城市地铁半盖挖施工铺盖系统探究

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摘要:地铁车站修建常常受制于周边环境影响，以西安地铁五号线黄雁村站半盖挖基坑工程为背景，在对地下车站常用的施工工法做了对比和分析的基础上，确定采用半盖挖法并对施工中基坑围护结构的受力、变形和稳定进行研究，分析基坑施工对周边环境的影响，结果表明该支护方式安全可靠，具有良好的经济效益和速率。

关键词:地铁;支撑牛腿;半盖挖施工;数值模拟

1概述

地铁的出现为人类开辟了地下活动空间，有效缓解了地面交通拥堵等问题，现已成为21世纪中国城市基础设施建设和城市交通建设的主要形式之一。地铁车站的选址多位于繁华地段的道路下方，由于其上方地面交通繁忙，因此采用何种疏解交通的举措成为施工方法选择的关键因素。半盖挖法又称半盖挖逆作法，是结合传统明挖法和盖挖法两种方法的优点而提出的一种适用于交通繁忙地段城市大断面地下空间的施工方法。周文［1］根据广州市轨道交通十一号线流花路站为研究背景，利用FLAC3D对超大断面隧道施工进行模拟，结果表明结构位移和结构受力满足要求。朱遵全［2］研究发现在地铁中采用半盖挖法能保证车站基坑，同时还能缩短工期，具有较高可行性。刘伟楠［3］在实践中发现车辆荷载作用下，明挖侧及支座处有较大负弯矩出现，因此结构设计时应注意明挖侧及支座处混凝土支撑的上层纵向配筋。闫顺［4］对软岩地区地铁车站基坑施工选用半盖挖法，采用地下连续墙+内支撑作为围护结构，既满足了路面道路宽度行车的要求，又能满足地铁施工的需要，并通过了实际工程监测。陈昆［5］在实践中分析得到结论，建议在深基坑开挖设计时考虑土体的卸荷效应。本文以西安地铁5号线黄雁村车站基坑工程实际情况采用半盖挖法施工，并且提出了一种半盖挖地铁车站超宽基坑内支撑体系安装工艺。

2工程概况

2．1周边环境调查

西安地铁5号线黄雁村车站位于西安市碑林区，含光路与友谊西路十字路口东侧，车站沿友谊西路东西向布置。含光路和友谊西路均属于西安城区内的主要交通干线，地面上交通流量非常大;友谊西路现状为道路宽度50m，双向八车道。含光路现状为双向六车道+两个非机动车道，规划道路红线宽50m。车站位置如图1所示，处于西安城市中心范围内，道路线繁杂，但因本市车流量较大，仍无法满足城市交通需求。因此，在该区位修建地下城市轨道交通需要重点关注施工对地面交通和周边建筑物的影响。本车站位于西安市中心城区十字路口段，交通流量大，地下管线复杂。车站西南侧为陕西省人民医院，西北侧为陕建安装公司已经拆除居民楼，东北侧为陕西公务员大厦、陕西行政学院及西安四通大厦;车站南侧为华豪丽晶高层住宅小区32层大厦(地下2层，基础采用桩筏基础，桩基长约25m)、嘉美大厦和雁塔区旅游局家属楼，距车站基坑较近，是重点观察区域。

2．2车站主体设计概况

车站主体结构采用现浇钢筋混凝土的双柱三跨箱型框架结构，结构外设置外包防水层。本站共设有出入口五个、风亭三组，风亭布置于车站南侧东西两端及北侧中部，车站结构如图2所示。其中，车站小里程端(西端头)为盾构区间，大里程端(东端头)为暗挖区间。

3施工方案

3．1半盖挖法

半盖挖法即盖挖顺作法的临时铺盖只有一半，另一半敞口。区别于全盖挖需要做多次的交通疏解和导改，半盖挖法只需要执行一次或两次交通导改即可。不仅可以满足工期、经济性要求，而且能够有效满足周边环境和交通的需要。每种工法都需要按其特定的工程环境和项目要求来进行选择。若本车站采用半盖挖法施工，由于施工难度降低或导改次数减少，因此与暗挖法和盖挖法相比较而言，能够有效缩短工期和减少造价。同时与明挖法相比，半盖挖法更有利于缓解交通拥堵，围挡最大宽度为27m，地面交通可规划双向六车道(22．5m宽)。经过以上比较，考虑到现场的市政占道要求，应选择除明挖法之外的工法。进一步考虑到工程成本、工期条件和施工难度等，选型优先级依次为半盖挖法＞盖挖法＞明挖法＞暗挖法。因此，除过街通道部分采用暗挖法施工外，本车站主体工程施工均采用半幅盖挖顺作法施工，其中为满足南侧商铺进出通道的要求，在车站中间南北向增设10m净宽的混凝土现浇十字铺盖栈桥一座，与东西向友谊西路主干道形成“T”字型交叉平交道口。

3．2基坑支护体系设计

根据工法选型结果，本车站采用半幅铺盖顺作法施工，基坑围护结构采用1000mm@1500mm钻孔灌注桩，灌注桩间挡土采用挂网喷射混凝土，桩顶设置钢筋混凝土冠梁，围护结构型式使用钻孔灌注桩+内支撑的支护型式，结构示意图如图3所示。基坑沿竖向布设3道支撑，第一道采用800mm×800mm钢筋混凝土支撑，间距7．5m;第二、三道支撑采用609mm×16mm钢管内支撑，间距3．5m，并用2根36C槽钢联系梁与立柱节点联接。第一道支撑撑在冠梁上，其余均撑在钢围檩上，钢围檩均采用2根Ⅰ45b组合型钢。半铺盖系统采用六四式军便梁+500mm厚现浇混凝土盖板+沥青路面形成临时路面系统，沿车站纵向局部铺盖。

3．3铺盖系统的设计与施工

黄雁村站主体基坑长253．1m，标准段宽21．2m。北侧半铺盖，其中军便梁段长207m，宽11m～14m。铺盖系统拟采用六四式铁路军用梁作为主梁，该军用梁的支点结构有两种类型:一种是采用低支点式端构架，一种是采用标准式端构架。本基坑工程中，为了便于与路面衔接，降低基坑开挖深度，选用标准型低支点六四式铁路军用梁。

3．4优化牛腿

本基坑采用半盖挖法，在基坑内设置临时立柱桩(桩径1．2m)，作为铺盖系统的支撑，该临时立柱桩桩身需设置牛腿，作为内支撑杆安装的支撑。在临时立柱桩施工前，将环向钢板(厚16mm，高600mm)焊接在钢筋笼的主筋上，基坑开挖后，根据内支撑杆的安装位置，定位并凿除预埋环向钢板外部混凝土保护层(保护层厚70mm)，然后再将牛腿肋板、顶板焊接于预埋环向钢板，然后在牛腿顶部放置联系梁，作为内支撑杆的竖经分析，设计方案存在以下不足:焊接预埋环向钢板，需要消耗较多的钢材，还增加了工人焊接时间，影响临时立柱桩施工进度;在浇筑临时立柱桩时，由于钢筋笼上浮等影响，给预埋环向钢板准确定位增加了难度;后期凿除部分桩身混凝土，对立柱桩的承载力也会带来不利影响。针对这些不足，结合力学性能分析，提出牛腿的优化后结构如图6，图7所示。优化后的牛腿采用角钢焊接形成三角形托架，然后通过膨胀螺栓固定在临时立柱桩身上。三角托架采用L100mm×10mm等边角钢焊接而成，宽350mm，高600mm;膨胀螺栓长200mm，竖向中心间距400mm。该牛腿结构构造简单，操作简便，材料均可回收利用，且定位精度高，灵活性好，对其他工序的施工不造成影响。

4地铁半盖挖支护效果的数值分析

利用FLAC3D软件对西安地铁5号线黄雁村车站基坑建立一段模型进行数值模型分析(见图8)。根据经验，地铁车站基坑开挖土体边界范围的取值对数值模拟结果的影响较大。根据经验挖对周围土体的影响的范围大致为3倍～5倍开挖宽度，3倍开挖深度。三维模型尺寸为:长×宽×高=100m×20m×60m。中间开挖基坑尺寸为:长×宽×高=22m×20m×20m。路面板尺寸为:长×宽×高=11m×20m×1．91m。支撑梁尺寸为:长×宽×高=1．2m×20m×18．09m。模型的边界条件为:下、左、右、前、后;边界:固定边界;上边界:自由边界(地表)。通过表1确定基坑和支撑系统的力学参数，所得数据将采取Mohr－Coulomb屈服准则进行计算，所得出的结果如图9～图13所示。 从位移图可以看出，路面板和支撑梁位移幅度较小，说明该支护方式比较稳定。从车站基坑周边应力和塑性区域分布图来看，该支护方案分散了应力的集中程度，使得塑性区范围较小，路面板与支撑梁处于良好应力状态，可以有效发挥支护作用。

5结论

1)本文提出一种半盖挖地铁车站超宽基坑内支撑体系安装工艺。该工艺的特点在于采用角钢托架作为超长内支撑的支撑牛腿，角钢托架采用螺栓固定在临时立柱桩上，构造简单，安装方便，适用范围广。所用角钢托架为批量生产的定型构件，采用膨胀螺栓固定，可实现快速安装和拆除，劳动强度低，施工效率高。牛腿在基坑开挖后安装，能够直接对牛腿进行定位和安装，非常方便根据实际需要对牛腿位置进行微调，从而提高牛腿安装的定位精度。相对于预埋钢板法，可节约钢板及加工费用，所采用的角钢托架，拆除后可以回收利用。2)通过数值模拟分析了该支护方式，结果表示该支护方式具有安全、经济、效益性。

参考文献:

［1］周文，唐雄，张飞，等．超大断面地铁车站半盖挖施工稳定性分析［J］．江西建材，2021(1):203－204．

［2］朱遵全．地铁施工交通要道半盖挖法施工技术探析［J］．交通世界，2019(35):27－29．

［3］刘伟楠．合肥某地铁车站半盖挖深基坑变形规律研究［D］．合肥:合肥工业大学，2020．

［4］闫顺．软土地区地铁车站半盖挖深基坑施工［J］．铁道建筑，2011(8):76－77．

［5］陈昆，闫澍旺，孙立强，等．开挖卸荷状态下深基坑变形特性研究［J］．岩土力学，2016，37(4):1075－1082．

作者:江来云 凌涛 单位:中铁五局集团机械化工程有限责任公司 中铁五局集团第一工程有限责任公司