某地铁车站半盖挖法设计研究

阮国勇

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

0 引言

近年来，我国城市轨道交通建设发展迅速，为缓解自身的交通压力，陆续有24个城市开始修建地铁工程。地铁车站一般位于城市干线，建设阶段在主干线大范围占道施工，对目前已经紧张的城市交通更是堵上添堵。为缓解由施工引起的城市拥堵问题，广州地铁2 号线晓港站［1］、深圳地铁1 号线岗厦站［2］、上海地铁8号线陆家浜站［3］、上海地铁11号线真南路站［4］均采用半盖挖法进行施工，其具体做法是在基坑的空间范围内敷设半幅临时桥架结构，作为施工机具空间和市政交通条件;但由于桥架结构是临时工程，后期有大量钢结构需要拆除，对车站主体结构极为不利，而且桥身多为临时钢便桥，拆除时需要再次进行交通疏解，导致交通不畅。

半盖挖法施工的地铁车站，如何能科学地组织结构，有效地结合永久结构和临时工程，减少不必要的拆除工程和避免二次交通导改是目前面临的又一课题。本文结合成都地铁黄忠路口站设计实例，以永久结构构件作为半盖挖桥系承重结构的方法作相应研究，对半盖挖结构主要工况作受力计算和分析。

1 工程概况

1.1 工程简介

黄忠路口站是地铁2号与7号线的换乘站，2号线车站主体沿蜀汉路布置，地下2层，7号线车站沿黄忠大道布置，地下3层。2站在交叉路口成“L”型节点换乘。黄忠路口车站为12 m双柱岛式站台，顶板覆土3.25 m，车站长 181 m，轨面埋深 14.68 m，主体建筑面积7 734 m2，总建筑面积10 805 m2。本站地处城市西北，呈东西走向，规划道路宽40 m，是都江堰、郫县以及城西居民进出成都的主要通道，车流量极大。黄忠路口站总平面图见图1。

黄忠路口站两端区间采用盾构法施工，由于车站施工场地受限，盾构到达本站后由站台层直接通过车站。

1.2 工程地质、水文地质

车站范围内从上至下地层是杂填土〈1－1〉、素填土〈1－2〉、粉土〈2－4〉、细砂〈2－5－2〉、中砂〈2－5－3〉、卵石土〈2－6〉。其中，主要有以下2种:

图1 黄忠路口站总平面图Fig.1 General plan of Huangzhonglukou station

1)杂填土〈1－1〉。褐黄、灰黑等杂色，松散，稍湿，由碎石、砂土、砖瓦碎块等建筑垃圾组成，其间充填黏性土，分布于地表，层厚0.5 ～3.20 m。

2)卵石土〈2－6〉。青灰色，黄褐色，湿－饱和，卵石主要以岩浆岩、变质岩类岩石组成。以亚圆形为主，少量圆形，分选性差，卵石含量50% ～85%，粒径以20～80 mm为主，部分粒径大于100 mm，充填物为中砂，局部夹漂石，埋深1.8 ～3.4 m。

场地地下水主要为砂、卵石层中的孔隙潜水。主要赋存于全新统、上更新统的砂、卵石土中，砂卵石层含水丰富，含水层总厚度大于30 m。车站主体结构基本位于该层砂、卵石土中，受地下水影响很大。

1.3 主要设计标准

1)车站主体基坑安全等级为一级，主体结构的安全等级为一级，结构抗震设防烈度为7度，结构按6级人防的抗力标准进行验算。

2)与土壤直接接触的迎土面混凝土构件的环境类别为I－B类。

3)地下水及地表水对混凝土及钢筋混凝土结构中的钢筋均无腐蚀性，但对钢结构有弱腐蚀性。混凝土抗侵蚀系数不得低于0.8。

4)结构按最不利情况进行抗浮验算，在不考虑侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.05。

2 车站结构设计

2.1 设计周边环境

1)施工期间蜀汉路交通条件。作为成都市城区西部的主要交通干线，市交委对车站主体施工提出要求:主体施工期间，蜀汉路须满足地面交通4个机动车道+2个非机动车道+人行通道汇合通行，所需地面道路宽度为3.5 ×4+2.5×2+4.5 ×1=23.5 m。

2)施工场地周边环境。车站位于蜀汉路，规划道路宽40 m，地面交通量大，施工场地相对紧张。因本站是换乘站，车站主体结构总宽度相对非换乘站要大，为28 m。

车站周边有重要建(构)筑物，上层建筑(混凝土18层)、新天地(混凝土18层)、黄忠加油站，道路北侧老房子酒楼(混凝土7层)距离主体基坑5.4 m，距离出入口基坑2.2 m。

场地内管线较多，主要有雨水、污水、给水、电力、通信、燃气等。其中，道路中间有1根DN1 600钢制的给水管，管底埋深约4.5 m，需要改移至主体结构外。

3)车站埋深。车站顶板覆土3.1～3.7 m，底板埋深17.0～17.5 m，顶板位于粉土、细砂和卵石土交界面，侧墙处于卵石土层，底板位于中密和密实卵石土层上。

4)施工组织。本站相邻2区间均为盾构法施工，附近无法为盾构吊装提供施工场地，本站采用增大地下2层结构高度的办法，使盾构机直接通过轨行区。

2.2 车站的施工方法选定

施工方法的选择与工程地质和水文地质条件、城市规划要求、周围既有建筑物、管线及公交状况及结构形式等密切相关［5－6］。车站在外部条件许可的情况下，从工程施工难度、质量、工期、造价的角度考虑应选择的施工方法依次为明挖法、半盖挖法、盖挖法和暗挖法［7］。其中，半盖挖法是结合明挖和盖挖的修筑方法［8］，施作整个车站的半边桥梁体系，作为交通道路或施工场地，另外半边作为施工出土和进料的敞口。主体基坑一侧为盖挖，另一侧为明挖，见图2。半盖挖法与其他施工方法的比较见表1。

表1 施工方案比较表Table 1 Comparison and contrast among different construction methods

图2 半盖挖法横断面Fig.2 Profile of foundation pit excavated by semi cover and cut method

根据市交委对此段路施工时的占道要求(需提供23.5 m宽的市政道路)，本站主体基坑施工阶段不具备明挖的施工条件。若采用全盖挖法施工，车站主体位于蜀汉路北侧，出土和进料仅能选择在车站南侧与黄忠大道的交叉口处(即2号风井位置)，施工前需要先完成2号风道的结构顶板和2号风井结构，整个工期相对较长，不能满足盾构过站工程筹划要求，故拟在半盖挖和暗挖2种工法中进行选择。本站与7号线相接换乘，设计为双柱12 m站台，结构宽度为20.5 m，若采用暗挖法施工，比较可行的是中洞法，就目前本站设计情况，车站覆土需加深3 m达到6 m左右，轨面埋深约17.0 m方能满足主体起拱的条件，这样导致工程施工和后期运营费用相对较高，此方法不够经济，不推荐采纳。由此，进一步研究半盖挖法。半盖挖法常用主要形式有2种。

1)钢格构立柱桩+半幅临时便桥形式。如广州地铁2号线晓港站、上海地铁8号线陆家浜路站(见图3)。

2)无柱铺设钢便桥形式。半幅便桥作为市政交通，半幅便桥作为施工运输空间。如成都地铁1号线骡马市站，军用梁铺设间距为2.4 m(见图4)。

这2种形式都较好地解决了在狭窄的城市空间利用架设便桥来协调施工场地和交通的问题，从而能更快地进行施工;但施工中架设的临时便桥，在后期需要再次改移道路，进行拆除，这对既有交通不利。黄忠路口站施工方案针对以上2种形式做了一些优化，把永久结构顶板和承重柱作为桥系结构，不必对道路进行再次改移，必然节约工期和造价。如果支撑的钢管柱结构受力允许，将不架设临时格构柱，这需要通过施工期间对桥架结构受力和永久结构受力进行比较。

2.3 半盖挖结构计算

黄忠路口站施工期间主要结构断面以图2进行拟定。由平面可知，离基坑最近的2幢建筑物是老房子和水景湾茶楼，约为5.4 m。本站在基坑施工中最不利工况是结构底板已施作，拆除第2道支撑时。半盖挖顶板上的覆土荷载和车辆荷载直接传递给结构顶板和梁柱体系，由于顶板为半幅，所以受力较不利，而且有较长的纵向施工缝。

2.3.1 计算断面拟定

根据图2和车站周边实际情况，拟定整个基坑计算简图如图5所示。

2.3.2 围护结构

该基坑工程结构由围护结构和竖向承重桥系结构组成，可将2个结构体系分开来计算，围护结构采用常规的“人工挖孔桩 +内支撑”的体系，按 JGJ 120—1999《建筑基坑支护技术规程》的要求，采用增量法，一级基坑，运用理正深基坑6.0计算，得出基坑围护体系符合技术要求。围护桩包络图如图6所示。

2.3.3 桥系结构

竖向承重桥系结构工程由半幅结构顶板、梁和钢管柱组成，其计算简图如图7所示。车站东盾构井段位于十字交叉路口，采用满幅结构顶板盖挖，此站是以半盖挖法为主并结合全盖挖法的结构形式。该站桥系结构需要按荷载情况、施工方法，模拟开挖、回筑和使用阶段不同的受力状况，取最不利内力进行计算。采用MIDAS GEN计算软件建立三维计算模型(如图8所示)。

2.3.3.1 计算参数

1)顶板覆土按3.35 m设计，为单层板多跨连续梁框架结构。

2)顶板厚0.7 m，底板厚0.8 m，侧墙厚0.6 m。跨度为8.4 m和9.0 m。回填土按夯实黏土考虑。

3)地面超载标准值按照均布荷载Qm=20 kN/m2计算，顶板上土荷载 DBTU=20×3.35=67.0 kN/m2;顶板上施工荷载DBSG=5.0 kN/m2;北侧对顶板水平支撑荷载DBZC=650 kN(间距3.5 m)。

图5 基坑围护结构计算简图(单位:kPa)Fig.5 Calculation sketch for retaining structure of foundation pit(kPa)

图6 围护桩包络图Fig.6 Envelope diagram of retaining pile

2.3.3.2 计算过程

设计中不考虑地震和人防等荷载偶然组合，并按照承载力极限状态和正常使用极限状态2种工况验算结构在施工阶段的结构受力。根据以往的设计计算经验，影响盖挖结构构件配筋设计主要是施工阶段承载力极限状态控制和正常使用极限状态裂缝宽度验算。经降水施工，计算时无水压。

钢管结构支撑在顶板上，假设围护结构冠梁无水平位移，钢管柱底部无相对位移，支撑与钢管柱无连接。

计算软件中定义的静力荷载包括:竖向土压力、侧向土压力、活荷载、社会车辆、施工荷载、自重、恒荷载、第1道钢管撑等。

通过MIDAS GEN软件计算得到标准组合作用下的弯矩图、轴力图、剪力图、扭矩图，分别见图9—13。

标准段因顶板土荷载只加载在顶板局部范围，由计算结果来看，并没有使用阶段荷载值大;在东端盾构井采用顶板全盖挖，土荷载、地面超载等同于使用阶段荷载，所以板的计算和设计均按照使用阶段进行控制即可。

梁在半盖挖段和全盖挖段的作用弯矩均不大于使用阶段的情况，施工阶段产生的扭矩最大值为29.1kN·m，通过构造配筋可以满足抗扭要求。

2.3.4 钢管柱计算

半盖挖法施工时，钢管柱会产生一定弯矩值。由MIDAS计算时，钢管混凝土柱与纵梁、板构件固接，顶板弯矩有小部分传至半盖挖钢管柱。以某一构件为例，说明钢管柱在施工中的稳定性。

2.3.4.1 设计参数

水平力650 kN/4 m，D=700mm，t=16mm，C45混凝土，Q235钢，L=12 500mm，竖向力F=3 460kN，弯矩设计值 M=117.5 kN·m。

2.3.4.2 抗弯承载力计算

按规程DBJ 13－51—2003验算。

压弯构件，钢管混凝土构件在一个平面内承受压弯荷载共同作用时，承载力计算如下:

钢管混凝土截面含钢率α=As/Ac=34381/350 464=0.098(As，Ac分别为钢管和混凝土的横截面面积)。

圆钢管混凝土稳定系数φ查表［9］，经内插计算得φ =0.84。

由《钢规》和《混凝土规范》查得f=215 N/m2，fc=21.1 N/m2;fy=235 N/m2，fck=29.6 N/m2。

构件截面约束效应系数设计值ξ0=αf/fc=0.098×215/21.1=0.998。

图9 标准组合作用下的弯矩图(单位:kN·m)Fig.9 Bending moment under standard comprehensive action(kN·m)

图13 标准组合作用下板的弯矩图(单位:kN·m)Fig.13 Bending moment of slab under standard comprehensive action(kN·m)

钢管混凝土组合轴压强度设计值fsc=(1.14+1.02ξ0)fc=(1.14+1.02 × 0.998) × 21.1=45.54 N/m2。

构件截面约束效应系数标准值ξ=αfy/fck=0.098 ×235/29.6=0.778。

构件截面抗弯塑性发展系数γm=1.1+0.48ln(ξ+0.1)=1.1+0.48ln(0.778+0.1)=1.038。

钢管混凝土构件截面抗弯模量Wsc=πD3/32=π×7003/32=33 673 946.26 mm3。

钢管混凝土构件的抗弯承载力(极限弯矩)Mu=γmWscfsc=1.038 ×33 673 946.26 ×45.54 ×10－6=1591.784 kN·m ＞M=117.5 kN·m(设计弯矩)。

2.3.4.3 压弯圆钢管混凝土构件计算

在一个平面内承受压弯荷载共同作用，依据参考文献［9］得 ξ0=0.18ξ－1.15+1=0.18 × (0.778)－1.15+1=1.240。

因为 ξ=0.778 ＞0.4，则 η0=0.1+0.14 × ξ－0.84=0.1+0.14 ×0.778－0.84=0.272。

N/fsc=3460 ×1000/45.54=75977.16mm2(此处N为F，即轴力设计值)。

2η0φ3Asc=2 × 0.272 × 0.843× 3.14 × 7002/4=124 102.07 mm2。

因为 N/fsc＜2η0φ3Asc，则

钢管混凝土组合轴压弹性模量Esc=46 375 N/mm2(查表［9］可得)

欧拉临界力 NE=πEscAsc/λ2=3.14×46 375×3.14 ×7002/4/71.422/1 000=10 994.935 kN。

查《钢规》有端弯矩和横向荷载，等效弯矩系数βm=1.0，当 N/fsc＜2η0φ3Asc时，依据参考文献［9］得 －bN2/N2u－cN/Nu+(1/d)βmM/Mu=1.26 ×10－6－3.48 ×10－4+0.0845=0.0842 ＜1。

所以，钢管柱满足压弯构件要求。

2.4 半盖挖结构应注意的几个问题

1)本站半盖挖顶板上的道路宽度，只占先期施工结构顶板的1/2，结构受力相对较小。如果整个半幅结构顶板均填土铺设道路，那么顶纵梁的抗扭刚度和柱的抗弯刚度须增大，必要时，还需设置临时钢立柱。建议:即使在钢管柱抗弯刚度足够情况下，钢管柱也应和水平钢支撑有效拴接，减小其变形。

2)桥系半盖挖部分结构经过1 a左右覆土压载和车辆动载作用，承重围护桩相应产生沉降;主体结构施工完成后较长时期内，地基沉降才会趋于稳定。盖挖顶板和明挖结构存在差异沉降，其位置在盖挖顶板下后浇侧墙，和盖、明挖顶板相接处会产生较大的附加应力。应在先期和后期结构相连处设置微膨胀混凝土后浇带，以减少差异沉降对结构的影响。

本站围护桩端和承重柱均位于密实卵石土层，承载力特征值为900 kPa，后期差异沉降在2 mm以内，无明显结构变形。

3)盖挖顶板和明挖顶板受力存在二次分配的问题，后期浇筑的明挖结构加载后，盖挖顶板挠度减小，顶纵梁扭度和钢管柱曲度均减少，空间上呈扭转态势［10］。实际上这种应力变化对结构是不利的，应加大板的配筋和柱的抗弯刚度，减小初始变形。

二次分配对结构的影响，主要取决相临板带的宽度。单柱车站结构，相临板带较宽，再次加载，先期施工顶板弯矩变化相对大一些。本站为双柱结构，先期施工结构弯矩减少约3%。

4)这种半盖挖法施工的顶板存在较长的纵向施工缝，浇筑明挖部分顶板时，应分段设置后浇带，分段长度不大于40m，采用提高一级的微膨胀混凝土后浇，减小混凝土收缩徐变的影响;也可在先期浇筑半盖挖顶板的同期，浇筑一部分明挖部分顶板，根据施工的需要留足一定的出土的进料孔，这样对顶板结构较为有利。

3 结论与建议

在狭窄的城市空间修建地下工程，既要满足施工期间地面交通的要求，又要达到节约工期的目的。结合明挖和盖挖的修筑技术，创新采用半盖挖法，协调解决了施工用地和快速施工的要求，取得一定的经济和社会效益。通过对黄忠路口站的设计研究，结论和建议如下。

1)临时桥系半盖挖法施工存在工序繁多、施工效率低、投资大等缺点，优化后的方案工序大为简化，避免不必要的拆除工作和二次市政占道，同时节省了临时工程的安拆相关费用。

2)覆土深度在3 m左右的地铁车站，可将顶板和承重柱直接作为桥系结构，并提供约6 m宽的地面交通;如果覆土深度在1 m以内的地铁车站，则可提供约10 m宽的地面交通。

3)围护桩和钢管柱作为竖向承重构件，保证其压弯稳定性极其重要，必要时应将水平支撑和竖向钢管柱协同布置，并有效拴接。

4)为控制明挖基坑整体稳定性，第1道水平支撑中心宜与顶板结构水平中心重合。

5)本文仅对先期施工顶板的部分空间加以利用，如果作进一步深入研究，将整个半盖挖结构顶板都作为地面交通，则城市交通将得到更好地改善;但桥系结构竖向荷载增加较大，对桥系结构的强度要求更高，承重柱整体稳定性问题将成为主要控制因素。

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