公鐵合建超深車站施工方法比選

歐陽冬

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

1 工程概況

武漢市軌道交通徐家棚站是5、7、8 號線三線換乘站[1]，是武漢市軌道交通的重要交通樞紐，車站總建筑面積13.8 萬m2(見圖1)，工程總概算24.6 億元。車站基坑寬32.35～91.45 m，基坑最深處達(dá)36.76 m，為目前國內(nèi)長江邊最深的地鐵車站。場地位于長江邊，屬長江一級階地，存在4～6.6 m 厚淤泥質(zhì)土和40 m厚飽和粉細(xì)砂層，地下水豐富，地質(zhì)條件差。

武漢三陽路越江隧道為設(shè)計(jì)速度60 km/h 的雙向6車道城市主干路，主線隧道長4 660 m，最大縱坡5%；8 條匝道合計(jì)長2 689 m，最大縱坡6%。武漢地鐵7號線過江段采用公鐵合建隧道下穿長江(見圖1)，過江后公路隧道與徐家棚站“公鐵合建”。本工程為國內(nèi)第一個大型換乘地鐵車站與越江公路隧道全面合建的地下工程，車站外包總長220.36 m，總寬32.35～91.45 m，車站建筑面積50 325 m2，車站典型橫剖面見圖2，縱剖面見圖3。

圖1 武漢地鐵徐家棚站樞紐總圖Fig. 1 General layout of Xujiapeng Station hub of Wuhan Metro

圖2 武漢地鐵7 號線徐家棚站橫剖面Fig. 2 Cross section of Xujiapeng station of Wuhan Metro Line 7

圖3 武漢地鐵7 號線徐家棚站縱剖面Fig. 3 Longitudinal section of Xujiapeng station of Wuhan Metro Line 7

2 地質(zhì)概況

工程場地的地貌單元為河流堆積平原，屬長江一級階地，場地從上至下的地層分布及巖土物理力學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)建議值詳見表1。場地存在4～6.6 m 厚的淤泥質(zhì)土和40 m 厚的飽和粉細(xì)砂地層。淤泥質(zhì)土和松散的粉細(xì)砂軟土地層具有低強(qiáng)度、高壓縮性、高孔隙比、高靈敏度、易擾動和易觸變等特點(diǎn)，開挖過程變形敏感，周邊建(構(gòu))筑物容易沉降開裂，變形控制和環(huán)境保護(hù)要求高。

工程的主要地下水為孔隙承壓水，主要賦存于(4)單元砂性土中，上覆黏性土及下伏基巖為相對隔水層。含水層厚度為40 m左右，主要接受側(cè)向地下水的補(bǔ)給，與長江水力聯(lián)系密切，呈互補(bǔ)關(guān)系，水量豐富。長江邊超厚飽和粉細(xì)砂地層、超深基坑地連墻接縫滲漏一直是困擾設(shè)計(jì)和施工的重大難題。

3 設(shè)計(jì)方案

車站基坑深度達(dá)34.36～36.76 m，形狀不規(guī)則，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地質(zhì)不具備暗挖法施工的條件。綜合考慮基坑工程安全、工期、造價、環(huán)境保護(hù)以及基坑超大超深的特點(diǎn)，可以采用明挖順作法和蓋挖逆作法施工。

3.1 明挖順作法方案

工程位于長江邊，地質(zhì)條件差，周邊環(huán)境復(fù)雜。為保證安全和控制變形，通過工程類比和計(jì)算分析，可以采用兩種明挖方案。方案1：圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 500 mm 厚地連墻，設(shè)置7 道內(nèi)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4 所示；方案2：圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 200 mm 厚地連墻，設(shè)置8 道內(nèi)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5 所示。為有效控制地下水滲流穩(wěn)定性(尤其是承壓水抗突涌穩(wěn)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(nèi)外水力聯(lián)系，形成可靠的落底式止水帷幕[2]。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)建議值Tab. 1 Recommended design values of geotechnical physical and mechanical parameters

圖4 方案1 支護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面Fig. 4 Cross section of support structure in scheme 1

圖5 方案2 支護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面Fig. 5 Cross section of support structure in scheme 2

3.2 蓋挖逆作法方案

蓋挖逆作法施工，采用支護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)全面相結(jié)合的支護(hù)方案(方案3)[3-4]，如圖6 所示。

1) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 500 mm 厚地連墻，圍護(hù)地下連續(xù)墻和主體側(cè)墻構(gòu)成“疊合墻”結(jié)構(gòu)。

2) 主體結(jié)構(gòu)梁板系統(tǒng)作為基坑開挖階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平支撐系統(tǒng)，各層板施工過程根據(jù)出土需要，留設(shè)一定數(shù)量的臨時出土孔。

3) 主體結(jié)構(gòu)永久柱(鋼管混凝土柱)兼作樓板支撐系統(tǒng)的臨時支撐柱，鋼管混凝土柱基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。

為控制差異沉降變形引起的次應(yīng)力[5-6]，地連墻和立柱樁均插入中風(fēng)化巖。同時，對入巖鉆孔灌注樁端和地連墻墻趾沉渣進(jìn)行高壓注漿加固，有效地控制樁、墻在逆作施工荷載下的絕對沉降[7]，使相鄰立柱以及立柱樁與鄰近基坑圍護(hù)墻之間的差異沉降不大于1/400 柱距，且不大于20 mm。

4 綜合比選

1) 變形控制。通過精細(xì)計(jì)算，3 種方案均能滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)、基坑穩(wěn)定和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力要求，但基坑開挖過程圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形值S不同：S方案2＞S方案1＞S方案3，如圖7 所示。方案3 位移最小，安全度和整體穩(wěn)定性最高。采用蓋挖逆作法施工，采用支護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)全面相結(jié)合的支護(hù)方案，永久結(jié)構(gòu)梁板柱系統(tǒng)替代明挖法的內(nèi)支撐系統(tǒng)，地下結(jié)構(gòu)各層板較厚，剛度接近無窮大，可最大限度控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的變形，確?；庸こ痰陌踩€(wěn)定[8]。

圖6 方案3 支護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面Fig. 6 Cross section of the support structure in scheme 3

圖7 3 種方案變形Fig. 7 Deformation diagram of the three schemes

2) 質(zhì)量控制。采用明挖順作法施工，操作簡單，質(zhì)量容易保證。采用蓋挖逆作法施工，鋼管混凝土柱定位及梁柱節(jié)點(diǎn)施工難度相對要大，對施工環(huán)境要求相對要高，但其施工難度和質(zhì)量控制均在可控范圍內(nèi)(見圖8)；最核心的受力構(gòu)件框架柱采用鋼管混凝土柱，相比常規(guī)混凝土柱，其承載能力更高、抗震性能更好。因此，通過加強(qiáng)管理和精心施工，兩種工法施工質(zhì)量均能滿足百年工程要求。

圖8 蓋挖逆作現(xiàn)場施工Fig. 8 Site construction photos of cover excavation and reverse construction

3) 投資比較。3 種方案工程數(shù)量和投資對比如表2 所示(完全相同的工程數(shù)量不參與計(jì)算)。

通過表2 的工程投資可知，方案1＞方案2＞方案3。方案3 相對于明挖方案1，節(jié)省投資4 321萬元，占工程總投資約7.3%；方案1 相對于明挖方案2，節(jié)省投資3 044 萬元，占總投資約5.3%。采用蓋挖逆作法施工，節(jié)省了大量的內(nèi)支撐，降低了工程投資。

表2 3 個方案主要工程數(shù)量和投資對比Tab. 2 Main quantities and investment benchmarking of three schemes

4) 工期安排。結(jié)合既有工程經(jīng)驗(yàn)和理論測算，采用明挖順作法施工，工程工期約31 個月；采用蓋挖逆作法施工，需30 個月。結(jié)合既有經(jīng)驗(yàn)和理論測算，明挖順作和蓋挖逆作工期基本相當(dāng)。

蓋挖逆作施工具有如下優(yōu)勢：一是施工環(huán)境受風(fēng)霜雨雪氣候影響較?。欢巧w挖頂板覆土后可作施工場地，場地開闊，施工便利；三是施工環(huán)境沒有縱橫交錯的內(nèi)支撐和臨時立柱，作業(yè)環(huán)境較好；四是得益于引進(jìn)小型挖機(jī)和垂直取土機(jī)先進(jìn)設(shè)備，挖土出土效率大大提高[9]。綜合以上優(yōu)勢，施工單位精心施工和科學(xué)管理，僅用20 個月就完成了該站的主體結(jié)構(gòu)施工，創(chuàng)造了蓋挖逆作施工的高速度和高質(zhì)量，徹底改變了談蓋挖逆作色變的不良印象，大大增強(qiáng)了武漢地鐵集團(tuán)對蓋挖逆作工法的信心?？偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn)和工程類比可知，基坑越深、越大、越寬，地質(zhì)條件越差，蓋挖逆作法施工的優(yōu)勢就更加突出[10]。

5) 環(huán)境效益。通過對比表2 可知，采用明挖順作法施工，徐家棚站主體基坑臨時內(nèi)支撐系統(tǒng)費(fèi)用高達(dá)6 786 萬元，混凝土支撐費(fèi)用高達(dá)3 690 萬元，僅混凝土內(nèi)支撐就達(dá)16 771 m3。這些臨時工程費(fèi)時、費(fèi)力、費(fèi)錢，施工周期長，費(fèi)用高，破除難度大，粉塵廢渣污染環(huán)境。采用逆作法施工，用車站主體結(jié)構(gòu)梁板替代內(nèi)支撐系統(tǒng)，既安全可靠、節(jié)省投資，又節(jié)能環(huán)保、節(jié)省工期，屬于綠色建造、節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的方向。

通過綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，本工程采用蓋挖逆作法施工，如表3 所示。

表3 徐家棚站超深超大基坑工法比較Tab. 3 The construction method advantages of super deep and super large foundation pit of Xujiapeng Station

5 創(chuàng)新工法

5.1 “先逆后順再拓”的新型逆作工法

本站與公路隧道公鐵合建，豎向結(jié)構(gòu)存在框架與箱型、箱型與框架的二次結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。這種新型特殊結(jié)構(gòu)采用逆作法施工，既是工程設(shè)計(jì)和施工的難點(diǎn)，也是逆作工法新的突破。本工程開創(chuàng)“先逆后順再拓”新型逆作工法來解決這個難題，即分3 個大的工序完成施工(見圖9)：

1) 利用鋼管混凝土柱和地連墻的支撐作用，從上往下逆作施工各層梁板結(jié)構(gòu)，直至結(jié)構(gòu)底板完工；

2) 從下往上順作施工各層側(cè)墻、地下2 層隧道中隔壁及地下1 層混凝土框架柱，直至車站主體框架及轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形成；

3) 拆除地下2 層隧道層、地下1 層換乘大廳范圍內(nèi)的鋼管柱，擴(kuò)展成車站及隧道的正常使用空間。

5.2 鋼管混凝土柱的新型定位工法

豎向支撐系統(tǒng)鋼管混凝土柱及樁基礎(chǔ)是逆作法施工的核心構(gòu)件，如何在地面安全順利地安裝鋼管混凝土柱并確保安裝精度和承載能力，成為設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵。常規(guī)鋼套筒法需大量大直徑鋼管，回收率低，且需人工下至基坑底安裝定位器，投資高、風(fēng)險大，先進(jìn)的HPE 液壓垂直插入鋼管柱工法則設(shè)備費(fèi)用高。本工程通過技術(shù)創(chuàng)新，利用兩點(diǎn)確定一條直線的原理，開創(chuàng)性地采用了“兩點(diǎn)機(jī)械定位工法”：

1) 采用大直徑旋挖鉆機(jī)施工鋼管混凝土樁基礎(chǔ)(φ2 300 mm)；

2) 在鋼管柱位置地面安裝上部定位平臺；

3) 吊裝鋼管混凝土柱(φ1 000)，樁基礎(chǔ)混凝土初凝前，鋼管底部插入設(shè)計(jì)標(biāo)高；

4) 下至鋼管柱底部1/3 處，通過下部定位千斤頂液壓驅(qū)動鋼管柱移動來調(diào)節(jié)平面位置，直至鋼管柱達(dá)到設(shè)計(jì)要求的垂直度；

5) 最后澆筑鋼管混凝土柱內(nèi)剩余混凝土，見圖10。

圖9 新型逆作工法施工過程橫剖面Fig. 9 Cross-section of construction process of new reverse construction method

圖10 鋼管柱定位示意Fig. 10 Schematic diagram of positioning the steel pipe column

通過工程實(shí)踐，超長鋼管混凝土柱的垂直精度達(dá)到1/500H(鋼管柱長度)以上，滿足設(shè)計(jì)和工程需求。

6 結(jié)語

1) 本工程開創(chuàng)“先逆后順再拓”新型逆作工法，相對于同等厚度圍護(hù)地連墻的明挖法施工，土建總投資可節(jié)省7.3%，節(jié)省費(fèi)用4 321 萬元。相對于1 200 mm厚度地下連續(xù)墻明挖法施工，土建投資可節(jié)省5.3%，節(jié)省費(fèi)用3 044 萬元。

2) 工程實(shí)踐證明，采用新型逆作工法質(zhì)量良好，相比明挖順作法，安全性要高，投資較省，工期較優(yōu)，綠色環(huán)保，是一種可持續(xù)發(fā)展和綠色建造的施工方法。通過類比發(fā)現(xiàn)，基坑越深、越大、越寬，地質(zhì)條件越差，采用蓋挖逆作法施工的優(yōu)勢就更加突出。蓋挖逆作法施工，充分利用了圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)全面相結(jié)合的支護(hù)方案，保證了工程順利實(shí)施和基坑安全，是可持續(xù)進(jìn)行城市地下空間開發(fā)和建設(shè)節(jié)約型社會安全、經(jīng)濟(jì)、有效的施工工法。

3) 通過綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選和工程實(shí)踐，本工程研發(fā)的超長鋼管混凝土柱“兩點(diǎn)機(jī)械定位工法”，施工便利，精度可控，最高精度可達(dá)1/500H(鋼管柱長度)以上，滿足設(shè)計(jì)和工程受力要求。