京张高铁清河站地下交通枢纽分体建造工法研究

张海涛， 李兆平， 冯 超， 郑仔弟， 王子元

(1. 北京市市政四建设工程有限责任公司， 北京 100176； 2. 北京交通大学土木建筑工程学院， 北京 100044)

0 引言

在高铁车站站前广场及附近区域，为集约化利用地下空间资源，方便乘客进站以及进入周边的商业和交通设施，往往需要将配套的各种地下设施集中布置[1-3]。由于空间布局受限，这种地下一体化枢纽往往采用上下立体交叉布置形式，导致其结构非常复杂，同时受拆迁、施工手续、图纸拖延等各种因素制约，这些配套设施的建设不可能一步到位。为确保车站按期投入运营，需要将部分和高铁运营密切关联的配套设施率先建成投入运营，这就给配套一体化枢纽结构的施工工序安排带来较大的困难。

近年来，随着地下空间集约化和一体化开发理念的提出，在换乘地铁车站、高铁车站等工程的设计中，设计人员尝试采用将车站与周边地下空间一体化规划设计、分期建造的模式[4-6]。

车站和配套的地下商业及交通设施采用集约化和一体化布置方式，有利于提高空间利用率，方便乘客进出站、购物和休闲，但是这种集中布置的交通枢纽结构也给施工工序安排带来了困难。本文结合京张高铁清河站地下交通枢纽项目的施工，提出一种分体建造工法，详细讨论分体建造工法的具体工序、关键技术问题及解决措施，并对该工法的工期、造价、优缺点及适用性进行分析。

1 工程背景

京张高铁清河火车站地下交通枢纽项目位于站前广场东侧，为整体双层、局部单层的钢筋混凝土框架结构。双层段的负1层为相互独立设置的地下公交通道、地下人行通道及地下连廊接驳段；双层段的负2层为地下商业通道；局部单层段为通往邻近商业设施接驳段。

地下公交车道、地下人行通道平行布置，在出口处与安宁庄主路联通，并与负2层的地下商业通道在空间上垂直交叉。

该地下交通枢纽将地下人行通道、地下公交车道、连通高铁车站的地下连廊通道和连通周围商业设施的地下商业通道等各种配套设施集中交叉布置。地下交通枢纽项目平面布置如图1所示。地下交通枢纽结构布置如图2所示。

图1 地下交通枢纽项目平面布置

(b) 1-1纵剖面

2 地下交通枢纽结构分体建造方案

为了保证冬季奥运测试赛的正常进行，高铁清河火车站需要于2020年1月1日投入运营，位于枢纽负1层的地下人行通道、公交车道和连通高铁车站的地下连廊通道需要和清河火车站同步投入运营，其工期节点为2019年12月30日。由于该枢纽前期的施工图变更较多，且施工占地迟迟不能落实，进场施工时间为2019年9月中旬，再加上受高铁清河站多家施工单位相互干扰等因素的影响，实际有效工期只有3个月。

高铁清河火车站的地下交通枢纽结构原设计采用明挖顺作法，初步测算工期至少需要145 d，这样就无法保证负1层设施与高铁清河站同步投入运营，而传统盖挖逆作或盖挖顺作工期更长。为保证负1层结构按期完工，提出分体建造工法，该工法有别于传统的盖挖逆作[7]或盖挖顺作工法[8]，其工法特点如下：

1)先采用明挖顺作法施工负1层结构，以满足负1层设施和清河站同步投入运营的需求。

2)待负1层结构投入运营后，采用盖挖顺作法施工负2层结构，通往邻近商业设施(威凯地块)接驳段的单层结构采用明挖顺作法施工。

分体建造工法的总体安排如图3所示。

3 分体建造施工步序

3.1 负1层结构施工步序

负1层结构包括地下人行通道、地下公交通道、通往高铁车站的地下连廊通道，采用明挖顺作法施工。在施工负1层结构的同时，完成整个地下枢纽结构的主要竖向承载构件钢管柱的施工。负1层结构施工步序如图4所示。

(a) 负1层及永久柱施工

(b) 负2层及单层段施工

(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： 施作围护桩，围护桩采用φ1 000 mm钻孔灌注桩，并设置合理的嵌固深度。

步序2: 施工钢管柱承载桩，并吊装钢管柱。承载桩采用φ2 000 mm钻孔灌注桩，其中钢管柱范围内采用钢护筒支护。在钢护筒内施作钢管柱，回填细砂；钢管柱采用φ800 mm钢管，壁厚16 mm。钢管柱内浇筑C50自密实微膨胀混凝土。

步序3: 向下开挖至结构顶板位置，施作桩顶冠梁，架设钢支撑。

步序4: 继续向下开挖基坑至中板位置。

步序5： 施工中板及侧墙，并完成交叉部位的人行通道和公交车道结构浇筑，施作结构顶板。

步序6： 拆除桩顶支撑，恢复路面。

3.2 负2层和单层段地下商业通道施工步序

负1层完成后，具备了与高铁车站的同步运营条件，开始负2层的施工。负2层包括地下商业通道(含行人通行功能)，与通向邻近商业设施的地下负1层(单层段)商业通道同期施工。在负2层和单层段施工中，为最大限度降低基坑开挖对负1层结构及钢管柱的影响，充分利用基坑工程的空间效应[9-11]，制定开挖方案。负2层结构施工步序如图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： 施作地下商业通道单层段围护结构。

步序2： 放坡开挖商业通道单层结构基坑至冠梁底面，并架设第1道钢支撑。

步序3： 开挖单层段基坑至图示位置，并架设第2道钢支撑。

步序4： 开挖负2层和单层段基坑剩余土方，并架设第3道钢支撑。

步序5： 施作交叉段负2层商业通道结构和单层段结构，并预留与商业设施的接口。

4 分体建造工法的关键技术问题

4.1 钢管柱施工

本工程的钢管混凝土柱直径为800 mm，壁厚为16 mm，总数为10根，钢管混凝土柱垂直度要求≤H/1 000(H为钢管柱的高度)，且最大不超过8 mm。钢管混凝土柱锚入钻孔灌注桩的混凝土有效长度为3.9 m(不含锥尖)，同时钢管混凝土柱顶在地面以下3.52～5.5 m。为此，采用HPE(hydraulic pressure embed)垂直插入钢管柱进行施工[12-13]。HPE工法如图6所示，其主要工序如下。

1)将HPE液压插入机准确就位、定位，根据HPE液压插入机自身的垂直调校装置调整垂直度。

2)HPE液压插入机定位后，将钢管柱吊起，用HPE液压插入机的液压定位器将钢管柱抱紧，根据二点定位原理，抱紧钢管柱后再复测垂直度。

3)在混凝土初凝前用HPE液压插入机将钢管柱插入到灌注桩混凝土中，直至达到设计标高。

图6 HPE工法简图

HPE插入法具有如下优点：

1)垂直精度高。

2)定位准确，单柱安装施工周期短，大大节约施工工期。

3)避免常规永久性钢管柱安装人工入桩孔内施工作业，降低安全风险。

4)无需埋设外钢套管，降低施工成本。

4.2 明挖+盖挖连接节点的处理

负2层边墙与已浇筑的中板连接部位上存在1道纵向通长的逆作缝，该部位的浇筑密实程度将直接影响结构的受力和防水效果。该连接节点的处理做法如下：

1)中板与负2层侧墙连接部位的施工缝设置成错台型式[14]，对错台部位的混凝土进行凿毛处理，除去浮浆、杂质，露出新鲜的混凝土面。在清除干净的混凝土表面设置嵌缝胶，嵌缝胶涂抹要求均匀、连贯，不得出现起层或脱落现象，以免影响止水效果。嵌缝胶成型后宽度应为15～20 mm，高度为8～10 mm。

2)在错台部位沿施工缝通长埋设注浆管。施工时必须把注浆管与混凝土表面固定牢固。注浆管采用专用扣件固定在施工缝表面结构中线上，固定间距一般控制为40～50 cm，上部施工缝安装注浆管时应对固定扣件进行加密，防止在混凝土浇筑过程中卡口脱落导致注浆管移位，从而影响注浆效果。

3)安装侧墙模板，浇注混凝土时应按照侧墙预留的台阶逐层浇注，充分振捣。错台式施工缝的设置如图7所示。

图7 错台式施工缝的设置(单位： mm)

4.3 负2层钢支撑安装、拆除

负2层钢支撑采用人工就地组装就位的方法，在基坑内拼装成整根。在洞内，钢支撑标准节长为 6 m，并配备有4、2、1、0.5 m的短节，活动端长度为1.5 m。拆除钢支撑时在底板预埋钢板，搭设架子利用吊链进行拆除，下方辅以水平运输车将支撑运至明挖段，最后用吊车将其吊出基坑。单层结构钢支撑安装用吊车辅以安装。

4.4 负2层施工对钢管柱影响的控制

在负2层土方开挖和结构浇筑之前，地下枢纽结构的钢管柱和负1层的地下行人通道、地下公交通道和地下连廊通道均已完成施工，负2层施工对负1层的结构会产生不利影响[15-16]。在负2层基坑开挖和结构施作过程中，钢管柱承受的荷载不断变化，可能会导致钢管柱的竖向或水平变形超过控制值。设计给出的钢管柱最大竖向变形小于10 mm，最大水平变形小于8 mm(小于H×1‰，H为钢管柱高度)。因此，需要研究负2层以及单层明挖段施工对负1层钢管柱变形的影响，下文采用数值模拟方法讨论钢管柱受到的影响及控制措施的实施效果。

5 地下交通枢纽负2层及单层明挖段施工对钢管柱变形影响分析与监测

5.1 数值计算模型

为了研究负2层施工对钢管柱的影响，采用FLAC3D有限差分软件对全施工过程进行模拟。基于结构的实际规模，同时为了避免计算模型的边界效应，确定计算模型尺寸为x×y×z=110 m×75 m×50 m，共划分为626 420个单元，11 049个网格节点。数值计算模型如图8所示。

图8 计算模型

结构和周围地层均采用实体单元模拟，混凝土结构采用弹性本构模型，土体材料采用摩尔-库仑本构模型，支护结构采用线弹性本构模型。

模型初始地应力场仅由土体自重产生。施工前已将水位降至负2层底板以下，故不考虑地下水的影响。模型上表面(地表)为自由边界，下表面为固定约束，左右和前后均为法向约束。土层为各向同性的连续均匀介质，强度准则为Mohr-Coulomb准则。

结构物理力学参数如表1所示， 地层物理力学参数如表2所示。

表1 结构物理力学参数

表2 地层物理力学参数

5.2 模拟开挖支护的工序划分

负2层为地下商业通道(含行人通行功能)，与通向商业设施的地下负1层(单层段)商业通道同期施工。为研究施工阶段钢管柱的变形情况，将整个施工过程划分为3个阶段，并提取相应的计算结果，分别为：

1)开挖支护单层段基坑至-12.1 m位置。在本工程的负2层土方开挖时，如果不同时进行地下商业通道单层段的土方开挖，相当于给钢管柱基础施加了均布超载。在均布超载作用下，钢管柱基础受到水平方向的土压力分布不均衡。为此，在开挖负2层土方的同时，也同步开挖地下商业通道单层段基坑至-12.1 m位置(与双层段负1层持平)。

2)开挖双层段负2层基坑土方。

3)开挖单层段基坑剩余土方至坑底。

5.3 钢管柱变形的数值模拟计算结果分析

5.3.1 模拟计算的监测点

（2）配套设备：表面温度计感温元件为表面热电偶，指示仪表一般应具有热电偶参考端温度自动补偿功能。配套电测仪表，要求符合0.1级及以上技术指标。

分析钢管柱变形时，参照实际监测位置选取4根钢管柱的柱顶中心作为计算取值测点。钢管柱柱顶位移监测点布置示意如图9所示。

图9 钢管柱柱顶位移监测点布置示意图

5.3.2 钢管柱柱顶竖向变形和水平变形

钢管柱柱顶竖向变形曲线如图10所示。钢管柱柱顶水平变形曲线如图11所示。

图10 钢管柱柱顶竖向变形曲线

图11 钢管柱柱顶水平变形曲线

由图10和图11可知：

1)单层段基坑和双层段负2层基坑开挖导致钢管柱出现明显隆起，最大隆起值为1.6 mm；随着单层段和双层段基坑的继续开挖，钢管柱逐渐开始下沉，最大下沉值为1.85 mm；钢管柱无论是隆起还是下沉，其最大值均未超出设计给出的钢管柱最大竖向变形值(10 mm)。

2)施工过程中钢管柱竖向先隆起后沉降，其产生机制是在负1层土方开挖过程中，土方开挖产生卸载效应，导致钢管柱出现竖向隆起变形，负2层土方开挖卸载效应将会导致钢管柱竖向隆起变形持续增大；随着结构施作完成，竖向荷载将主要由钢管柱承担，导致钢管柱出现竖向沉降变形。

3)在基坑开挖过程中，钢管柱最大水平变形为 0.5 mm，远远小于设计给出的钢管柱水平变形允许值。

5.4 钢管柱实际变形监测结果分析

在负2层及单层段施工期间，对钢管柱的竖向和水平变形进行监测，测点布置与数值计算的取值点一致。钢管柱竖向变形实测曲线如图12所示。钢管柱水平变形实测曲线如图13所示。

图12 钢管柱竖向变形实测曲线(2020年)

图13 钢管柱水平变形实测曲线(2020年)

由图12和图13可知：

1)随着单层段和双层段负2层基坑的开挖，钢管柱经历了隆起—下沉的过程，最大隆起值为1.35 mm，最大下沉值为2.37 mm。

2)钢管柱无论是隆起还是下沉，其最大值与数值模拟计算结果基本相符，且均未超出设计给出的钢管柱最大竖向变形值。

3)钢管柱的水平变形最大值为1 mm左右，且随着负1层明挖段的土方开挖，钢管柱的水平变形逐渐减小到0.4 mm左右。

6 工期、造价及实施效果评价

本地下交通枢纽是保证冬奥工程清河火车站能否按期投入运行的节点工程。由于站房施工与周边配套工程同步实施，施工单位之间的运输通道、施工场地相互重叠，施工相互干扰大，给工程施工组织带来了极大的难度和影响。

若采用传统的明挖顺作法施工，预测工期为145 d(其中，围护桩35 d，土方开挖与结构110 d)。采用分体建造工法，上部负1层实际工期81 d(其中，围护结构和承载桩、钢管柱39 d，土方17 d，结构25 d)；下部负2层实际工期105 d(其中，土方开挖60 d，结构施工45 d)。

经测算，造价增加了798万元(其中，永临支柱273万元，负2层土方开挖增加98万元，负2层模板体系增加33万元，人工费增加394万元)。

从总工期和工程造价来分析，本工程采用的分体建造工法不占优势，但是由于负1层施工仅仅81 d就完工交付使用，确保了负1层的各种交通设施能够随着清河站的开通同步投入运营，其间接经济效益无法精确测算。

7 结论与讨论

1)为确保地下交通枢纽的负1层地下人行通道、公交车站、地下连廊通道等设施能够与高铁清河站同步投入运营，提出分体建造方案。该方案的特点是先采用明挖法施工负1层结构，回填后采用盖挖顺作法施工负2层结构。

2)分体建造工法的关键技术问题主要有钢管柱施工、明挖+盖挖连接节点的处理、负2层钢支撑安装与拆除以及负2层施工对钢管柱稳定性影响的控制，并针对上述关键技术问题给出了解决措施。

3)数值模拟和现场实测结果表明，负2层和单层段的施工使负1层钢管柱呈现出先隆起后下沉的竖向变形规律，同时钢管柱也产生一定的水平变形，但是钢管柱的竖向变形和水平变形均远远小于设计允许的变形控制值。

虽然高铁清河站地下枢纽建设所采用的分体建造工法在工期和造价方面不占优势，但是对于施工环境条件复杂、施工干扰大、部分配套设施需要与车站同步投入运营的交通枢纽，本工程采用分体建造工法具有较好的适用性。