城市地鐵半蓋挖施工鋪蓋系統(tǒng)探究

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摘要:地鐵車站修建常常受制于周邊環(huán)境影響，以西安地鐵五號線黃雁村站半蓋挖基坑工程為背景，在對地下車站常用的施工工法做了對比和分析的基礎(chǔ)上，確定采用半蓋挖法并對施工中基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力、變形和穩(wěn)定進(jìn)行研究，分析基坑施工對周邊環(huán)境的影響，結(jié)果表明該支護(hù)方式安全可靠，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和速率。

關(guān)鍵詞:地鐵;支撐牛腿;半蓋挖施工;數(shù)值模擬

1概述

地鐵的出現(xiàn)為人類開辟了地下活動空間，有效緩解了地面交通擁堵等問題，現(xiàn)已成為21世紀(jì)中國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和城市交通建設(shè)的主要形式之一。地鐵車站的選址多位于繁華地段的道路下方，由于其上方地面交通繁忙，因此采用何種疏解交通的舉措成為施工方法選擇的關(guān)鍵因素。半蓋挖法又稱半蓋挖逆作法，是結(jié)合傳統(tǒng)明挖法和蓋挖法兩種方法的優(yōu)點而提出的一種適用于交通繁忙地段城市大斷面地下空間的施工方法。周文［1］根據(jù)廣州市軌道交通十一號線流花路站為研究背景，利用FLAC3D對超大斷面隧道施工進(jìn)行模擬，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)位移和結(jié)構(gòu)受力滿足要求。朱遵全［2］研究發(fā)現(xiàn)在地鐵中采用半蓋挖法能保證車站基坑，同時還能縮短工期，具有較高可行性。劉偉楠［3］在實踐中發(fā)現(xiàn)車輛荷載作用下，明挖側(cè)及支座處有較大負(fù)彎矩出現(xiàn)，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)注意明挖側(cè)及支座處混凝土支撐的上層縱向配筋。閆順［4］對軟巖地區(qū)地鐵車站基坑施工選用半蓋挖法，采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，既滿足了路面道路寬度行車的要求，又能滿足地鐵施工的需要，并通過了實際工程監(jiān)測。陳昆［5］在實踐中分析得到結(jié)論，建議在深基坑開挖設(shè)計時考慮土體的卸荷效應(yīng)。本文以西安地鐵5號線黃雁村車站基坑工程實際情況采用半蓋挖法施工，并且提出了一種半蓋挖地鐵車站超寬基坑內(nèi)支撐體系安裝工藝。

2工程概況

2．1周邊環(huán)境調(diào)查

西安地鐵5號線黃雁村車站位于西安市碑林區(qū)，含光路與友誼西路十字路口東側(cè)，車站沿友誼西路東西向布置。含光路和友誼西路均屬于西安城區(qū)內(nèi)的主要交通干線，地面上交通流量非常大;友誼西路現(xiàn)狀為道路寬度50m，雙向八車道。含光路現(xiàn)狀為雙向六車道+兩個非機(jī)動車道，規(guī)劃道路紅線寬50m。車站位置如圖1所示，處于西安城市中心范圍內(nèi)，道路線繁雜，但因本市車流量較大，仍無法滿足城市交通需求。因此，在該區(qū)位修建地下城市軌道交通需要重點關(guān)注施工對地面交通和周邊建筑物的影響。本車站位于西安市中心城區(qū)十字路口段，交通流量大，地下管線復(fù)雜。車站西南側(cè)為陜西省人民醫(yī)院，西北側(cè)為陜建安裝公司已經(jīng)拆除居民樓，東北側(cè)為陜西公務(wù)員大廈、陜西行政學(xué)院及西安四通大廈;車站南側(cè)為華豪麗晶高層住宅小區(qū)32層大廈(地下2層，基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，樁基長約25m)、嘉美大廈和雁塔區(qū)旅游局家屬樓，距車站基坑較近，是重點觀察區(qū)域。

2．2車站主體設(shè)計概況

車站主體結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土的雙柱三跨箱型框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)外設(shè)置外包防水層。本站共設(shè)有出入口五個、風(fēng)亭三組，風(fēng)亭布置于車站南側(cè)東西兩端及北側(cè)中部，車站結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，車站小里程端(西端頭)為盾構(gòu)區(qū)間，大里程端(東端頭)為暗挖區(qū)間。

3施工方案

3．1半蓋挖法

半蓋挖法即蓋挖順作法的臨時鋪蓋只有一半，另一半敞口。區(qū)別于全蓋挖需要做多次的交通疏解和導(dǎo)改，半蓋挖法只需要執(zhí)行一次或兩次交通導(dǎo)改即可。不僅可以滿足工期、經(jīng)濟(jì)性要求，而且能夠有效滿足周邊環(huán)境和交通的需要。每種工法都需要按其特定的工程環(huán)境和項目要求來進(jìn)行選擇。若本車站采用半蓋挖法施工，由于施工難度降低或?qū)Ц拇螖?shù)減少，因此與暗挖法和蓋挖法相比較而言，能夠有效縮短工期和減少造價。同時與明挖法相比，半蓋挖法更有利于緩解交通擁堵，圍擋最大寬度為27m，地面交通可規(guī)劃雙向六車道(22．5m寬)。經(jīng)過以上比較，考慮到現(xiàn)場的市政占道要求，應(yīng)選擇除明挖法之外的工法。進(jìn)一步考慮到工程成本、工期條件和施工難度等，選型優(yōu)先級依次為半蓋挖法＞蓋挖法＞明挖法＞暗挖法。因此，除過街通道部分采用暗挖法施工外，本車站主體工程施工均采用半幅蓋挖順作法施工，其中為滿足南側(cè)商鋪進(jìn)出通道的要求，在車站中間南北向增設(shè)10m凈寬的混凝土現(xiàn)澆十字鋪蓋棧橋一座，與東西向友誼西路主干道形成“T”字型交叉平交道口。

3．2基坑支護(hù)體系設(shè)計

根據(jù)工法選型結(jié)果，本車站采用半幅鋪蓋順作法施工，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1000mm@1500mm鉆孔灌注樁，灌注樁間擋土采用掛網(wǎng)噴射混凝土，樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式使用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐的支護(hù)型式，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示?；友刎Q向布設(shè)3道支撐，第一道采用800mm×800mm鋼筋混凝土支撐，間距7．5m;第二、三道支撐采用609mm×16mm鋼管內(nèi)支撐，間距3．5m，并用2根36C槽鋼聯(lián)系梁與立柱節(jié)點聯(lián)接。第一道支撐撐在冠梁上，其余均撐在鋼圍檁上，鋼圍檁均采用2根Ⅰ45b組合型鋼。半鋪蓋系統(tǒng)采用六四式軍便梁+500mm厚現(xiàn)澆混凝土蓋板+瀝青路面形成臨時路面系統(tǒng)，沿車站縱向局部鋪蓋。

3．3鋪蓋系統(tǒng)的設(shè)計與施工

黃雁村站主體基坑長253．1m，標(biāo)準(zhǔn)段寬21．2m。北側(cè)半鋪蓋，其中軍便梁段長207m，寬11m～14m。鋪蓋系統(tǒng)擬采用六四式鐵路軍用梁作為主梁，該軍用梁的支點結(jié)構(gòu)有兩種類型:一種是采用低支點式端構(gòu)架，一種是采用標(biāo)準(zhǔn)式端構(gòu)架。本基坑工程中，為了便于與路面銜接，降低基坑開挖深度，選用標(biāo)準(zhǔn)型低支點六四式鐵路軍用梁。

3．4優(yōu)化牛腿

本基坑采用半蓋挖法，在基坑內(nèi)設(shè)置臨時立柱樁(樁徑1．2m)，作為鋪蓋系統(tǒng)的支撐，該臨時立柱樁樁身需設(shè)置牛腿，作為內(nèi)支撐桿安裝的支撐。在臨時立柱樁施工前，將環(huán)向鋼板(厚16mm，高600mm)焊接在鋼筋籠的主筋上，基坑開挖后，根據(jù)內(nèi)支撐桿的安裝位置，定位并鑿除預(yù)埋環(huán)向鋼板外部混凝土保護(hù)層(保護(hù)層厚70mm)，然后再將牛腿肋板、頂板焊接于預(yù)埋環(huán)向鋼板，然后在牛腿頂部放置聯(lián)系梁，作為內(nèi)支撐桿的豎經(jīng)分析，設(shè)計方案存在以下不足:焊接預(yù)埋環(huán)向鋼板，需要消耗較多的鋼材，還增加了工人焊接時間，影響臨時立柱樁施工進(jìn)度;在澆筑臨時立柱樁時，由于鋼筋籠上浮等影響，給預(yù)埋環(huán)向鋼板準(zhǔn)確定位增加了難度;后期鑿除部分樁身混凝土，對立柱樁的承載力也會帶來不利影響。針對這些不足，結(jié)合力學(xué)性能分析，提出牛腿的優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖6，圖7所示。優(yōu)化后的牛腿采用角鋼焊接形成三角形托架，然后通過膨脹螺栓固定在臨時立柱樁身上。三角托架采用L100mm×10mm等邊角鋼焊接而成，寬350mm，高600mm;膨脹螺栓長200mm，豎向中心間距400mm。該牛腿結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，操作簡便，材料均可回收利用，且定位精度高，靈活性好，對其他工序的施工不造成影響。

4地鐵半蓋挖支護(hù)效果的數(shù)值分析

利用FLAC3D軟件對西安地鐵5號線黃雁村車站基坑建立一段模型進(jìn)行數(shù)值模型分析(見圖8)。根據(jù)經(jīng)驗，地鐵車站基坑開挖土體邊界范圍的取值對數(shù)值模擬結(jié)果的影響較大。根據(jù)經(jīng)驗挖對周圍土體的影響的范圍大致為3倍～5倍開挖寬度，3倍開挖深度。三維模型尺寸為:長×寬×高=100m×20m×60m。中間開挖基坑尺寸為:長×寬×高=22m×20m×20m。路面板尺寸為:長×寬×高=11m×20m×1．91m。支撐梁尺寸為:長×寬×高=1．2m×20m×18．09m。模型的邊界條件為:下、左、右、前、后;邊界:固定邊界;上邊界:自由邊界(地表)。通過表1確定基坑和支撐系統(tǒng)的力學(xué)參數(shù)，所得數(shù)據(jù)將采取Mohr－Coulomb屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計算，所得出的結(jié)果如圖9～圖13所示。 從位移圖可以看出，路面板和支撐梁位移幅度較小，說明該支護(hù)方式比較穩(wěn)定。從車站基坑周邊應(yīng)力和塑性區(qū)域分布圖來看，該支護(hù)方案分散了應(yīng)力的集中程度，使得塑性區(qū)范圍較小，路面板與支撐梁處于良好應(yīng)力狀態(tài)，可以有效發(fā)揮支護(hù)作用。

5結(jié)論

1)本文提出一種半蓋挖地鐵車站超寬基坑內(nèi)支撐體系安裝工藝。該工藝的特點在于采用角鋼托架作為超長內(nèi)支撐的支撐牛腿，角鋼托架采用螺栓固定在臨時立柱樁上，構(gòu)造簡單，安裝方便，適用范圍廣。所用角鋼托架為批量生產(chǎn)的定型構(gòu)件，采用膨脹螺栓固定，可實現(xiàn)快速安裝和拆除，勞動強(qiáng)度低，施工效率高。牛腿在基坑開挖后安裝，能夠直接對牛腿進(jìn)行定位和安裝，非常方便根據(jù)實際需要對牛腿位置進(jìn)行微調(diào)，從而提高牛腿安裝的定位精度。相對于預(yù)埋鋼板法，可節(jié)約鋼板及加工費用，所采用的角鋼托架，拆除后可以回收利用。2)通過數(shù)值模擬分析了該支護(hù)方式，結(jié)果表示該支護(hù)方式具有安全、經(jīng)濟(jì)、效益性。

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作者:江來云 凌濤 單位:中鐵五局集團(tuán)機(jī)械化工程有限責(zé)任公司 中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司