地下车站逆作工法经济性分析

赵秀杰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司， 武汉 430063∥高级工程师)

城市轨道交通地下车站一般采用明挖法和暗挖法施工。暗挖法因受控地质条件和功能局限，应用较少。明挖法一般又分为明挖顺作法和盖挖逆作法。盖挖逆作法施工，采用车站主体与基坑支护结构相结合，根据施工需要设置一定数量的工作孔，从上往下开挖车站基坑，从上往下施工各层结构，利用各层梁板结构替代明挖法内支撑系统，开挖至基坑底，结构封底即完成地下结构主体施工。这种利用车站结构替代传统内支撑的逆作施工工法，因为支护刚度大，安全可靠，应用越来越多。

目前城市轨道交通地下车站，最常见的为地下2层、3层站，少量地下1层、地下4层或更深车站。本文结合3个典型地下站，对明挖顺作和盖挖逆作两种工法的经济性作精细分析和对比研究。

1 地下2层站施工方法经济性分析

某地下标准2层站，基坑深度约17 m，地质条件以粉质黏土为主，局部有淤泥质土层，地下水丰富。

采用明挖顺作法施工，围护结构采用800 mm厚地连墙，局部有淤泥质土采用搅拌桩加固；设置4道内支撑，第1道混凝土支撑，第2、3、4道为Φ800 mm的钢支撑，设一道倒换撑。结构方案如图1所示。

采用盖挖逆作法，围护结构采用1 000 mm地连墙，与主体结构侧墙构成“叠合墙”结构；利用车站主体结构梁板作为基坑内支撑系统；车站主体结构钢管混凝土柱兼作施工临时立柱；结构方案如图2所示，差异工程量及投资对比如表1所示(仅对比差异工程量，相同的结构工程量不参与计算对比)。

图1 明挖顺作结构方案图

图2 盖挖逆作结构方案图

表1 地下二层站明挖顺作与盖挖逆作差异工程量及投资对比表

通过表1可知，本地下2层站，明挖顺作和盖挖逆作两种工法投资基本接近，逆作工法因为地连墙厚度提高一个规格，地连墙和桩基础投资增加，而盖挖逆作相对明挖顺作内支撑减少的投资相对较少。因此，盖挖逆作相对明挖顺作工法投资稍高。

2 地下3层站逆作施工经济性分析

某地下3层站，车站主体基坑深度26 m，2层附属外挂基坑深度17.8 m，1层换乘大厅基坑深度10.9 m。地质条件以黏土、粉质黏土、粉细砂为主，地下水丰富。

采用明挖顺作法施工，围护结构采用1 000 mm厚地连墙；设置5道内支撑，第1、3道为混凝土支撑，第2、4、5道为Φ800 mm的钢支撑，设1道倒换撑[1]。结构方案如图3所示。

采用盖挖逆作法施工，围护结构采用1 000 mm厚地连墙，与主体侧墙构成“叠合墙”结构；利用车站梁板作为基坑内支撑系统；主体钢管混凝土柱兼作施工临时立柱，结构方案如图4所示，两种工法差异工程量及投资对比如表2所示(仅对比差异工程量，相同的结构工程量不参与计算对比)。

本站采用盖挖逆作，可将部分地下2层、地下1层区域与地下3层主体合并为一个基坑整体逆作法施工，相对于明挖顺作，减少投资2 419万元，占土建总投资的5.4%；若分期逆作实施，减少投资1 030万元，占土建总投资的2.3%。采用盖挖逆作法施工，利用主体结构梁板系统作为内支撑系统，基坑支护整体刚度大，安全度高，因此可将不同深度分区施工的基坑合并为一个基坑整体施工，既减少了分区隔离墙，降低了工程投资和施工难度，又加快施工进度，缩短了工期，一举多得。

图3 明挖顺作结构方案图

图4 盖挖逆作结构方案图

表2 地下三层站明挖顺作与盖挖逆作差异工程量及投资对比表

3 地下4层站逆作施工经济性分析

某地下4层站，基坑深度35 m，位于长江边，地质条件差，周边环境复杂，为保证安全和控制变形，通过工程类比和计算分析，可以采用两种明挖方案：方案一，围护结构采用1 500 mm厚地连墙，设置7道内支撑和1道倒换撑，其中第1、3、5道为混凝土支撑，其余为钢管撑，如图5所示；方案二，围护结构采用1 200 mm厚地连墙，设置8道内支撑和2道倒换撑，其中第1、2、3、5道为混凝土支撑，其余为钢管撑，如图6所示。为有效控制地下水渗流稳定(尤其是承压水抗突涌稳定性)，将车站主体四周地连墙落入基岩，同时采用压力注浆加固墙趾沉渣，彻底隔断基坑内外水力联系，形成可靠的落底式止水帷幕[2]。

盖挖逆作法施工，采用支护结构和主体结构全面相结合的支护方案[3]：① 围护结构采用1 500 mm厚地连墙，围护地连墙和主体侧墙构成“叠合墙”结构；② 主体结构梁板系统作为基坑开挖阶段围护结构的水平支撑系统，各层板施工过程根据出土需要留设一定数量临时出土孔；③ 主体结构永久柱(钢管混凝土柱)兼作楼板支撑系统的临时支承柱，钢管混凝土柱基础采用钻孔灌注桩。具体支护方案如图7所示。

图5 方案一结构横剖面图

图6 方案二结构横剖面图

图7 方案三结构横剖面图

为控制差异沉降变形引起的次应力，地连墙和立柱桩均插入中风化岩；同时，对入岩钻孔灌注桩端和地连墙墙趾沉渣进行高压注浆加固，有效控制桩、墙在逆作施工荷载下的绝对沉降，使相邻立柱以及立柱桩与临近基坑围护墙之间的差异沉降不大于1/400柱距，且不大于20 mm。

通过表3可知，工程投资方案一最大，方案二其次，方案三再次。方案三1 500 mm地连墙盖挖逆作方案，相对于方案一1 500 mm厚地连墙明挖顺作，节省投资4 321万元，占工程总投资约7.5%；相对于方案二1 200 mm地连墙明挖顺作，节省投资3 044万元，占总投资约5.3%。采用盖挖逆作法施工，节省了大量的内支撑，降低了工程投资[4]。

表4为明挖顺作与盖挖逆作两种工法对比。

采用逆作法施工，主要具有如下优点：① 利用结构梁板作为内支撑系统，可最大限度控制变形，安全度高；② 盖挖顶板完成后可以作为施工场地，恢复地下管线和地面交通；③ 以板代撑，节省工程费用；④ 无内支撑，施工速度快；⑤ 逆作采用钢管混凝土柱，抗震性能更优；⑥ 无需大量凿除混凝土支撑，绿色施工，保护环境和自然，与绿色建造发展理念吻合。

通过对盖挖逆作工程全过程监测跟踪实践，总结如下：盖挖逆作，不受气候条件制约，风雨无阻，科学施工组织，施工速度快，工期短；超大超深、形状不规则、环境复杂、地质条件差的基坑工程，采用盖挖逆作工法，明挖混凝土支撑数量越多，经济性和工期越有优势[5]。

表3 地下4层站明挖顺作与盖挖逆作差异工程量及投资对比表

表4 明挖顺作与盖挖逆作两种工法对比表

当然，逆作工法也有一些问题需要克服：① 逆作工程一般采用叠合墙，较明挖顺作结构，侧墙无柔性防水层，防水混凝土需精心施工，应高度重视逆作施工缝，提升混凝土结构自防水质量；② 逆作施工关键技术(如立柱的选型、立柱定位工法、梁柱节点、差异沉降及施工设备)，相对于明挖结构，施工工艺和质量管控要求稍高，需综合工程安全、工期、造价、环境保护、交通疏解及基坑工程的特点，具体问题具体分析，权衡利弊，综合选择。

4 结论

1) 通过以上3个实际工程的对比分析和工程实践，结论如下：地下4层或更深车站，或深度超过30 m地下结构，采用盖挖逆作工法，相对于明挖顺作法，土建投资可节省5.3%～7.5%；地下3层站，或者基坑深度20～30 m结构，盖挖逆作相对于明挖顺作，土建投资可节省2.3%～5.4%；地下2层站或者基坑深度20 m以下的结构，土建投资盖挖与明挖基本接近，逆作稍高。

2) 综合安全、投资、工期、质量等多种因素，地下4层或更深车站，或基坑深度超过30 m结构，地质条件差，环境复杂，安全和经济性要求高，推荐盖挖逆作工法；地下3层站或是基坑深度20～30 m结构，应综合比选逆作法施工；地下2层站，基坑深度小于20 m，一般环境条件下优先采用明挖法施工。