地下車站逆作工法經濟性分析

趙秀杰

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063∥高級工程師)

城市軌道交通地下車站一般采用明挖法和暗挖法施工。暗挖法因受控地質條件和功能局限，應用較少。明挖法一般又分為明挖順作法和蓋挖逆作法。蓋挖逆作法施工，采用車站主體與基坑支護結構相結合，根據施工需要設置一定數量的工作孔，從上往下開挖車站基坑，從上往下施工各層結構，利用各層梁板結構替代明挖法內支撐系統，開挖至基坑底，結構封底即完成地下結構主體施工。這種利用車站結構替代傳統內支撐的逆作施工工法，因為支護剛度大，安全可靠，應用越來越多。

目前城市軌道交通地下車站，最常見的為地下2層、3層站，少量地下1層、地下4層或更深車站。本文結合3個典型地下站，對明挖順作和蓋挖逆作兩種工法的經濟性作精細分析和對比研究。

1 地下2層站施工方法經濟性分析

某地下標準2層站，基坑深度約17 m，地質條件以粉質黏土為主，局部有淤泥質土層，地下水豐富。

采用明挖順作法施工，圍護結構采用800 mm厚地連墻，局部有淤泥質土采用攪拌樁加固；設置4道內支撐，第1道混凝土支撐，第2、3、4道為Φ800 mm的鋼支撐，設一道倒換撐。結構方案如圖1所示。

采用蓋挖逆作法，圍護結構采用1 000 mm地連墻，與主體結構側墻構成“疊合墻”結構；利用車站主體結構梁板作為基坑內支撐系統；車站主體結構鋼管混凝土柱兼作施工臨時立柱；結構方案如圖2所示，差異工程量及投資對比如表1所示(僅對比差異工程量，相同的結構工程量不參與計算對比)。

圖1 明挖順作結構方案圖

圖2 蓋挖逆作結構方案圖

表1 地下二層站明挖順作與蓋挖逆作差異工程量及投資對比表

通過表1可知，本地下2層站，明挖順作和蓋挖逆作兩種工法投資基本接近，逆作工法因為地連墻厚度提高一個規格，地連墻和樁基礎投資增加，而蓋挖逆作相對明挖順作內支撐減少的投資相對較少。因此，蓋挖逆作相對明挖順作工法投資稍高。

2 地下3層站逆作施工經濟性分析

某地下3層站，車站主體基坑深度26 m，2層附屬外掛基坑深度17.8 m，1層換乘大廳基坑深度10.9 m。地質條件以黏土、粉質黏土、粉細砂為主，地下水豐富。

采用明挖順作法施工，圍護結構采用1 000 mm厚地連墻；設置5道內支撐，第1、3道為混凝土支撐，第2、4、5道為Φ800 mm的鋼支撐，設1道倒換撐[1]。結構方案如圖3所示。

采用蓋挖逆作法施工，圍護結構采用1 000 mm厚地連墻，與主體側墻構成“疊合墻”結構；利用車站梁板作為基坑內支撐系統；主體鋼管混凝土柱兼作施工臨時立柱，結構方案如圖4所示，兩種工法差異工程量及投資對比如表2所示(僅對比差異工程量，相同的結構工程量不參與計算對比)。

本站采用蓋挖逆作，可將部分地下2層、地下1層區域與地下3層主體合并為一個基坑整體逆作法施工，相對于明挖順作，減少投資2 419萬元，占土建總投資的5.4%；若分期逆作實施，減少投資1 030萬元，占土建總投資的2.3%。采用蓋挖逆作法施工，利用主體結構梁板系統作為內支撐系統，基坑支護整體剛度大，安全度高，因此可將不同深度分區施工的基坑合并為一個基坑整體施工，既減少了分區隔離墻，降低了工程投資和施工難度，又加快施工進度，縮短了工期，一舉多得。

圖3 明挖順作結構方案圖

圖4 蓋挖逆作結構方案圖

表2 地下三層站明挖順作與蓋挖逆作差異工程量及投資對比表

3 地下4層站逆作施工經濟性分析

某地下4層站，基坑深度35 m，位于長江邊，地質條件差，周邊環境復雜，為保證安全和控制變形，通過工程類比和計算分析，可以采用兩種明挖方案：方案一，圍護結構采用1 500 mm厚地連墻，設置7道內支撐和1道倒換撐，其中第1、3、5道為混凝土支撐，其余為鋼管撐，如圖5所示；方案二，圍護結構采用1 200 mm厚地連墻，設置8道內支撐和2道倒換撐，其中第1、2、3、5道為混凝土支撐，其余為鋼管撐，如圖6所示。為有效控制地下水滲流穩定(尤其是承壓水抗突涌穩定性)，將車站主體四周地連墻落入基巖，同時采用壓力注漿加固墻趾沉渣，徹底隔斷基坑內外水力聯系，形成可靠的落底式止水帷幕[2]。

蓋挖逆作法施工，采用支護結構和主體結構全面相結合的支護方案[3]：① 圍護結構采用1 500 mm厚地連墻，圍護地連墻和主體側墻構成“疊合墻”結構；② 主體結構梁板系統作為基坑開挖階段圍護結構的水平支撐系統，各層板施工過程根據出土需要留設一定數量臨時出土孔；③ 主體結構永久柱(鋼管混凝土柱)兼作樓板支撐系統的臨時支承柱，鋼管混凝土柱基礎采用鉆孔灌注樁。具體支護方案如圖7所示。

圖5 方案一結構橫剖面圖

圖6 方案二結構橫剖面圖

圖7 方案三結構橫剖面圖

為控制差異沉降變形引起的次應力，地連墻和立柱樁均插入中風化巖；同時，對入巖鉆孔灌注樁端和地連墻墻趾沉渣進行高壓注漿加固，有效控制樁、墻在逆作施工荷載下的絕對沉降，使相鄰立柱以及立柱樁與臨近基坑圍護墻之間的差異沉降不大于1/400柱距，且不大于20 mm。

通過表3可知，工程投資方案一最大，方案二其次，方案三再次。方案三1 500 mm地連墻蓋挖逆作方案，相對于方案一1 500 mm厚地連墻明挖順作，節省投資4 321萬元，占工程總投資約7.5%；相對于方案二1 200 mm地連墻明挖順作，節省投資3 044萬元，占總投資約5.3%。采用蓋挖逆作法施工，節省了大量的內支撐，降低了工程投資[4]。

表4為明挖順作與蓋挖逆作兩種工法對比。

采用逆作法施工，主要具有如下優點：① 利用結構梁板作為內支撐系統，可最大限度控制變形，安全度高；② 蓋挖頂板完成后可以作為施工場地，恢復地下管線和地面交通；③ 以板代撐，節省工程費用；④ 無內支撐，施工速度快；⑤ 逆作采用鋼管混凝土柱，抗震性能更優；⑥ 無需大量鑿除混凝土支撐，綠色施工，保護環境和自然，與綠色建造發展理念吻合。

通過對蓋挖逆作工程全過程監測跟蹤實踐，總結如下：蓋挖逆作，不受氣候條件制約，風雨無阻，科學施工組織，施工速度快，工期短；超大超深、形狀不規則、環境復雜、地質條件差的基坑工程，采用蓋挖逆作工法，明挖混凝土支撐數量越多，經濟性和工期越有優勢[5]。

表3 地下4層站明挖順作與蓋挖逆作差異工程量及投資對比表

表4 明挖順作與蓋挖逆作兩種工法對比表

當然，逆作工法也有一些問題需要克服：① 逆作工程一般采用疊合墻，較明挖順作結構，側墻無柔性防水層，防水混凝土需精心施工，應高度重視逆作施工縫，提升混凝土結構自防水質量；② 逆作施工關鍵技術(如立柱的選型、立柱定位工法、梁柱節點、差異沉降及施工設備)，相對于明挖結構，施工工藝和質量管控要求稍高，需綜合工程安全、工期、造價、環境保護、交通疏解及基坑工程的特點，具體問題具體分析，權衡利弊，綜合選擇。

4 結論

1) 通過以上3個實際工程的對比分析和工程實踐，結論如下：地下4層或更深車站，或深度超過30 m地下結構，采用蓋挖逆作工法，相對于明挖順作法，土建投資可節省5.3%～7.5%；地下3層站，或者基坑深度20～30 m結構，蓋挖逆作相對于明挖順作，土建投資可節省2.3%～5.4%；地下2層站或者基坑深度20 m以下的結構，土建投資蓋挖與明挖基本接近，逆作稍高。

2) 綜合安全、投資、工期、質量等多種因素，地下4層或更深車站，或基坑深度超過30 m結構，地質條件差，環境復雜，安全和經濟性要求高，推薦蓋挖逆作工法；地下3層站或是基坑深度20～30 m結構，應綜合比選逆作法施工；地下2層站，基坑深度小于20 m，一般環境條件下優先采用明挖法施工。