“站橋合一、先橋后站”蓋挖地鐵車站關鍵施工方案的比選與優化

劉蘇明，石達強

(北京中鐵隧道建筑有限公司，北京 100022)

0 引言

隨著我國國民經濟和社會的發展，城市地鐵在城市交通中的作用越來越明顯，許多城市都在修建地鐵。地鐵項目均處在城市繁華地段，周邊建筑物林立，地下管線密集，環境極其復雜。由于受地鐵線路等各種外界條件的限制，地鐵車站的布設越來越困難，出現了許多新的地鐵車站布設形式，“站橋合一、先橋后站”蓋挖地鐵車站就是其中之一。在復雜環境條件下，影響“站橋合一、先橋后站”蓋挖地鐵車站施工的因素很多，施工極其困難。因此，需要對施工方案進行比選、優化，以保證施工安全和質量，并盡量提高施工方案的可操作性和經濟性。

文獻［1－3］介紹了蓋挖逆作法的設計、施工及在我國地鐵工程中的應用情況;文獻［4－6］介紹了深基坑開挖、圍護結構施作、變形等情況;文獻［7－9］介紹了基坑工程支撐系統的拆除方法。盡管這些文獻對蓋挖逆作法地鐵車站基坑開挖、支護及支撐系統拆除做了詳細描述，但是均未涉及復雜環境下“站橋合一、先橋后站”這種特殊的地鐵車站形式。本文以復雜環境條件下某“站橋合一、先橋后站”地鐵車站基坑為例，對基坑開挖方案、鋼管柱吊裝方案及鋼筋混凝土支撐體系拆除方案進行比選及優化，以期為今后復雜環境條件下其他“站橋合一、先橋后站”地鐵車站基坑施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某地鐵車站位于城市主干道交叉路口，地面交通繁忙。為緩解交通壓力，路口處采用“站橋合一”形式，即先修建跨線橋以疏解交通(目前該跨線橋已開通運營)，后期在橋下修建地鐵車站，車站與跨線橋平行，位于其正下方，橋樁即為車站中柱。該車站下穿城市一環路隧道，與隧道斜交57°。橋、隧、站立體關系見圖1。車站為雙層雙島式三線換乘車站，局部單層、二跨、三跨、五跨，標準段寬 40.9 m，總長 298.65 m，頂板覆土約3 m，底板埋深約20 m，中間暗挖下穿公路隧道，兩端蓋挖順作。地鐵車站下穿公路隧道段寬40.9 m，長33 m;兩端蓋挖段長分別為67.3 m和198.35 m。車站總建筑面積為22 095.2 m2，共設4個出入口、3組風亭。

車站周邊建(構)筑物眾多，醫院、學校、飯店、商鋪及居民住宅樓鄰近，距離車站主體結構最小距離僅3.5 m。且車站位于老城區，站位處地下管線種類齊全、數量眾多，有雨污水管、給水管、煤氣管、電力管、通訊管等，整體呈“蛛網狀”覆蓋車站。

車站范圍內地層主要以卵石土層為主，卵石體積分數為60% ～80%，最大粒徑30 cm，地下水滲透性強，地下水位埋深6 m。已通過人工降水把地下水位降至車站底板以下2 m。

圖1 跨線橋與車站縱剖面關系圖Fig.1 Longitudinal profile showing relationship between overpass bridge and Metro station

2 原設計施工方案

由于該車站周邊環境復雜，施工條件惡劣，且與橋、隧立體交叉，施工難度大，招標時綜合考慮場地、交通等外部條件，確定車站主體采用“蓋挖順作法+下穿隧道暗挖法”施工，且在基坑出土方案、結構柱安裝、內支撐體系等方面均做了專項設計。

2.1 土方開挖方案

車站蓋挖部分招投標方案分為2部分:1)頂板以上淺基坑采用明挖法施工，地模法施作頂板，且頂板橫向倒邊施作;2)在頂板上連續預留多個出土孔(西段頂板2個、東段頂板6個)配合吊車出碴。

招標方案擬定時主要考慮以下3點因素:1)受跨線橋影響，橋下出碴條件差，且周邊建(構)筑物鄰近，場地狹小，因此在頂板上跨線橋范圍以外預留出土孔;2)交通疏解要求高，不得已頂板倒邊施工，且出土孔預留在主體一側;3)工期緊，采用多孔多吊車“遍地開花”式出碴方案。

招標方案的缺點也很明顯:頂板倒邊施作將留下縱向施工縫，后期頂板易產生裂縫;多吊車出碴方案，出碴效率低，滿足不了工期要求，且施工投入大、成本高。

2.2 鋼管柱吊裝方案

車站共有85根鋼管柱，其中33根與跨線橋(橋樁)共用，且均已完成，因此車站需新建52根鋼管柱。車站頂板至橋底凈高1.4～9 m，受空間限制，橋下新建12根鋼管柱無整體吊裝條件，招標采用分節吊裝方案。但由于“站橋合一”模型，施工過程中鋼管柱力學工況復雜，因此，鋼管柱設計采用22 mm厚Q345C特種鋼，且要求所有焊縫質量達到一級。

招標時考慮到車站運營后鋼管柱的美觀，要求分節吊裝鋼管柱，采用現場焊接連接;但此方案的缺點是受環境影響，一級焊縫質量在現場很難達到。

2.3 鋼筋混凝土支撐體系拆除方案

車站西端基坑緊鄰2002年修建的36層商務樓(距離6.5m)和1982年修建的9層商務酒店(距離4.5m)。商務樓地下室2層，2 m厚筏板基礎，基礎埋深11 m;酒店為磚砌條形基礎，埋深3 m;而車站基坑深度約20 m，且基坑輪廓極不規則。

由于此基坑周邊環境惡劣、受力工況復雜，招標設計方案為坑內“1道鋼支撐+3道鋼筋混凝土支撐”。本基坑支撐體系的施工難點在于鋼筋混凝土支撐的拆除。投標時考慮到便于人工操作，并綜合考慮工期等因素，選用了靜態破碎方案，即:在混凝土澆筑前，在支撐中部選取一段(1.0～1.5 m)，在垂直方向預埋2排φ50 mm的PVC管，PVC管水平間距50 cm;支撐拆除時，向預留孔內裝入微膨脹劑，通過膨脹力破碎混凝土支撐。

后經實踐證明，靜態破碎耗時較長，效果不佳，且混凝土結構脹裂后反而將混凝土支撐變成了危險源，危及施工安全。

3 施工方案比選及實施效果

3.1 土方開挖

3.1.1 方案比選

原“多孔多吊”出土方案與“出土孔上配龍門吊+局部坡道”優化方案的對比分析見表1。

表1 “多孔多吊”出土方案與“出土孔上配龍門吊+局部坡道”優化方案比較Table 1 Comparison and contrast between original mucking scheme and optimized mucking scheme

由于受跨線橋的凈高、孔跨長度及橋墩緊鄰出土孔等因素的影響，龍門吊方案采用不同擺放形式的固定式龍門吊。東端場地，由于受場地和跨線橋的限制，靠東側出土孔無法安設龍門吊，故只能在靠西側的出土孔安設2臺固定式龍門吊(見圖2);西端場地，在大出土孔位置上安設2臺平行的固定式龍門吊(見圖3)。由于固定式龍門吊不具備行走功能，其作業范圍有限，降低了方便程度。

僅采用垂直提升出碴不能滿足工期要求，因此必須考慮增加其他輔助出碴措施。通過反復測算，決定在東、西兩端各設置1條坡道，輔助出碴。在東端結構變斷面處南側設置1條坡道出碴，并預留1塊頂板暫不澆筑，以滿足車輛進出高度需求;在西端南側外掛結構處設置1條坡道出碴。由于站位處地下管線密集，因此確定坡道方案后，立即著手改移坡道處地下管線，為實施坡道方案提供條件。

3.1.2 實施效果

1)東段基坑出土效果。由于場地條件較好，坡道能夠直接延伸至基坑底部，因此，自卸汽車可直接開至基坑底部，出碴效果良好;坡道最后剩余土方需要采用汽車吊垂直出土;固定式龍門吊由于受車站頂板荷載(覆土厚度)的限制，臨時儲碴場容量有限，必須邊出碴邊運碴，出碴效率相對較低。

2)西段基坑出土效果。由于受場地條件的限制，坡道不能直接延伸至基坑底部，只能下至距離基坑底4 m處，且坡度較陡，自卸汽車不能直接下至掌子面。因此，只能采用裝載機配合挖掘機接力出土，坡道處剩余4 m范圍的碴土采用龍門吊垂直出碴。西段基坑施工投入、施工成本相對較高。

與原“多孔多吊”出土方案相比，最終采用的“出土孔上配龍門吊+局部坡道”優化方案滿足了工期要求，保證了施工安全，施工投入、成本也大幅降低。

圖2 東端場地坡道及龍門吊位置圖Fig.2 Ramp on east end of site and positions of portal cranes

圖3 西端場地坡道及龍門吊位置圖Fig.3 Ramp on west end of site and positions of portal cranes

3.2 鋼管柱吊裝方案

3.2.1 方案比選

鋼管柱設計材質為Q345C特種鋼，厚度為22mm。由于受橋下凈高限制，12根鋼管柱需現場連接。經多方咨詢調研，此厚度一級焊縫需分3次方可焊滿，現場露天環境下很難達到一級焊縫質量，且吊裝時也不易操作。因此，分節鋼管柱施工質量保證難度極大。

為了確保鋼管柱的施工質量，從現場實際條件出發，對這12根鋼管柱的連接方案進行優化，決定采用現場法蘭連接方案。原鋼管柱現場焊接方案與鋼管柱現場法蘭連接優化方案的對比分析見表2。

法蘭在工廠加工并與管段焊接，現場僅實施高強螺栓連接。

法蘭位置的選取需滿足2個條件:1)通過對鋼管柱位置處的跨線橋至車站頂板的凈高測算出每根鋼管柱位置處的可起吊高度，從而確定鋼管柱分節長度;2)分節位置應盡量避開車站裝修后的公共使用區，減少對車站空間使用效果的影響。

表2 原鋼管柱現場焊接方案與鋼管柱現場法蘭連接優化方案的比較Table 2 Comparison and contrast between original steel pipe column connecting method and optimized steel pipe column connecting method

由于受跨線橋凈空的影響，無法支立井式門架，起吊鋼管柱難度大，不易操作。通過比選，選用三腳桅桿、起重纜風繩和電動卷揚機組成的吊裝設備。

3.2.2 實施效果

1)分節吊裝實施效果。通過驗算，三腳桅桿、起重纜風繩和電動卷揚機組成的吊裝設備滿足施工要求，實施情況如圖4所示。分節吊裝鋼管柱采用法蘭連接，比現場焊接連接施工更能夠保證鋼管柱連接質量，施工速度快，操作方便，連接質量檢測均合格。

2)整根吊裝實施效果。采用吊車雙機抬吊，滿足現場施工需要，安全、快捷。如圖5所示。

3.3 鋼筋混凝土支撐體系拆除

3.3.1 方案比選

投標方案為靜態破碎后采用“人工+風鎬”破除方法拆除混凝土支撐。本工程混凝土支撐距底板高度約5 m，若采用風鎬破除，現場破除難度較高，且時間較長，滿足不了工期需要。為了克服原投標方案的不足，根據現場實際情況，經調查研究，初步擬定爆破方案和金剛石繩鋸切割方案作為備選方案?！办o態破碎+人工+風鎬”方案、爆破方案、金剛石繩鋸切割方案比較見表3。

表3 “靜態破碎+人工+風鎬”方案、爆破方案、金剛石繩鋸切割方案的比較Table 3 Comparison and contrast among“static fracturing +manpower+pneumatic pick”scheme，blasting scheme and diamond cable saw cutting scheme

根據現場實際條件，經上述對比分析后，最終確定采用金剛石繩鋸切割方案。

3.3.2 實施效果

為了保證施工安全，采用搭設腳手架、鋪設方木等措施墊實混凝土支撐，切割后分段吊運;為了控制成本和保證現場施工安全，混凝土支撐切割成1.5～2 m/段，每段質量約4 t。由于車站底板已施工完成，存在多條上翻梁(比底板高1.1 m)，因此，已吊運下架的混凝土支撐在站內倒運困難，站內運輸時間長。金剛石繩鋸切割加工和吊運見圖6和圖7。

4 結論與討論

“站橋合一、站隧斜交、兩層三線換乘、先橋后站施工”車站由于受環境條件影響，在土方開挖、鋼管柱吊裝、鋼筋混凝土支撐體系拆除等方面施工難度很大。根據現場實際情況，對原方案進行了優化，最終采用了“出土孔上配龍門吊+局部坡道”開挖出土方案、鋼管柱現場法蘭連接方案及金剛石繩鋸切割鋼筋混凝土支撐體系方案。

盡管優化方案取得了較好的效果，但在出土龍門吊的設置、出土斜坡道的設置、鋼管柱分節長度、鋼管柱連接法蘭位置的確定、鋼筋混凝土支撐在站內的倒運等方面，仍需要做進一步優化。

［1］ 王元湘.蓋挖逆作法在我國地鐵工程中的應用［J］.土木工程學報，1996(1):3 －14.(WANG Yuanxiang.Application of cover-and-cut reverse construction method to Metro engineering in China［J］.China Civil Engineering Journal，1996(1):3 －14.(in Chinese))

［2］ 徐志鈞，趙錫宏.逆作法設計與施工［M］.北京:機械工業出版社，2002.

［3］ 童林旭.地下建筑學［M］.濟南:山東科學技術出版社，1994.

［4］ 呂鳳梧，徐偉，劉建航.深基坑開挖支護的彈塑性有限元數值模擬與分析［J］.建筑技術，2002，32(2):88－91.(LV Fengwu，XU Wei，LIU Jianhang.Elastic-plastic finite element simulation and analysis for deep excavation and shoring thereof［J］.Architecture Technology，2002，32(2):88 －91.(in Chinese))

［5］ 趙錫宏.高層建筑深基坑圍護工程實踐與分析［M］.2版.上海:同濟大學出版社，1997.

［6］ 戴標兵，范慶國，趙錫宏.深基坑工程逆作法的實測研究［J］.工業建筑，2005(9):54 － 59，63.(DAI Biaobing，FAN Qingguo，ZHAO Xihong.A study on monitoring of up-down construction for deep excavation engineering［J］.Industrial Construction，2005(9):54 －59，63.(in Chinese))

［7］ 李杰.大型基坑的混凝土支撐爆破拆除的施工與設計［J］.建筑施工，1997，19(2):37 －38.

［8］ 周成，蔡正銀，殷建華.大型深基坑中鋼筋混凝土聯合鋼管砂支撐的應用與快速拆除［J］.華南理工大學學報:自然科學版，2003，31(S1):56 －59.(ZHOU Cheng，CAI Zhengyin，YIN Jianhua.Utility and disposal of reinforced concrete supports combined with steel tube-sands in a large and deep pit［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science，2003，31(S1):56 －59.(in Chinese))

［9］ 徐平，魯星偉，湯鐵軍，等.淺析鋼筋砼水平支撐的拆除施工［J］.科技情報開發與經濟，2008(18):203－204.(XU Ping，LU Xingwei，TANG Tiejun，et al.Analysis on the dismantling construction of lateral bracing of reinforced concrete［J］.Sci-Tech Information Development＆ Economy，2008(18):203－204.(in Chinese))