地铁车站盖挖逆作法施工关键技术研究综述

刘 戈，赵丽平

(天津城建大学 土木工程学院，天津 300384)

城市交通

地铁车站盖挖逆作法施工关键技术研究综述

刘 戈，赵丽平

(天津城建大学 土木工程学院，天津 300384)

由于地铁车站所处环境极其复杂，盖挖逆作法以其占地少、回填小，快速覆盖、缩短中断交通时间，低噪音、少粉尘，不扰民等诸多优点，被广泛用于地铁车站施工中．笔者介绍了地铁车站盖挖逆作法施工技术的工作机理及其发展历程，重点从盖挖逆作法的围护结构、中间支撑柱、土方开挖三方面施工技术进行研究．通过对大量关于地铁车站盖挖逆作法研究文献的统计，针对以上三方面，对其最新施工工艺进行总结，为相关施工技术研究的专家学者提供一个最新的研究动态，也可为其他工程建设人员提供技术支持．

地铁车站；盖挖逆作技术；围护结构；中间支撑柱；土方开挖

社会经济的快速发展使得城市交通拥挤问题越来越突出，修建地铁成为有效缓解城市交通的有效途径之一．由于地铁车站大多在人口密集、交通流量大的城市中心区修建，受城市交通、施工场地、周围环境的限制，采用一般地下工程施工技术施工难度较大[1]．而盖挖逆作法在建筑物密度大、施工场地狭窄、地层结构复杂的施工环境中有很大的优越性．首先，盖挖逆作法首层结构梁板作适当加强后可作为施工平台，有效地缩短了施工占地时间，缓解了地铁施工对城市交通的干扰；且盖挖逆作法是在地下作业，施工过程产生的噪声和粉尘对周边环境影响大幅度减小．其次，盖挖逆作法车站的支撑体系是由地下连续墙和地下室结构组成，该支撑体系不仅具有承重功能，同时兼备挡土、挡水功能．其抗侧移刚度大，能较好地控制开挖过程中基坑变形及周边建筑和地面沉降[2]．盖挖逆作法的这些优点为城市地铁的建设创造了很多有利的条件，被广泛应用于地铁车站建设，成为地铁建设中最重要和最基本的施工方法．

本文旨在总结目前地铁车站盖挖逆作法施工技术研究动态，侧重研究围护结构地下连续墙施工技术、中间支撑柱施工技术、土方开挖施工技术．通过分析总结，对已有施工工艺成果提出建议，为今后地铁车站盖挖逆作法施工技术研究提供一个最新的研究动态．

1 概 述

1.1 地铁车站施工方法的比较

目前修建地铁车站的施工方法主要有：明挖法、盖挖法、暗挖法．明挖法施工时需要的施工场地面积比较大，且施工期间长时间中断路面交通，对周围环境影响大．暗挖法施工对地质条件要求高，施工技术复杂、施工风险大、机械化程度低.且地铁车站常常是集地下街、人行过道于一体的有综合功能的车站，层数一般在3～6层，因此暗挖法很难实现其深度和宽度的要求．在选用地铁车站施工方法上，应综合考虑地铁车站功能要求、地质条件、道路交通等多方面的因素，盖挖法除了克服了明挖法和暗挖法的缺点外，同时具备了明挖法车站在功能要求及工期、费用等方面的优势，又具备暗挖法施工受外界气候环境影响小，对地面交通干扰小的特点，是值得推广和研究的一项重要施工技术[3]．

1.2 盖挖逆作法施工技术原理及发展历程

盖挖逆作法施工技术一般是先沿建筑物地下室外墙施工地下连续墙，同时在建筑物内部浇筑中间支撑桩和柱，在施工作业期间至车站底板尚未封闭时，中间支撑柱与周边围护结构共同承担上部结构自重和施工荷载的竖向支撑；然后施工地面首层的梁板结构，作地下连续墙的水平支撑；最后向下进行土方开挖，并浇筑每层地下结构，直到底板结构封底[4].

1933年，日本第一次提出逆作法的设想.1950年，意大利米兰 ICOS公司研发了排桩式地下连续墙，之后又提出了“两钻一抓”的地下连续墙施工方法．到20世纪60年代初，出现了低振动、低噪声的机械，如贝诺特挖掘机、钻孔挖掘机等，机械化施工促进了逆作法的推广使用[5-6]．20世纪 70年代以后，打桩机械的进步在一定程度上提升了中间支撑柱的垂直精度[7]．在地铁车站施工方面，20 世纪 50 年代末意大利米兰地铁车站首次采用盖挖逆作法施工；20世纪60年代中期至80年代末，在慕尼黑城市的五十七座地铁车站中有二十座采用了盖挖逆作法施工技术[8]．

我国相比其他发达国家在地铁施工中应用盖挖逆作法比较晚，我国首条运用盖挖逆作法的地铁车站是在1992年2月10日开工的上海地铁陕西南路和常熟路两座车站，1992年12月20日恢复地面交通，施工封路时间比明挖顺作法节省了一年零一个月，大大缩短了占用路面时间[9-10]．1997年逆作法列入冶金工业部发布的行业标准《建筑基坑工程行业规范》(YB9258—97)；2002年该方法被列入国家标准《建筑地基基础设计规范》；2005年，建设部将逆作法列入《建筑业 10项新技术》，并进行推广；2010年12月 20日住房和城乡建设部发布了中华人民共和国行业标准之《地下建筑工程逆作法技术规程》(JGJ165—2010)，该规程统一介绍了地下建筑工程逆作法技术，促进了该技术的发展；继2005年后，又于 2010年、2014年再次列入建筑业10项新技术，极大地促进了逆作法的推广应用[11-13]．截止2015年初，我国已经有北京地铁复八线的永安里站、大北窑站、天安门东站；北京地铁十号二期线潘家园站、十里河站；南京地铁的三山街站、新街口站等大多数地铁车站施工采用了盖挖逆作法．

2 地铁车站盖挖逆作法施工关键工法的研究动态

2.1 围护结构施工技术研究

地下连续墙集承担水土压力、防水截渗及竖向承重三重功能于一体，广泛应用于地下工程的围护结构.而地下连续墙成槽在地下连续墙施工中是一道最重要的工序，因此国内专家对成槽的施工工艺进行了大量研究和实践．

在杭州市地铁 1号线文化广场站工程中，针对此工程地下障碍物较多，埋置深浅不一的情况，采用HS843HD(利渤海尔)成槽机进行成槽，利用利勃海尔成槽机本身具有的冲击性能，快速解决了在不同深度遇到大块石，进尺困难的问题．同时，在成槽过程中可通过计算机显示系统进行垂直度跟踪观测，当出现偏离现象可以自动进行垂直方向偏斜纠正，保证了地下连续墙的垂直度，使该工程顺利地达到 3%的垂直度要求[14]．上海是典型的沿海软土地区，针对上海地下水富裕、土质软弱并且有含砂层的地质条件，高学春以上海轨道交通明珠线二期工程的某车站为例，开挖槽段采用日本进口的MHL-60100AY型、MAL80120AY型液压抓斗和KHl80履带式起重机配套的槽壁挖掘机，对于上部软弱土层采用抓斗成槽机施工．挖掘地下墙若遇到土层较硬，采取先用钻机以液压抓斗开斗的宽度为间距钻成疏导孔，然后用液压抓斗挖掘机向疏导孔挖掘除两孔之间的土体．该方法确保上部槽孔垂直度达到设计要求，从而确保了软土地区硬土层的成槽，同时大大提高了施工效率[15]．

通过对天津地区各工程成槽施工情况考察得知，天津地区目前成槽机械均采用的是液压抓斗成槽机．对于天津市区土层上部软下部硬、下部砂层土质不厚，机械在施工上部软土时容易发生塌槽，施工深部砂土时不易抓取，垂直度很难保证等问题，虽然可以用液压抓斗成槽机抓土，但是抓土较困难．杨宝珠、张淑朝认为可以使用抓斗重量大、闭合力大的设备，基本能够安全成槽，确保成槽的质量要求．对于滨海新区，可采用液压抓斗施工上部的软土土层，对于基坑深处标贯值较大、土质较厚的砂层，可以采用铣槽机或钻抓相结合的方法成槽[16]．针对软土地层地下连续墙成槽施工，文延庆认为在成槽机开槽同时应该适当选择辅助性措施．以深圳地铁11号线机场站为例，该工程地层为海相淤泥，厚度大、含水率高、人工扰动后流塑性强．此时，地下连续墙成槽采用冲击钻引孔施工，当个别槽段连续墙发生倾斜时，采用深层水泥搅拌桩护壁辅助施工，保证了地下连续墙顺利成槽和成槽的质量要求[17]．位于长沙市的 2号线溁湾镇站，该工程施工场地下为断层破碎带及岩溶地带，在此不良地质条件下成槽施工非常容易出现偏孔、扩孔和漏浆的现象；软弱地层中的孤石容易出现成槽机和冲击钻卡钻问题．针对此类现象，李凌宜采用冲击钻配备圆锤密排引孔、冲击钻配备方锤修槽、成槽机挖槽的“三步一体”的成槽施工方法．通过圆锤与方锤的配合，确保了成功破碎断层破碎带及岩溶地层中大部分岩层，易于成槽，且施工过程中槽段形状稳定，顺利解决了软弱不均匀地层带来的塌方、扩孔现象和岩溶地带的溶洞、灰岩段等地层出现的塌孔、孤石问题[18]．王辉在广州市轨道交通某车站引进了双铣槽机，由于该工程地处于岩石强度高、岩层起伏大的灰岩地区，采用一般冲桩机施工易出现成槽扩孔系数大、偏孔等问题．与一般的施工方法相比，双轮铣槽机更加适用于不同的灰岩区域．该机械在灰岩地区振动小、施工安全、成槽效率高，弥补了广州地铁在灰岩地区的地下连续墙采用铣槽机施工的空缺[19]．FAN结合工程的地质结构情况，单元槽段成槽采用“抓冲结合”的方法，用抓斗槽壁机进行挖槽，且槽壁机上有垂直最小显示装置[20]．

从目前地下连续墙的成槽施工工艺研究程度来看，成槽设备的技术进步使得地下连续墙的成槽精度和工作效率有了很大提升，同时还存在一些问题有待改善．首先，在成槽机械的实际应用方面，对于不同的地层必须采用不同的设备，限制了一些机械设备的使用条件，因此在研发新的成槽机械同时，应尽量考虑到设备适用地质条件的广泛性．其次，一些成槽设备进场和使用成本较高，例如，目前最先进的地下连续墙成槽机械铣槽机，该设备昂贵，维修成本高．最后，在引进先进设备的同时，可以考虑一机多用，如何充分挖掘设备潜力，充分发挥设备的技术优势，将是未来研究机械设备潜在经济效益的一个重要方向．

2.2 中间支撑柱施工技术研究

对于盖挖逆作法施工车站，对中间支撑柱的高程、平面位置和垂直度要求非常严格，因此施工的关键技术在于中间支撑柱的精确定位和安装．传统的中间支撑柱定位调垂方法为 HPE液压垂直插入法、纠正架法、导向套筒法．通过阅读大量文献发现，专家学者在钢管柱的定位和安装方面做了大量研究和改进．

我国盖挖逆作法钢管柱常规的调垂方法都是依靠调垂设备之间以调节钢管柱的垂直度．由于这些设备安装在地下深处，安装和拆除都相当困难．对于这些问题，胡玉银等人提出了基于激光定位的逆作法钢立柱间接法调垂施工方法，施工原理是将调垂平台和钢管柱组合，然后放置于地面，以液压为动力，用计算机自动控制调整调垂平台的垂直度，从而使钢立柱垂直度达到要求．该工艺操作方便、调垂精度高、施工效率高．随后该施工方法在上海铜山街、武汉永清等多个工程中得到推广应用，并带来良好的经济效益[21]．在中间支撑柱施工中，钢管柱一般直接插人工程桩基中形成中间桩柱一体化．但在天津滨海国际机场扩建配套交通中心工程中有部分钢管柱位于结构底板梁上，由于钢管柱下方没有工程桩，导致不能使用常规方法施工．因此郭凯、李乐研发了钢管柱分节定位安装技术，该技术是把钢管柱分为上、中、下 3节，当施工结构顶板时先安装钢管柱的上节，施工底板结构时安装钢管柱的下节，复核钢管柱上节和下节以后再进行钢管柱中间段的安装.事实证明，钢管柱分节定位安装施工工艺在后起钢管柱的安装施工中具有良好的应用价值[22]．唐剑、付洵等人以武汉地铁洪山广场站为例，综合考虑到车站的地质条件、基坑本身结构和施工单位技术力量等因素，采用下部定位器加上部丝杠的方法进行定位，钢管柱下端定位主要依赖于定位器，上端用丝杠定位．与传统 HPE工法相比，该定位方法施工偏差均比允许差值小，操作性较强，施工成本仅为HPE工法成本的24.2%，具有很大的经济效益[23]．在传统工法HPE液压垂直插入法的基础上，王立玲结合深圳11号线松岗站采用旋挖钻机＋HPE插管机联合安装钢管立柱的施工方法：利用德国宝峨 BG25C旋挖钻机成孔，待桩基混凝土浇筑到基坑底标高后，且在混凝土初凝之前前，采用HPE液压垂直插入机把底部封闭的永久性钢柱插入支承桩的混凝土中，直到达到设计高度要求．该方法解决了传统方法施工周期长、工序复杂、成本高的问题，大大提升了钢管柱的安装效率[24]．张斌等人采用导向法固定架对桩柱进行固定，其原理是采用孔口调垂架承受钢柱自重，在孔口调整钢管柱的垂直度，钢管柱的底端采用导向定位器来控制它的定位偏差．当钢管柱在下降到要求的设计标高时，钢管柱下部的导向定位器就会自动调整钢管柱的运动轨迹．文章对首根钢管柱做了试验，针对试验出现的混凝土离析问题，对钢管柱进行了改进：切割了钢管柱下端定位器的尖端部位，从而确保了钢导管顺利插入混凝土交界面底部．与常规的施工方法相比，该施工方法不但提高了钢管柱混凝土的施工质量，而且大大提升了钢管柱的垂直度[25]．在深圳市地铁 7号线福民站工程中，基坑中有2排钢格构柱，其中最长达26.41,m，由于格构柱较长，导致吊装和定位困难，为了确保其定位精度和成桩的质量，设计了一套专用定位装置．该装置由基座及定位盘两部分组成，用安装在定位盘上的八个25螺栓以调节格构柱的平面位置，依靠四角处的四个千斤顶来调整定位盘的表面平整度，从而使格构柱的垂直精度达到要求．这种定位装置通过在 7号线福民站的应用结果证明，中间支撑柱的成桩质量和垂直精度足以满足施工设计的要求，顺利地解决了定位和垂直度难控制的难题[26]．炊鹏飞等人在北京地铁14号线东湖渠站工程中，对中间立柱施工工艺做了以下三点改进．

(1)将原设计的最大钢管套筒长度 18.39,m改为8.39,m.通过钢套筒长度的优化，降低了运输难度和运输费用，提升了钢套筒安装的经济性和安全性．

(2)将定位器的竖向支撑变为高 450,mm的钢筋架子，将钢筋托架与钢套筒和定位器的十字板焊接牢固，依靠钢筋托架托起定位器，这种施工工艺不仅充分满足了钢管柱安装定位精度，重点是极大地简化了中间支撑柱的施工工艺．

(3)固定钢管柱上口时，在钢管柱顶部和钢套筒上焊接临时的挂钩，通过调节花篮螺丝和钢管柱上口平面位置来保证钢管定位精度，花篮螺丝和挂钩可以重复使用，该施工工艺简单方便，而且施工成本低[27].

CAI等在某工程中为防止中间支撑柱和边柱在逆作法期间因不可见因素带来的强度影响，决定把柱增大截面到同桩截面，同时也便于人工下桩进行梁钢筋预埋[28]．

经过大量研究发现，尽管定位及调垂施工工艺在根据不同技术特点的工程不断创新优化，调垂设备趋于高精度化，但是同时存在很多问题有待改进：首先，有些机械设备庞大，而这些设备大多在地下施工，导致在柱与柱之间转移麻烦，占用人力资源大，拖延工期；其次，设备价格昂贵，维修费用不菲，给施工费用带来很大压力．为此，在研究改进新设备的同时，在保证定位及调垂设备施工精确度的情况下应尽量简化机械装置，一方面给使用、转移设备带来方便，另一方面可减少施工费用．

2.3 土方开挖施工技术研究

基坑土方开挖是基坑工程乃至整个工程中最关键的一部分，基坑土方开挖的效率很大程度上影响着整个工程工期的长短，尤其土方开挖工程量大的基坑更应该重视这个环节[29]．因此，专家学者对改善土方开挖出土效率的问题作了大量探索和研究.

在广州云外仓储江燕路项目中，苏伟、张明等人在工程中取消了常规的逆作法栈桥或桁架吊车出土，减少土方开挖预留洞口，应用永久车道和坡道相结合作为逆作出土通道，土方车开到取土面来装车，因此将逆作方法出土变为正作方法出土，比常规的施工方案出土速度高出了一倍．成功解决了传统逆作法设备出土效率不高的缺陷和不足，取得了良好的经济效益[30]．对于狭长形的基坑，由于土洞口距离较长，加上分段开挖土方水平运输与支撑的空间矛盾，导致施工效率降低.徐安军利用上海西站15号线地铁车站工程，提出了通道式土方开挖工艺．这种开挖方法首先在基坑的中部挖土，从而形成一条纵向的作业通道，然后从远离出土口的一侧进行分段开挖，开挖的同时进行支撑制作养护．实践证明，通道式土方开挖工艺比传统的分段推进式开挖作业时间缩短88天，土方开挖和运输工效提高了 40%,，经济效益非常明显[31]．通常土方开挖垂直运输采用龙门吊、挖掘机接力转运，但往往地铁车站基坑受场地限制不能全部采用这两种方法，而用吊机吊土成本高，采用长臂挖掘机由于基坑深度问题，难以直接将土运到地面．因此，洪三全、蒋学文提出了中继转运土台出土技术，即制作钢板平台，基坑内设置 2台小型挖掘机挖土，基坑边放置1台长臂挖掘机，把土转运到钢板平台后，再将钢板平台上的土用长臂挖掘机挖到地面直接装车运走.此方法给施工带来便利，有很大技术应用价值[32]．

对于地铁车站端部里程较短的部位，该处是不规则形状的基坑，选择合适的开挖方案是工程的难点．以天津地铁 5号线思源道站为例，异形段基坑为环形辐射支撑体系，利用栈桥作为挖土平台，采用长臂挖掘机和普通挖掘机配合倒土．土方开挖采取盆式开挖的方法，先开挖基坑环梁中间部分，然后开挖基坑周围和支撑下的土方，开挖顺序呈同心圆的形式向外开挖，三个工作面同时开挖．该施工方案可为地铁车站异形基坑工程提供技术参考和借鉴[33]．在上海地铁二号线陆家嘴车站工程中，车站南侧毗邻雨水泵房，如果采用常规方法进行开挖，泵房可能由于沉降过大而破坏．虽然在基坑外对地基做了大量加固，但还是未能达到要求．为了确保泵房原有结构，同时防止泵房结构下降，在基坑土方开挖过程中引入了时空效应原理，改进了常规的基坑开挖施工工艺，有效地保护了泵房结构，成为地基加固结合引入时空效应原理在实际施工应用中取得成功的实例[34]．Matsuo介绍了一种新的土方开挖方法：水力排土法．它是一种利用水的冲力和流动性进行排土的方法，但是需要周围有充足的水源才能使用，具有一定的局限性[35]．在福州某地铁车站工程中，基坑开挖范围内主要是淤泥质软土和风化岩层，风化岩层具有一定的强度，可以直接采用挖掘机进行开挖，而淤泥质土层，开挖机械不易行走，不利于开挖工作．因此，蔡永元等人针对不同工况制定了不同的开挖方式：对于表层开挖，采取建筑垃圾回填＋明排水的方式开挖；对于第二、三层，在风化岩层采用明排水方式开挖；在淤泥质土层开挖时，为了方便机械行走，机械履带下铺上路基板，在工作面周围开挖面以下 50,cm挖排水沟；并在基坑的最深处设置集水井，也就是路基板＋集水明排的方式开挖.通过采用多种方式结合的开挖模式，减少了开挖过程中遇到的问题，达到了既保证质量、安全，又能节约成本的效果[36].

从现有土方开挖施工技术研究程度来看，在针对不同工况制定正确的开挖方案的前提下，选择挖土机械和运输设备是提高出土效率的关键．在施工机械方面，目前已应用到逆作法施工中的有龙门吊配合大方量抓斗、伸缩臂抓斗、高速电动葫芦、传送带等新型设备．未来机械设备研发的的方向应重点开发低净空取土的设备，有效解决上部施工净空问题；在已有逆作取土架设备基础上改进、创新，提升土方开挖机械取土效率；对于超深深基坑，研发超深基坑逆向的人和货物可以两用的升降机械，从而提高人和货物上下基坑的效率．土方开挖施工机械的创新、优化将会很大程度影响整个工程的建设周期和施工质量.

3 结 语

目前，对于地铁车站盖挖逆作法施工技术的认识主要建立在对一些工程经验的总结，其理论分析还不够成熟，使得盖挖逆作法相关的研究工作开展得相当有限．随着施工机械设备、工艺以及施工管理的不断更新与进步，虽然深基坑盖挖逆作法施工技术水平有了大幅度提高，但是进一步研发有针对性、便于操作性、经济实用型的机械设备，加强施工工艺优化创新等仍是未来发展的重点．只有充分掌握好盖挖逆作关键施工技术，如该文中讨论的围护结构施工技术、中间支撑柱施工技术、土方开挖施工技术等，做到施工工艺科学，施工组织合理，施工机械设备类型适用，才能充分展现出盖挖逆作法在地铁车站施工中的优势.

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Review of the Key Technology for Top-Down Inverse Construction Method of Subway Station

LIU Ge，ZHAO Liping
(School of Civil Engineering，TCU，Tianjin 300384，China)

Because the environment around a subway station is very complex，top-down inverse construction method，due to its less area occupation and backfill；fast coverage，the short time of interruption of traffic；low noise，less dust，not disturbing and many other advantages，is widely used in subway station construction．This paper firstly introduces the working mechanism and development history of the top-down inverse construction method of subway station，and then focus on the construction technology of the three aspects of the retaining structure，central pile-columns，and the excavation of the earth with a great deal of statistics of the research literature on top-down inverse construction method of subway station．It finally summarizes the latest construction technology of the expert scholars about the above-mentioned three aspects，provides a new research on the construction technology research and technical support to other engineering construction personnel.

subway station；top-down inverse technology；retaining structure；central pile-columns；excavation

U231.4

A

2095-719X(2016)05-0387-06

2015-10-15；

2015-12-14

天津市建委重点项目(2010软-11)

刘 戈（1977—），男，天津人，天津城建大学教授，博士．