張海濤， 李兆平， 馮 超， 鄭仔弟， 王子元

(1. 北京市市政四建設(shè)工程有限責(zé)任公司， 北京 100176； 2. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 北京 100044)

0 引言

在高鐵車站站前廣場(chǎng)及附近區(qū)域，為集約化利用地下空間資源，方便乘客進(jìn)站以及進(jìn)入周邊的商業(yè)和交通設(shè)施，往往需要將配套的各種地下設(shè)施集中布置[1-3]。由于空間布局受限，這種地下一體化樞紐往往采用上下立體交叉布置形式，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，同時(shí)受拆遷、施工手續(xù)、圖紙拖延等各種因素制約，這些配套設(shè)施的建設(shè)不可能一步到位。為確保車站按期投入運(yùn)營(yíng)，需要將部分和高鐵運(yùn)營(yíng)密切關(guān)聯(lián)的配套設(shè)施率先建成投入運(yùn)營(yíng)，這就給配套一體化樞紐結(jié)構(gòu)的施工工序安排帶來(lái)較大的困難。

近年來(lái)，隨著地下空間集約化和一體化開(kāi)發(fā)理念的提出，在換乘地鐵車站、高鐵車站等工程的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員嘗試采用將車站與周邊地下空間一體化規(guī)劃設(shè)計(jì)、分期建造的模式[4-6]。

車站和配套的地下商業(yè)及交通設(shè)施采用集約化和一體化布置方式，有利于提高空間利用率，方便乘客進(jìn)出站、購(gòu)物和休閑，但是這種集中布置的交通樞紐結(jié)構(gòu)也給施工工序安排帶來(lái)了困難。本文結(jié)合京張高鐵清河站地下交通樞紐項(xiàng)目的施工，提出一種分體建造工法，詳細(xì)討論分體建造工法的具體工序、關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及解決措施，并對(duì)該工法的工期、造價(jià)、優(yōu)缺點(diǎn)及適用性進(jìn)行分析。

1 工程背景

京張高鐵清河火車站地下交通樞紐項(xiàng)目位于站前廣場(chǎng)東側(cè)，為整體雙層、局部單層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。雙層段的負(fù)1層為相互獨(dú)立設(shè)置的地下公交通道、地下人行通道及地下連廊接駁段；雙層段的負(fù)2層為地下商業(yè)通道；局部單層段為通往鄰近商業(yè)設(shè)施接駁段。

地下公交車道、地下人行通道平行布置，在出口處與安寧莊主路聯(lián)通，并與負(fù)2層的地下商業(yè)通道在空間上垂直交叉。

該地下交通樞紐將地下人行通道、地下公交車道、連通高鐵車站的地下連廊通道和連通周圍商業(yè)設(shè)施的地下商業(yè)通道等各種配套設(shè)施集中交叉布置。地下交通樞紐項(xiàng)目平面布置如圖1所示。地下交通樞紐結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

圖1 地下交通樞紐項(xiàng)目平面布置

(b) 1-1縱剖面

2 地下交通樞紐結(jié)構(gòu)分體建造方案

為了保證冬季奧運(yùn)測(cè)試賽的正常進(jìn)行，高鐵清河火車站需要于2020年1月1日投入運(yùn)營(yíng)，位于樞紐負(fù)1層的地下人行通道、公交車道和連通高鐵車站的地下連廊通道需要和清河火車站同步投入運(yùn)營(yíng)，其工期節(jié)點(diǎn)為2019年12月30日。由于該樞紐前期的施工圖變更較多，且施工占地遲遲不能落實(shí)，進(jìn)場(chǎng)施工時(shí)間為2019年9月中旬，再加上受高鐵清河站多家施工單位相互干擾等因素的影響，實(shí)際有效工期只有3個(gè)月。

高鐵清河火車站的地下交通樞紐結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)采用明挖順作法，初步測(cè)算工期至少需要145 d，這樣就無(wú)法保證負(fù)1層設(shè)施與高鐵清河站同步投入運(yùn)營(yíng)，而傳統(tǒng)蓋挖逆作或蓋挖順作工期更長(zhǎng)。為保證負(fù)1層結(jié)構(gòu)按期完工，提出分體建造工法，該工法有別于傳統(tǒng)的蓋挖逆作[7]或蓋挖順作工法[8]，其工法特點(diǎn)如下：

1)先采用明挖順作法施工負(fù)1層結(jié)構(gòu)，以滿足負(fù)1層設(shè)施和清河站同步投入運(yùn)營(yíng)的需求。

2)待負(fù)1層結(jié)構(gòu)投入運(yùn)營(yíng)后，采用蓋挖順作法施工負(fù)2層結(jié)構(gòu)，通往鄰近商業(yè)設(shè)施(威凱地塊)接駁段的單層結(jié)構(gòu)采用明挖順作法施工。

分體建造工法的總體安排如圖3所示。

3 分體建造施工步序

3.1 負(fù)1層結(jié)構(gòu)施工步序

負(fù)1層結(jié)構(gòu)包括地下人行通道、地下公交通道、通往高鐵車站的地下連廊通道，采用明挖順作法施工。在施工負(fù)1層結(jié)構(gòu)的同時(shí)，完成整個(gè)地下樞紐結(jié)構(gòu)的主要豎向承載構(gòu)件鋼管柱的施工。負(fù)1層結(jié)構(gòu)施工步序如圖4所示。

(a) 負(fù)1層及永久柱施工

(b) 負(fù)2層及單層段施工

(a) 步序1 (b) 步序2

(c) 步序3 (d) 步序4

(e) 步序5 (f) 步序6

步序1： 施作圍護(hù)樁，圍護(hù)樁采用φ1 000 mm鉆孔灌注樁，并設(shè)置合理的嵌固深度。

步序2: 施工鋼管柱承載樁，并吊裝鋼管柱。承載樁采用φ2 000 mm鉆孔灌注樁，其中鋼管柱范圍內(nèi)采用鋼護(hù)筒支護(hù)。在鋼護(hù)筒內(nèi)施作鋼管柱，回填細(xì)砂；鋼管柱采用φ800 mm鋼管，壁厚16 mm。鋼管柱內(nèi)澆筑C50自密實(shí)微膨脹混凝土。

步序3: 向下開(kāi)挖至結(jié)構(gòu)頂板位置，施作樁頂冠梁，架設(shè)鋼支撐。

步序4: 繼續(xù)向下開(kāi)挖基坑至中板位置。

步序5： 施工中板及側(cè)墻，并完成交叉部位的人行通道和公交車道結(jié)構(gòu)澆筑，施作結(jié)構(gòu)頂板。

步序6： 拆除樁頂支撐，恢復(fù)路面。

3.2 負(fù)2層和單層段地下商業(yè)通道施工步序

負(fù)1層完成后，具備了與高鐵車站的同步運(yùn)營(yíng)條件，開(kāi)始負(fù)2層的施工。負(fù)2層包括地下商業(yè)通道(含行人通行功能)，與通向鄰近商業(yè)設(shè)施的地下負(fù)1層(單層段)商業(yè)通道同期施工。在負(fù)2層和單層段施工中，為最大限度降低基坑開(kāi)挖對(duì)負(fù)1層結(jié)構(gòu)及鋼管柱的影響，充分利用基坑工程的空間效應(yīng)[9-11]，制定開(kāi)挖方案。負(fù)2層結(jié)構(gòu)施工步序如圖5所示。

(a) 步序1 (b) 步序2

(c) 步序3 (d) 步序4

(e) 步序5

步序1： 施作地下商業(yè)通道單層段圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

步序2： 放坡開(kāi)挖商業(yè)通道單層結(jié)構(gòu)基坑至冠梁底面，并架設(shè)第1道鋼支撐。

步序3： 開(kāi)挖單層段基坑至圖示位置，并架設(shè)第2道鋼支撐。

步序4： 開(kāi)挖負(fù)2層和單層段基坑剩余土方，并架設(shè)第3道鋼支撐。

步序5： 施作交叉段負(fù)2層商業(yè)通道結(jié)構(gòu)和單層段結(jié)構(gòu)，并預(yù)留與商業(yè)設(shè)施的接口。

4 分體建造工法的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

4.1 鋼管柱施工

本工程的鋼管混凝土柱直徑為800 mm，壁厚為16 mm，總數(shù)為10根，鋼管混凝土柱垂直度要求≤H/1 000(H為鋼管柱的高度)，且最大不超過(guò)8 mm。鋼管混凝土柱錨入鉆孔灌注樁的混凝土有效長(zhǎng)度為3.9 m(不含錐尖)，同時(shí)鋼管混凝土柱頂在地面以下3.52～5.5 m。為此，采用HPE(hydraulic pressure embed)垂直插入鋼管柱進(jìn)行施工[12-13]。HPE工法如圖6所示，其主要工序如下。

1)將HPE液壓插入機(jī)準(zhǔn)確就位、定位，根據(jù)HPE液壓插入機(jī)自身的垂直調(diào)校裝置調(diào)整垂直度。

2)HPE液壓插入機(jī)定位后，將鋼管柱吊起，用HPE液壓插入機(jī)的液壓定位器將鋼管柱抱緊，根據(jù)二點(diǎn)定位原理，抱緊鋼管柱后再?gòu)?fù)測(cè)垂直度。

3)在混凝土初凝前用HPE液壓插入機(jī)將鋼管柱插入到灌注樁混凝土中，直至達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

圖6 HPE工法簡(jiǎn)圖

HPE插入法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)垂直精度高。

2)定位準(zhǔn)確，單柱安裝施工周期短，大大節(jié)約施工工期。

3)避免常規(guī)永久性鋼管柱安裝人工入樁孔內(nèi)施工作業(yè)，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

4)無(wú)需埋設(shè)外鋼套管，降低施工成本。

4.2 明挖+蓋挖連接節(jié)點(diǎn)的處理

負(fù)2層邊墻與已澆筑的中板連接部位上存在1道縱向通長(zhǎng)的逆作縫，該部位的澆筑密實(shí)程度將直接影響結(jié)構(gòu)的受力和防水效果。該連接節(jié)點(diǎn)的處理做法如下：

1)中板與負(fù)2層側(cè)墻連接部位的施工縫設(shè)置成錯(cuò)臺(tái)型式[14]，對(duì)錯(cuò)臺(tái)部位的混凝土進(jìn)行鑿毛處理，除去浮漿、雜質(zhì)，露出新鮮的混凝土面。在清除干凈的混凝土表面設(shè)置嵌縫膠，嵌縫膠涂抹要求均勻、連貫，不得出現(xiàn)起層或脫落現(xiàn)象，以免影響止水效果。嵌縫膠成型后寬度應(yīng)為15～20 mm，高度為8～10 mm。

2)在錯(cuò)臺(tái)部位沿施工縫通長(zhǎng)埋設(shè)注漿管。施工時(shí)必須把注漿管與混凝土表面固定牢固。注漿管采用專用扣件固定在施工縫表面結(jié)構(gòu)中線上，固定間距一般控制為40～50 cm，上部施工縫安裝注漿管時(shí)應(yīng)對(duì)固定扣件進(jìn)行加密，防止在混凝土澆筑過(guò)程中卡口脫落導(dǎo)致注漿管移位，從而影響注漿效果。

3)安裝側(cè)墻模板，澆注混凝土?xí)r應(yīng)按照側(cè)墻預(yù)留的臺(tái)階逐層澆注，充分振搗。錯(cuò)臺(tái)式施工縫的設(shè)置如圖7所示。

圖7 錯(cuò)臺(tái)式施工縫的設(shè)置(單位： mm)

4.3 負(fù)2層鋼支撐安裝、拆除

負(fù)2層鋼支撐采用人工就地組裝就位的方法，在基坑內(nèi)拼裝成整根。在洞內(nèi)，鋼支撐標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長(zhǎng)為 6 m，并配備有4、2、1、0.5 m的短節(jié)，活動(dòng)端長(zhǎng)度為1.5 m。拆除鋼支撐時(shí)在底板預(yù)埋鋼板，搭設(shè)架子利用吊鏈進(jìn)行拆除，下方輔以水平運(yùn)輸車將支撐運(yùn)至明挖段，最后用吊車將其吊出基坑。單層結(jié)構(gòu)鋼支撐安裝用吊車輔以安裝。

4.4 負(fù)2層施工對(duì)鋼管柱影響的控制

在負(fù)2層土方開(kāi)挖和結(jié)構(gòu)澆筑之前，地下樞紐結(jié)構(gòu)的鋼管柱和負(fù)1層的地下行人通道、地下公交通道和地下連廊通道均已完成施工，負(fù)2層施工對(duì)負(fù)1層的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不利影響[15-16]。在負(fù)2層基坑開(kāi)挖和結(jié)構(gòu)施作過(guò)程中，鋼管柱承受的荷載不斷變化，可能會(huì)導(dǎo)致鋼管柱的豎向或水平變形超過(guò)控制值。設(shè)計(jì)給出的鋼管柱最大豎向變形小于10 mm，最大水平變形小于8 mm(小于H×1‰，H為鋼管柱高度)。因此，需要研究負(fù)2層以及單層明挖段施工對(duì)負(fù)1層鋼管柱變形的影響，下文采用數(shù)值模擬方法討論鋼管柱受到的影響及控制措施的實(shí)施效果。

5 地下交通樞紐負(fù)2層及單層明挖段施工對(duì)鋼管柱變形影響分析與監(jiān)測(cè)

5.1 數(shù)值計(jì)算模型

為了研究負(fù)2層施工對(duì)鋼管柱的影響，采用FLAC3D有限差分軟件對(duì)全施工過(guò)程進(jìn)行模擬。基于結(jié)構(gòu)的實(shí)際規(guī)模，同時(shí)為了避免計(jì)算模型的邊界效應(yīng)，確定計(jì)算模型尺寸為x×y×z=110 m×75 m×50 m，共劃分為626 420個(gè)單元，11 049個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。數(shù)值計(jì)算模型如圖8所示。

圖8 計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)和周圍地層均采用實(shí)體單元模擬，混凝土結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，土體材料采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型。

模型初始地應(yīng)力場(chǎng)僅由土體自重產(chǎn)生。施工前已將水位降至負(fù)2層底板以下，故不考慮地下水的影響。模型上表面(地表)為自由邊界，下表面為固定約束，左右和前后均為法向約束。土層為各向同性的連續(xù)均勻介質(zhì)，強(qiáng)度準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示， 地層物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

表2 地層物理力學(xué)參數(shù)

5.2 模擬開(kāi)挖支護(hù)的工序劃分

負(fù)2層為地下商業(yè)通道(含行人通行功能)，與通向商業(yè)設(shè)施的地下負(fù)1層(單層段)商業(yè)通道同期施工。為研究施工階段鋼管柱的變形情況，將整個(gè)施工過(guò)程劃分為3個(gè)階段，并提取相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果，分別為：

1)開(kāi)挖支護(hù)單層段基坑至-12.1 m位置。在本工程的負(fù)2層土方開(kāi)挖時(shí)，如果不同時(shí)進(jìn)行地下商業(yè)通道單層段的土方開(kāi)挖，相當(dāng)于給鋼管柱基礎(chǔ)施加了均布超載。在均布超載作用下，鋼管柱基礎(chǔ)受到水平方向的土壓力分布不均衡。為此，在開(kāi)挖負(fù)2層土方的同時(shí)，也同步開(kāi)挖地下商業(yè)通道單層段基坑至-12.1 m位置(與雙層段負(fù)1層持平)。

2)開(kāi)挖雙層段負(fù)2層基坑土方。

3)開(kāi)挖單層段基坑剩余土方至坑底。

5.3 鋼管柱變形的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

5.3.1 模擬計(jì)算的監(jiān)測(cè)點(diǎn)

（2）配套設(shè)備：表面溫度計(jì)感溫元件為表面熱電偶，指示儀表一般應(yīng)具有熱電偶參考端溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能。配套電測(cè)儀表，要求符合0.1級(jí)及以上技術(shù)指標(biāo)。

分析鋼管柱變形時(shí)，參照實(shí)際監(jiān)測(cè)位置選取4根鋼管柱的柱頂中心作為計(jì)算取值測(cè)點(diǎn)。鋼管柱柱頂位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意如圖9所示。

圖9 鋼管柱柱頂位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

5.3.2 鋼管柱柱頂豎向變形和水平變形

鋼管柱柱頂豎向變形曲線如圖10所示。鋼管柱柱頂水平變形曲線如圖11所示。

圖10 鋼管柱柱頂豎向變形曲線

圖11 鋼管柱柱頂水平變形曲線

由圖10和圖11可知：

1)單層段基坑和雙層段負(fù)2層基坑開(kāi)挖導(dǎo)致鋼管柱出現(xiàn)明顯隆起，最大隆起值為1.6 mm；隨著單層段和雙層段基坑的繼續(xù)開(kāi)挖，鋼管柱逐漸開(kāi)始下沉，最大下沉值為1.85 mm；鋼管柱無(wú)論是隆起還是下沉，其最大值均未超出設(shè)計(jì)給出的鋼管柱最大豎向變形值(10 mm)。

2)施工過(guò)程中鋼管柱豎向先隆起后沉降，其產(chǎn)生機(jī)制是在負(fù)1層土方開(kāi)挖過(guò)程中，土方開(kāi)挖產(chǎn)生卸載效應(yīng)，導(dǎo)致鋼管柱出現(xiàn)豎向隆起變形，負(fù)2層土方開(kāi)挖卸載效應(yīng)將會(huì)導(dǎo)致鋼管柱豎向隆起變形持續(xù)增大；隨著結(jié)構(gòu)施作完成，豎向荷載將主要由鋼管柱承擔(dān)，導(dǎo)致鋼管柱出現(xiàn)豎向沉降變形。

3)在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，鋼管柱最大水平變形為 0.5 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)給出的鋼管柱水平變形允許值。

5.4 鋼管柱實(shí)際變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在負(fù)2層及單層段施工期間，對(duì)鋼管柱的豎向和水平變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置與數(shù)值計(jì)算的取值點(diǎn)一致。鋼管柱豎向變形實(shí)測(cè)曲線如圖12所示。鋼管柱水平變形實(shí)測(cè)曲線如圖13所示。

圖12 鋼管柱豎向變形實(shí)測(cè)曲線(2020年)

圖13 鋼管柱水平變形實(shí)測(cè)曲線(2020年)

由圖12和圖13可知：

1)隨著單層段和雙層段負(fù)2層基坑的開(kāi)挖，鋼管柱經(jīng)歷了隆起—下沉的過(guò)程，最大隆起值為1.35 mm，最大下沉值為2.37 mm。

2)鋼管柱無(wú)論是隆起還是下沉，其最大值與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果基本相符，且均未超出設(shè)計(jì)給出的鋼管柱最大豎向變形值。

3)鋼管柱的水平變形最大值為1 mm左右，且隨著負(fù)1層明挖段的土方開(kāi)挖，鋼管柱的水平變形逐漸減小到0.4 mm左右。

6 工期、造價(jià)及實(shí)施效果評(píng)價(jià)

本地下交通樞紐是保證冬奧工程清河火車站能否按期投入運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)工程。由于站房施工與周邊配套工程同步實(shí)施，施工單位之間的運(yùn)輸通道、施工場(chǎng)地相互重疊，施工相互干擾大，給工程施工組織帶來(lái)了極大的難度和影響。

若采用傳統(tǒng)的明挖順作法施工，預(yù)測(cè)工期為145 d(其中，圍護(hù)樁35 d，土方開(kāi)挖與結(jié)構(gòu)110 d)。采用分體建造工法，上部負(fù)1層實(shí)際工期81 d(其中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)和承載樁、鋼管柱39 d，土方17 d，結(jié)構(gòu)25 d)；下部負(fù)2層實(shí)際工期105 d(其中，土方開(kāi)挖60 d，結(jié)構(gòu)施工45 d)。

經(jīng)測(cè)算，造價(jià)增加了798萬(wàn)元(其中，永臨支柱273萬(wàn)元，負(fù)2層土方開(kāi)挖增加98萬(wàn)元，負(fù)2層模板體系增加33萬(wàn)元，人工費(fèi)增加394萬(wàn)元)。

從總工期和工程造價(jià)來(lái)分析，本工程采用的分體建造工法不占優(yōu)勢(shì)，但是由于負(fù)1層施工僅僅81 d就完工交付使用，確保了負(fù)1層的各種交通設(shè)施能夠隨著清河站的開(kāi)通同步投入運(yùn)營(yíng)，其間接經(jīng)濟(jì)效益無(wú)法精確測(cè)算。

7 結(jié)論與討論

1)為確保地下交通樞紐的負(fù)1層地下人行通道、公交車站、地下連廊通道等設(shè)施能夠與高鐵清河站同步投入運(yùn)營(yíng)，提出分體建造方案。該方案的特點(diǎn)是先采用明挖法施工負(fù)1層結(jié)構(gòu)，回填后采用蓋挖順作法施工負(fù)2層結(jié)構(gòu)。

2)分體建造工法的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題主要有鋼管柱施工、明挖+蓋挖連接節(jié)點(diǎn)的處理、負(fù)2層鋼支撐安裝與拆除以及負(fù)2層施工對(duì)鋼管柱穩(wěn)定性影響的控制，并針對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題給出了解決措施。

3)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，負(fù)2層和單層段的施工使負(fù)1層鋼管柱呈現(xiàn)出先隆起后下沉的豎向變形規(guī)律，同時(shí)鋼管柱也產(chǎn)生一定的水平變形，但是鋼管柱的豎向變形和水平變形均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)允許的變形控制值。

雖然高鐵清河站地下樞紐建設(shè)所采用的分體建造工法在工期和造價(jià)方面不占優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于施工環(huán)境條件復(fù)雜、施工干擾大、部分配套設(shè)施需要與車站同步投入運(yùn)營(yíng)的交通樞紐，本工程采用分體建造工法具有較好的適用性。