某地鐵車站半蓋挖法設計研究

阮國勇

(中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津 300133)

0 引言

近年來，我國城市軌道交通建設發展迅速，為緩解自身的交通壓力，陸續有24個城市開始修建地鐵工程。地鐵車站一般位于城市干線，建設階段在主干線大范圍占道施工，對目前已經緊張的城市交通更是堵上添堵。為緩解由施工引起的城市擁堵問題，廣州地鐵2 號線曉港站［1］、深圳地鐵1 號線崗廈站［2］、上海地鐵8號線陸家浜站［3］、上海地鐵11號線真南路站［4］均采用半蓋挖法進行施工，其具體做法是在基坑的空間范圍內敷設半幅臨時橋架結構，作為施工機具空間和市政交通條件;但由于橋架結構是臨時工程，后期有大量鋼結構需要拆除，對車站主體結構極為不利，而且橋身多為臨時鋼便橋，拆除時需要再次進行交通疏解，導致交通不暢。

半蓋挖法施工的地鐵車站，如何能科學地組織結構，有效地結合永久結構和臨時工程，減少不必要的拆除工程和避免二次交通導改是目前面臨的又一課題。本文結合成都地鐵黃忠路口站設計實例，以永久結構構件作為半蓋挖橋系承重結構的方法作相應研究，對半蓋挖結構主要工況作受力計算和分析。

1 工程概況

1.1 工程簡介

黃忠路口站是地鐵2號與7號線的換乘站，2號線車站主體沿蜀漢路布置，地下2層，7號線車站沿黃忠大道布置，地下3層。2站在交叉路口成“L”型節點換乘。黃忠路口車站為12 m雙柱島式站臺，頂板覆土3.25 m，車站長 181 m，軌面埋深 14.68 m，主體建筑面積7 734 m2，總建筑面積10 805 m2。本站地處城市西北，呈東西走向，規劃道路寬40 m，是都江堰、郫縣以及城西居民進出成都的主要通道，車流量極大。黃忠路口站總平面圖見圖1。

黃忠路口站兩端區間采用盾構法施工，由于車站施工場地受限，盾構到達本站后由站臺層直接通過車站。

1.2 工程地質、水文地質

車站范圍內從上至下地層是雜填土〈1－1〉、素填土〈1－2〉、粉土〈2－4〉、細砂〈2－5－2〉、中砂〈2－5－3〉、卵石土〈2－6〉。其中，主要有以下2種:

圖1 黃忠路口站總平面圖Fig.1 General plan of Huangzhonglukou station

1)雜填土〈1－1〉。褐黃、灰黑等雜色，松散，稍濕，由碎石、砂土、磚瓦碎塊等建筑垃圾組成，其間充填黏性土，分布于地表，層厚0.5 ～3.20 m。

2)卵石土〈2－6〉。青灰色，黃褐色，濕－飽和，卵石主要以巖漿巖、變質巖類巖石組成。以亞圓形為主，少量圓形，分選性差，卵石含量50% ～85%，粒徑以20～80 mm為主，部分粒徑大于100 mm，充填物為中砂，局部夾漂石，埋深1.8 ～3.4 m。

場地地下水主要為砂、卵石層中的孔隙潛水。主要賦存于全新統、上更新統的砂、卵石土中，砂卵石層含水豐富，含水層總厚度大于30 m。車站主體結構基本位于該層砂、卵石土中，受地下水影響很大。

1.3 主要設計標準

1)車站主體基坑安全等級為一級，主體結構的安全等級為一級，結構抗震設防烈度為7度，結構按6級人防的抗力標準進行驗算。

2)與土壤直接接觸的迎土面混凝土構件的環境類別為I－B類。

3)地下水及地表水對混凝土及鋼筋混凝土結構中的鋼筋均無腐蝕性，但對鋼結構有弱腐蝕性。混凝土抗侵蝕系數不得低于0.8。

4)結構按最不利情況進行抗浮驗算，在不考慮側壁摩阻力時，其抗浮安全系數不得小于1.05。

2 車站結構設計

2.1 設計周邊環境

1)施工期間蜀漢路交通條件。作為成都市城區西部的主要交通干線，市交委對車站主體施工提出要求:主體施工期間，蜀漢路須滿足地面交通4個機動車道+2個非機動車道+人行通道匯合通行，所需地面道路寬度為3.5 ×4+2.5×2+4.5 ×1=23.5 m。

2)施工場地周邊環境。車站位于蜀漢路，規劃道路寬40 m，地面交通量大，施工場地相對緊張。因本站是換乘站，車站主體結構總寬度相對非換乘站要大，為28 m。

車站周邊有重要建(構)筑物，上層建筑(混凝土18層)、新天地(混凝土18層)、黃忠加油站，道路北側老房子酒樓(混凝土7層)距離主體基坑5.4 m，距離出入口基坑2.2 m。

場地內管線較多，主要有雨水、污水、給水、電力、通信、燃氣等。其中，道路中間有1根DN1 600鋼制的給水管，管底埋深約4.5 m，需要改移至主體結構外。

3)車站埋深。車站頂板覆土3.1～3.7 m，底板埋深17.0～17.5 m，頂板位于粉土、細砂和卵石土交界面，側墻處于卵石土層，底板位于中密和密實卵石土層上。

4)施工組織。本站相鄰2區間均為盾構法施工，附近無法為盾構吊裝提供施工場地，本站采用增大地下2層結構高度的辦法，使盾構機直接通過軌行區。

2.2 車站的施工方法選定

施工方法的選擇與工程地質和水文地質條件、城市規劃要求、周圍既有建筑物、管線及公交狀況及結構形式等密切相關［5－6］。車站在外部條件許可的情況下，從工程施工難度、質量、工期、造價的角度考慮應選擇的施工方法依次為明挖法、半蓋挖法、蓋挖法和暗挖法［7］。其中，半蓋挖法是結合明挖和蓋挖的修筑方法［8］，施作整個車站的半邊橋梁體系，作為交通道路或施工場地，另外半邊作為施工出土和進料的敞口。主體基坑一側為蓋挖，另一側為明挖，見圖2。半蓋挖法與其他施工方法的比較見表1。

表1 施工方案比較表Table 1 Comparison and contrast among different construction methods

圖2 半蓋挖法橫斷面Fig.2 Profile of foundation pit excavated by semi cover and cut method

根據市交委對此段路施工時的占道要求(需提供23.5 m寬的市政道路)，本站主體基坑施工階段不具備明挖的施工條件。若采用全蓋挖法施工，車站主體位于蜀漢路北側，出土和進料僅能選擇在車站南側與黃忠大道的交叉口處(即2號風井位置)，施工前需要先完成2號風道的結構頂板和2號風井結構，整個工期相對較長，不能滿足盾構過站工程籌劃要求，故擬在半蓋挖和暗挖2種工法中進行選擇。本站與7號線相接換乘，設計為雙柱12 m站臺，結構寬度為20.5 m，若采用暗挖法施工，比較可行的是中洞法，就目前本站設計情況，車站覆土需加深3 m達到6 m左右，軌面埋深約17.0 m方能滿足主體起拱的條件，這樣導致工程施工和后期運營費用相對較高，此方法不夠經濟，不推薦采納。由此，進一步研究半蓋挖法。半蓋挖法常用主要形式有2種。

1)鋼格構立柱樁+半幅臨時便橋形式。如廣州地鐵2號線曉港站、上海地鐵8號線陸家浜路站(見圖3)。

2)無柱鋪設鋼便橋形式。半幅便橋作為市政交通，半幅便橋作為施工運輸空間。如成都地鐵1號線騾馬市站，軍用梁鋪設間距為2.4 m(見圖4)。

這2種形式都較好地解決了在狹窄的城市空間利用架設便橋來協調施工場地和交通的問題，從而能更快地進行施工;但施工中架設的臨時便橋，在后期需要再次改移道路，進行拆除，這對既有交通不利。黃忠路口站施工方案針對以上2種形式做了一些優化，把永久結構頂板和承重柱作為橋系結構，不必對道路進行再次改移，必然節約工期和造價。如果支撐的鋼管柱結構受力允許，將不架設臨時格構柱，這需要通過施工期間對橋架結構受力和永久結構受力進行比較。

2.3 半蓋挖結構計算

黃忠路口站施工期間主要結構斷面以圖2進行擬定。由平面可知，離基坑最近的2幢建筑物是老房子和水景灣茶樓，約為5.4 m。本站在基坑施工中最不利工況是結構底板已施作，拆除第2道支撐時。半蓋挖頂板上的覆土荷載和車輛荷載直接傳遞給結構頂板和梁柱體系，由于頂板為半幅，所以受力較不利，而且有較長的縱向施工縫。

2.3.1 計算斷面擬定

根據圖2和車站周邊實際情況，擬定整個基坑計算簡圖如圖5所示。

2.3.2 圍護結構

該基坑工程結構由圍護結構和豎向承重橋系結構組成，可將2個結構體系分開來計算，圍護結構采用常規的“人工挖孔樁 +內支撐”的體系，按 JGJ 120—1999《建筑基坑支護技術規程》的要求，采用增量法，一級基坑，運用理正深基坑6.0計算，得出基坑圍護體系符合技術要求。圍護樁包絡圖如圖6所示。

2.3.3 橋系結構

豎向承重橋系結構工程由半幅結構頂板、梁和鋼管柱組成，其計算簡圖如圖7所示。車站東盾構井段位于十字交叉路口，采用滿幅結構頂板蓋挖，此站是以半蓋挖法為主并結合全蓋挖法的結構形式。該站橋系結構需要按荷載情況、施工方法，模擬開挖、回筑和使用階段不同的受力狀況，取最不利內力進行計算。采用MIDAS GEN計算軟件建立三維計算模型(如圖8所示)。

2.3.3.1 計算參數

1)頂板覆土按3.35 m設計，為單層板多跨連續梁框架結構。

2)頂板厚0.7 m，底板厚0.8 m，側墻厚0.6 m。跨度為8.4 m和9.0 m。回填土按夯實黏土考慮。

3)地面超載標準值按照均布荷載Qm=20 kN/m2計算，頂板上土荷載 DBTU=20×3.35=67.0 kN/m2;頂板上施工荷載DBSG=5.0 kN/m2;北側對頂板水平支撐荷載DBZC=650 kN(間距3.5 m)。

圖5 基坑圍護結構計算簡圖(單位:kPa)Fig.5 Calculation sketch for retaining structure of foundation pit(kPa)

圖6 圍護樁包絡圖Fig.6 Envelope diagram of retaining pile

2.3.3.2 計算過程

設計中不考慮地震和人防等荷載偶然組合，并按照承載力極限狀態和正常使用極限狀態2種工況驗算結構在施工階段的結構受力。根據以往的設計計算經驗，影響蓋挖結構構件配筋設計主要是施工階段承載力極限狀態控制和正常使用極限狀態裂縫寬度驗算。經降水施工，計算時無水壓。

鋼管結構支撐在頂板上，假設圍護結構冠梁無水平位移，鋼管柱底部無相對位移，支撐與鋼管柱無連接。

計算軟件中定義的靜力荷載包括:豎向土壓力、側向土壓力、活荷載、社會車輛、施工荷載、自重、恒荷載、第1道鋼管撐等。

通過MIDAS GEN軟件計算得到標準組合作用下的彎矩圖、軸力圖、剪力圖、扭矩圖，分別見圖9—13。

標準段因頂板土荷載只加載在頂板局部范圍，由計算結果來看，并沒有使用階段荷載值大;在東端盾構井采用頂板全蓋挖，土荷載、地面超載等同于使用階段荷載，所以板的計算和設計均按照使用階段進行控制即可。

梁在半蓋挖段和全蓋挖段的作用彎矩均不大于使用階段的情況，施工階段產生的扭矩最大值為29.1kN·m，通過構造配筋可以滿足抗扭要求。

2.3.4 鋼管柱計算

半蓋挖法施工時，鋼管柱會產生一定彎矩值。由MIDAS計算時，鋼管混凝土柱與縱梁、板構件固接，頂板彎矩有小部分傳至半蓋挖鋼管柱。以某一構件為例，說明鋼管柱在施工中的穩定性。

2.3.4.1 設計參數

水平力650 kN/4 m，D=700mm，t=16mm，C45混凝土，Q235鋼，L=12 500mm，豎向力F=3 460kN，彎矩設計值 M=117.5 kN·m。

2.3.4.2 抗彎承載力計算

按規程DBJ 13－51—2003驗算。

壓彎構件，鋼管混凝土構件在一個平面內承受壓彎荷載共同作用時，承載力計算如下:

鋼管混凝土截面含鋼率α=As/Ac=34381/350 464=0.098(As，Ac分別為鋼管和混凝土的橫截面面積)。

圓鋼管混凝土穩定系數φ查表［9］，經內插計算得φ =0.84。

由《鋼規》和《混凝土規范》查得f=215 N/m2，fc=21.1 N/m2;fy=235 N/m2，fck=29.6 N/m2。

構件截面約束效應系數設計值ξ0=αf/fc=0.098×215/21.1=0.998。

圖9 標準組合作用下的彎矩圖(單位:kN·m)Fig.9 Bending moment under standard comprehensive action(kN·m)

圖13 標準組合作用下板的彎矩圖(單位:kN·m)Fig.13 Bending moment of slab under standard comprehensive action(kN·m)

鋼管混凝土組合軸壓強度設計值fsc=(1.14+1.02ξ0)fc=(1.14+1.02 × 0.998) × 21.1=45.54 N/m2。

構件截面約束效應系數標準值ξ=αfy/fck=0.098 ×235/29.6=0.778。

構件截面抗彎塑性發展系數γm=1.1+0.48ln(ξ+0.1)=1.1+0.48ln(0.778+0.1)=1.038。

鋼管混凝土構件截面抗彎模量Wsc=πD3/32=π×7003/32=33 673 946.26 mm3。

鋼管混凝土構件的抗彎承載力(極限彎矩)Mu=γmWscfsc=1.038 ×33 673 946.26 ×45.54 ×10－6=1591.784 kN·m ＞M=117.5 kN·m(設計彎矩)。

2.3.4.3 壓彎圓鋼管混凝土構件計算

在一個平面內承受壓彎荷載共同作用，依據參考文獻［9］得 ξ0=0.18ξ－1.15+1=0.18 × (0.778)－1.15+1=1.240。

因為 ξ=0.778 ＞0.4，則 η0=0.1+0.14 × ξ－0.84=0.1+0.14 ×0.778－0.84=0.272。

N/fsc=3460 ×1000/45.54=75977.16mm2(此處N為F，即軸力設計值)。

2η0φ3Asc=2 × 0.272 × 0.843× 3.14 × 7002/4=124 102.07 mm2。

因為 N/fsc＜2η0φ3Asc，則

鋼管混凝土組合軸壓彈性模量Esc=46 375 N/mm2(查表［9］可得)

歐拉臨界力 NE=πEscAsc/λ2=3.14×46 375×3.14 ×7002/4/71.422/1 000=10 994.935 kN。

查《鋼規》有端彎矩和橫向荷載，等效彎矩系數βm=1.0，當 N/fsc＜2η0φ3Asc時，依據參考文獻［9］得 －bN2/N2u－cN/Nu+(1/d)βmM/Mu=1.26 ×10－6－3.48 ×10－4+0.0845=0.0842 ＜1。

所以，鋼管柱滿足壓彎構件要求。

2.4 半蓋挖結構應注意的幾個問題

1)本站半蓋挖頂板上的道路寬度，只占先期施工結構頂板的1/2，結構受力相對較小。如果整個半幅結構頂板均填土鋪設道路，那么頂縱梁的抗扭剛度和柱的抗彎剛度須增大，必要時，還需設置臨時鋼立柱。建議:即使在鋼管柱抗彎剛度足夠情況下，鋼管柱也應和水平鋼支撐有效拴接，減小其變形。

2)橋系半蓋挖部分結構經過1 a左右覆土壓載和車輛動載作用，承重圍護樁相應產生沉降;主體結構施工完成后較長時期內，地基沉降才會趨于穩定。蓋挖頂板和明挖結構存在差異沉降，其位置在蓋挖頂板下后澆側墻，和蓋、明挖頂板相接處會產生較大的附加應力。應在先期和后期結構相連處設置微膨脹混凝土后澆帶，以減少差異沉降對結構的影響。

本站圍護樁端和承重柱均位于密實卵石土層，承載力特征值為900 kPa，后期差異沉降在2 mm以內，無明顯結構變形。

3)蓋挖頂板和明挖頂板受力存在二次分配的問題，后期澆筑的明挖結構加載后，蓋挖頂板撓度減小，頂縱梁扭度和鋼管柱曲度均減少，空間上呈扭轉態勢［10］。實際上這種應力變化對結構是不利的，應加大板的配筋和柱的抗彎剛度，減小初始變形。

二次分配對結構的影響，主要取決相臨板帶的寬度。單柱車站結構，相臨板帶較寬，再次加載，先期施工頂板彎矩變化相對大一些。本站為雙柱結構，先期施工結構彎矩減少約3%。

4)這種半蓋挖法施工的頂板存在較長的縱向施工縫，澆筑明挖部分頂板時，應分段設置后澆帶，分段長度不大于40m，采用提高一級的微膨脹混凝土后澆，減小混凝土收縮徐變的影響;也可在先期澆筑半蓋挖頂板的同期，澆筑一部分明挖部分頂板，根據施工的需要留足一定的出土的進料孔，這樣對頂板結構較為有利。

3 結論與建議

在狹窄的城市空間修建地下工程，既要滿足施工期間地面交通的要求，又要達到節約工期的目的。結合明挖和蓋挖的修筑技術，創新采用半蓋挖法，協調解決了施工用地和快速施工的要求，取得一定的經濟和社會效益。通過對黃忠路口站的設計研究，結論和建議如下。

1)臨時橋系半蓋挖法施工存在工序繁多、施工效率低、投資大等缺點，優化后的方案工序大為簡化，避免不必要的拆除工作和二次市政占道，同時節省了臨時工程的安拆相關費用。

2)覆土深度在3 m左右的地鐵車站，可將頂板和承重柱直接作為橋系結構，并提供約6 m寬的地面交通;如果覆土深度在1 m以內的地鐵車站，則可提供約10 m寬的地面交通。

3)圍護樁和鋼管柱作為豎向承重構件，保證其壓彎穩定性極其重要，必要時應將水平支撐和豎向鋼管柱協同布置，并有效拴接。

4)為控制明挖基坑整體穩定性，第1道水平支撐中心宜與頂板結構水平中心重合。

5)本文僅對先期施工頂板的部分空間加以利用，如果作進一步深入研究，將整個半蓋挖結構頂板都作為地面交通，則城市交通將得到更好地改善;但橋系結構豎向荷載增加較大，對橋系結構的強度要求更高，承重柱整體穩定性問題將成為主要控制因素。

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