林 湘

(廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司,廣州 510010)

縱向倒邊蓋挖逆作法地鐵車站設(shè)計探討

林 湘

(廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司,廣州 510010)

在城市繁華區(qū)域修建地鐵車站往往面臨交通疏解、管線遷改的雙重難題。以北京地鐵14號線朝陽公園站工程實例為研究對象,針對以上問題,在傳統(tǒng)蓋挖逆作法的基礎(chǔ)上,提出了縱向倒邊蓋挖逆作法。并對該方法的設(shè)計思路、車站結(jié)構(gòu)受力體系以及設(shè)計施工中的關(guān)鍵技術(shù)進行深入探討?，F(xiàn)場施工實踐證明,該方法是安全可行的。

蓋挖逆作法;地鐵車站;關(guān)鍵技術(shù);交通疏解;管線遷改;差異沉降

隨著國家城鎮(zhèn)化的進程,城市交通日益擁擠,方便快捷的地下軌道交通成為解決擁堵問題的理想選擇。地鐵線路大多穿越城市繁華中心區(qū)域,沿交通干道敷設(shè)。而這些區(qū)域,本身就是交通擁堵地區(qū),在地鐵車站建設(shè)期間,本來擁堵的交通如雪上加霜。我國現(xiàn)有技術(shù)條件下,明挖法、蓋挖法、暗挖法是可供選擇的3種施工方案。明挖法施工工期短、造價低、安全性好,但對施工場地要求很高,在交通繁忙區(qū)域難以運用;暗挖法可避免對交通的影響,但要求覆土厚、工期長、風(fēng)險大、投資高。而蓋挖法,以其工期短、安全性高、投資低、可盡早恢復(fù)交通的優(yōu)點[1],成為交通繁忙區(qū)域修建淺埋車站的有效方法,備受地鐵建設(shè)者們的青睞。

本文以北京地鐵14號線朝陽公園站工程實例為對象,在面臨管線遷改、交通疏解的雙重難題下,在傳統(tǒng)蓋挖逆作法的基礎(chǔ)上,提出了改進的蓋挖逆作法——縱向倒邊蓋挖逆作法施工方案,并對蓋挖逆作法地鐵車站的設(shè)計思路、受力體系、關(guān)鍵技術(shù)進行了深入探討,現(xiàn)場施工實踐證明,該方法是安全可靠的。

1 工程概況

1.1 車站概況

朝陽公園站為北京地鐵14號線與3號線的換乘站,3號線遠期實施,本期施工預(yù)留換乘節(jié)點。車站位于甜水園街(南北向)與朝陽公園南路(東西向)丁字交叉路口,呈南北走向(圖1)。車站為地下2層(局部單層),雙柱三跨島式站臺,車站總長363.45 m,寬度22.9 m,蓋挖部分覆土4.0 m,基坑深度18.2 m。

甜水園街、朝陽公園南路均為北京市內(nèi)的交通干道,交通繁忙。同時,在丁字路口下方,地下管線非常密集,涵蓋了各種地下管線。交通、管線成為制約本站設(shè)計和施工的兩大重要因素。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

車站場地位于古金溝河故道,場地平坦,地層分布均勻?？辈煦@孔范圍內(nèi)的土層劃分為人工堆積層(Qml)、第四紀全新世沖洪積層(Q3alp+pl)、第四紀晚更新世沖洪積層(Q41al+pl)三大類,地層情況從上至下依次為〈1〉1雜填土、〈1〉粉土填土、〈3〉粉土、〈3〉1粉質(zhì)黏土、〈3〉粉土、〈4〉3粉細砂、〈4〉4中粗砂、〈5〉1中粗砂、〈5〉圓粒卵石、〈6〉粉質(zhì)黏土、〈6〉2粉土。基底位于〈5〉圓粒卵石,地基土整體穩(wěn)定性好,可視為均勻性地基,土層為中～低壓縮性土層。

本場地范圍內(nèi)有3層地下水。上層滯水(一):水位埋深1.40～7.33 m,含水層為〈1〉1雜填土層、〈3〉粉土層,分布連續(xù),水量較大;潛水(二):水位埋深8.90～11.97 m,含水層主要為〈4〉3粉細砂層、〈4〉4中粗砂層、〈5〉圓礫卵石層、〈5〉1中粗砂層,水位高程隨含水層的起伏而變化,分布連續(xù);承壓水(三):水頭埋深17.24～19.67 m,水頭高度為4.5 m左右,含水層主要為〈7〉圓礫卵石層、〈7〉1中粗砂層、〈7〉2粉細砂層。

2 總體設(shè)計思路

在經(jīng)濟合理,技術(shù)可行的前提下,本站順利實施主要解決兩方面問題:(1)交通疏解,滿足北京市交管局占一還一的要求;(2)管線遷改,滿足管線權(quán)屬單位要求及工期要求。綜合考慮管線、交通、施工場地、投資等因素,本站分3段3種工法施工:甜水園街上的蓋挖施工、丁字路口下方的暗挖施工、朝陽公園內(nèi)的明挖施工(圖1),形成明蓋暗相結(jié)合的方式,本文僅對蓋挖段進行探討。

圖1 地鐵朝陽公園站總平面

針對蓋挖部分,首要問題是如何保證現(xiàn)有甜水園街八車道通行能力不變。道路總寬度42.5 m,采用傳統(tǒng)蓋挖方案,車站施工場地寬度需30 m,剩下道路寬度無法保證八車道通行能力。因此,在傳統(tǒng)蓋挖法基礎(chǔ)上,提出縱向倒邊蓋挖逆作方案(施工步驟見圖2):即第一期圍擋西側(cè)半邊車站,交通往圍擋東西兩側(cè)進行導(dǎo)改,完成頂板結(jié)構(gòu)并覆土,恢復(fù)西側(cè)交通;第二期圍擋東側(cè)半邊車站,交通往圍擋西側(cè)進行導(dǎo)改。對地下管線,相應(yīng)采用倒邊處理方式進行遷改、懸吊。通過縱向倒邊施工,最大限度的減少施工場地[6],既滿足交通疏解、管線遷改要求,也使施工順利進行。

圖2 施工步序

3 結(jié)構(gòu)受力體系設(shè)計

城市各管理部門對車站施工引起的地面沉降要求很嚴格,合理設(shè)計車站受力體系,是控制地面沉降的關(guān)鍵因素。蓋挖法受力體系,分兩個方面:(1)水平受力體系,承受水土壓力;(2)豎向受力體系,承受地面超載、覆土荷載、施工荷載及結(jié)構(gòu)自重等。

3.1 圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)縱向倒邊蓋挖逆作法施工步序,基坑分為深淺坑(淺坑至頂板底,深坑至主體結(jié)構(gòu)底),圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計相應(yīng)采用長短樁相結(jié)合方案。短樁采用φ600@ 900 mm懸臂鉆孔灌注樁,嵌固深度6 m,作為淺基坑圍護結(jié)構(gòu)。長樁采用φ1 000@1 400 mm鉆孔灌注樁,嵌固深度7 m,作為深基坑的圍護結(jié)構(gòu)及頂板豎向支撐[4,7]。特殊的,車站東側(cè)緊靠近一高檔住宅小區(qū)圍墻1.5 m,只具備長樁施工條件,將長樁頂伸至地面,經(jīng)配筋處理,鑿除一半樁作為頂板豎向支撐,剩余一半樁作為淺基坑圍護結(jié)構(gòu),見圖3。

圖3 車站結(jié)構(gòu)橫剖面(單位:mm)

3.2 水平支撐體系設(shè)計

利用主體結(jié)構(gòu)的梁板結(jié)構(gòu)作為水平支撐,以平衡作用在圍護結(jié)構(gòu)上的水土壓力。梁板結(jié)構(gòu)水平剛度大,可以有效控制基坑變形和地面沉降。

3.3 豎向支撐體系設(shè)計

豎向支撐體系由梁板結(jié)構(gòu)、柱、圍護結(jié)構(gòu)組成。圍護結(jié)構(gòu)承受水土壓力的同時,承受頂板傳來的豎向荷載[2]。對于柱,可采用臨時立柱方案及臨時與永久立柱相結(jié)合方案兩種形式。臨時立柱優(yōu)點是布置形式和選擇不受制約,缺點是給土方挖運帶來困難,增加拆除工序和投資。本站設(shè)計臨時立柱與車站永久柱結(jié)合,采用承載能力大,安裝精度容易控制的鋼管柱(φ800 mm,壁厚20 mm)。對鋼管柱下基礎(chǔ),采用施工技術(shù)成熟、成樁質(zhì)量好的鉆孔灌注樁(φ2 000 mm)。

3.4 施工與使用過程中永久襯砌的受力分析

永久襯砌應(yīng)同時考慮施工階段與使用階段兩種工況,每種工況下均應(yīng)考慮水平荷載與豎向荷載。結(jié)構(gòu)板水平剛度很大,主要受豎向荷載控制,側(cè)墻則受兩個方向荷載的控制。

(1)頂板

頂板在施工階段兩外側(cè)懸掛在圍護樁上,豎向承受地面超載、覆土荷載、側(cè)墻自重、中板自重及中板上的施工荷載,按兩邊簡支設(shè)計;使用階段,承受地面超載、覆土荷載,與側(cè)墻形成封閉受力體系,按兩邊剛接設(shè)計。頂板分期施做,中跨形成了一道縱向施工縫,對結(jié)構(gòu)受力不利。因此,縱縫的預(yù)留位置,應(yīng)選擇在內(nèi)力較小的位置,并預(yù)留企口,加強連接與防水處理。

(2)中板

中板施工階段僅承受施工荷載,通過側(cè)墻懸吊于頂板上,應(yīng)嚴格控制施工過程中板上的荷載;使用階段承受設(shè)備、裝修、人群荷載等,與側(cè)墻形成封閉受力體系,按兩邊剛接設(shè)計。

(3)底板

底板施工階段與使用階段受力基本相同,主要承受基底反力。

(4)側(cè)墻

側(cè)墻在施工階段懸掛中板,豎向承受拉力,應(yīng)驗算側(cè)墻在拉力作用下的裂縫。使用階段水平向的水土壓力起控制作用,與各層板形成封閉受力體系。

4 關(guān)鍵技術(shù)

蓋挖逆作法設(shè)計的成敗,需著重注意和解決以下關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 鋼管柱樁基礎(chǔ)承載力

車站覆土厚4 m,單樁豎向承載力特征值達12 000 kN。本場地覆蓋層厚度很大,樁基礎(chǔ)采用端承摩擦樁。在樁徑達2 m,樁長達26 m(鉆孔深度44 m)的條件下仍無法滿足受力要求。繼續(xù)增大樁徑或樁長,給施工帶來很大難度,樁垂直度難以保證,投資也增加。本站采用樁端、樁側(cè)復(fù)合式后注漿技術(shù),大幅度提高樁承載能力,滿足承載力要求,技術(shù)經(jīng)濟效果顯著。

4.2 鋼管柱水下安裝

本站采用臨時立柱與永久立柱結(jié)合的方式,對立柱的位置、垂直度要求很高,鋼管柱的水下定位和安裝顯得尤其重要。本站采用鋼護筒及定位器相結(jié)合的方案,即在鋼管柱樁基礎(chǔ)澆筑至指定高度時,在鋼護筒的保護下進行定位器的人工安裝。既能進行精確定位,也保證施工作業(yè)人員的安全。

4.3 鋼管混凝土梁柱節(jié)點設(shè)計及施工

逆作法梁柱節(jié)點,分期施作,節(jié)點能否實現(xiàn)內(nèi)力的有效傳遞,取決于節(jié)點的構(gòu)造設(shè)計、施工精度和施工質(zhì)量。

(1)頂板梁柱節(jié)點設(shè)計

鋼管柱內(nèi)插鋼筋伸入頂縱梁,形成混凝土芯柱。為增加抗剪能力,在混凝土芯柱下焊接一個環(huán)形抗剪鋼牛腿,見圖4,并通過涂刷防火防腐涂料,來解決銹蝕和火災(zāi)問題,提高結(jié)構(gòu)的耐久性。

(2)中板梁柱節(jié)點設(shè)計

鋼管柱直穿中縱梁,使得梁受力縱筋無法穿過梁柱節(jié)點,梁受力縱筋如何在節(jié)點錨固,成為整個結(jié)構(gòu)的一個薄弱環(huán)節(jié)。本站設(shè)計中,在梁頂部焊接一個加強環(huán)板,將柱寬范圍內(nèi)梁上部鋼筋與環(huán)板焊接,柱寬范圍外上部鋼筋通長布置;樁寬范圍內(nèi)梁下部鋼筋伸至柱邊,采用機械錨固,柱寬范圍外梁下部鋼筋通長布置。為提高抗剪能力,在鋼管柱上焊接3排栓釘,在梁底下焊接1個環(huán)形抗剪牛腿,保證節(jié)點的穩(wěn)定,見圖5。

(3)底板梁柱節(jié)點設(shè)計

圖4 頂板梁柱節(jié)點設(shè)計

圖5 中板梁柱節(jié)點設(shè)計

底板同樣存在中板梁柱節(jié)點的問題。為此,在底縱梁底面焊接了一個環(huán)形加強環(huán),將柱寬范圍內(nèi)梁下部鋼筋與環(huán)板焊接,柱寬范圍外下部鋼筋通長布置;樁寬范圍內(nèi)梁上部鋼筋伸至柱邊,采用機械錨固,柱寬范圍外梁上部鋼筋通長布置。同時在底縱梁中部架設(shè)一抗剪環(huán)板,并在鋼管柱上焊接了6排栓釘,保證整個節(jié)點的抗剪能力。在頂縱梁上部,焊接一環(huán)形抗剪牛腿,進一步加強抗剪能力,見圖6。

圖6 底板梁柱節(jié)點設(shè)計

(4)梁柱節(jié)點施工

對中板、底板梁柱節(jié)點,為加強節(jié)點強度和剛度采用了環(huán)板、栓釘?shù)却胧?這也給后澆混凝土帶來了困難。節(jié)點混凝土的澆筑質(zhì)量,關(guān)系整個結(jié)構(gòu)的安全。為此,節(jié)點混凝土應(yīng)優(yōu)化配比,增加流動性,加強振搗,加強管理等措施來保證梁柱節(jié)點的質(zhì)量。

4.4 邊柱與中間柱之間的差異沉降的監(jiān)測及控制

采用逆作法施工的地鐵車站,結(jié)構(gòu)通過中立柱和圍護樁實現(xiàn)豎向支撐體系,中立柱與圍護樁之間可能產(chǎn)生差異沉降[5]。兩者之間的差異沉降量過大,將會導(dǎo)致梁、板承受過大彎矩而開裂;再加上水平荷載作用,使梁板處于異常的壓彎狀態(tài)下,則有可能造成垮塌事故。為避免發(fā)生此類事故,本站通過選擇承載力高的圓粒卵石層作為持力層,并采用樁端樁側(cè)復(fù)合式后注漿技術(shù)來提高地基承載力和穩(wěn)定性。同時,要求施工現(xiàn)場加強差異沉降的監(jiān)測,做到信息化施工,建立差異沉降量的超限預(yù)警系統(tǒng),并就可能出現(xiàn)的問題及相應(yīng)的緊急處理措施作適當準備。

4.5 防水層施工技術(shù)

縱向倒邊蓋挖逆作法車站防水處理主要解決以下兩個問題,其余部分與明挖結(jié)構(gòu)完全相同,技術(shù)純熟。

(1)頂板縱向施工縫防水

對頂板中跨的縱向施工縫防水,采用遇水膨脹止水條+二次注漿兩道防線,并輔以密封膠防水,詳見圖7(a)。

(2)頂板懸挑結(jié)構(gòu)防水

頂板通過外挑懸掛在圍護結(jié)構(gòu)上,兩者之間無鋼筋連接,可避免鋼筋穿破防水層,實現(xiàn)頂板的全包防水。兩者界面上,輔助涂抹水泥基滲透結(jié)晶防水材料,詳見圖7(b)。

圖7 關(guān)鍵節(jié)點防水設(shè)計(單位:mm)

5 結(jié)論

本文以北京地鐵14號線朝陽公園站的工程實例為對象,提出縱向倒邊蓋挖逆作法施工方案,可得出以下結(jié)論:

(1)該方法對傳統(tǒng)蓋挖逆作法進行了改進,最大限度地減少施工場地,適用于交通繁忙、地下管線多的區(qū)域修建淺埋地鐵車站;

(2)該方法安全性好,分兩期圍擋施工車站頂板,對工期有一定影響。但一旦封閉頂板,由于沒有支撐,土方開挖效率高,施工進度快;

(3)施工實踐證明了該方法是可行的,為同類工程的設(shè)計提供了一定參考。

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Structure Design of Metro Station Using Covered Top-Down Construction Method by Enclosing East and West Sides in Turns

LIN Xiang
(Guangzhou Metro Design and Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou 510010,China)

U231.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.030

1004-2954(2014)08-0123-05

2013-1203;

2014-01-12

林 湘(1982—),男,工程師,工學(xué)碩士,E-mail:linxiang@ dtsjy.com。