：DBJ/CT 093—2010 AM[S].上海，2010.

[8] 混凝土结构设计规范：GB 50010—2010[S].北京: 中国建筑工业出版社，2010.

[9] 钢管混凝土结构技术规程：CECS 28：2012[S].北京: 中国计划出版社，2012.

[10] 施仲衡.地下铁道设计与施工[M].1版.西安：陕西科学技术出版社，1997.

[11] 王元湘.地下铁道深基坑工程围护结构的计算[J].世界隧道，1998(2)：1-10.

[12] 刘树亚.地铁叠合结构车站侧墙开裂探析[J].中国建筑与防水，2006(5)：13-17.

[13] 北京城建勘测设计研究院有限责任公司.合肥市轨道交通 1 号线一期工程大东门站第三方监测报告[R].北京，2015.

(编辑：郝京红)

Key Points of Subway Station Design with 4-storey Underground by Covered Top-down Excavation Method

Hu Xianpeng

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Ltd., Beijing 100037)

The process of covered top-down excavation method and five key issues including anti-floating, tension bending stress control of side wall, force control of steel tube column, construction error control of steel pipe column, control of differential settlement between piles and side piles, are introduced for the structure design of a 4-storey underground station constructed by the covered top-down excavation method. Taking the structure design of Dadongmen station, Hefei Rail Transit Line 1 as an example, a 4-storey underground station built by the covered top-down excavation method, the author presents suggestions to solve the five problems, such as the wall mortise connection, AM pile, HPE hydraulic vertical insertion steel pipe column method and so on. The solutions put forward in the paper can be referenced for similar projects.

urban rail transit; covered top-down excavation method; AM pile; HPE hydraulic vertical insertion steel pipe column method; the wall mortise connection way; diaphragm wall panel trench

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.06.017

2016-02-23

2016-05-27

胡显鹏，男，硕士，高级工程师，主要从事轨道交通设计研究工作，35380174@qq.com

U231.4

A

1672-6073(2016)06-0082-05