（岩土工程专业论文）地铁车站明盖挖结合施工基坑稳定性研究.pdf

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优化。得到的主要结论如下： ( 1 ) 分析各种修建方法的特点，比较得出其不足：明挖法施工投入人力多、 影响环境；盖挖法成本较高、结构上部荷载及支撑体系的复杂性导致其对地面沉 降和结构本身变形不易控制；而暗挖法受地质条件约束较大，施工速度缓慢。针 对这些不足提出了明盖挖结合的修建方法。该法投资成本较低，速度适中，机械 化程度好，可以有效满足周边环境与交通的需要。 ( 2 ) 对明盖挖结合车站基坑支撑体系参数影响性进行研究，得出影响性规律： 桩体水平位移受支撑道数、末道支撑位置、架设时间、预加应力的影响；桩顶位 移受首道支撑位置、预加应力大小的影响；桩内力受支撑道数、末道支撑位置、 架设时间、预加应力的影响；地表沉降主要受支撑道数的影响。运用这些规律对 丰台北路站基坑工程的支撑体系参数进行了优化，并对新旧方案的计算结果对比， 从而得出了优化的可行性。 ( 3 ) 阐述了明盖挖结合修建地铁车站开挖的施工方法，并利用有限元计算手 段分析了土方开挖对基坑结构的影响性，并将计算值与先期实测数据进行对比， 证明了计算的正确性，使模拟计算对实际工程的进展有一定的指导价值。 关键词：地铁车站；明挖法：盖挖法；支撑体系；优化 分类号： o p u m i z e d t h e s el a w s ，a n dc o m p a r e dt h er e s u l t so fo l dp r o j e c ta n dn c wp r o j e c tp r o g r a m st o a r r i v ea tt h ef e a s i b i l i t yo ft h eo p t i m i z a t i o n ( 3 ) t h i sp a p e rd e s c r i b e dh o wt o u s et h ec o m b i n a t i o no fo p e n - c u ta n dc o v e r - d i g m e t h o dt ob u i l dt h em e t r os t a t i o na n da n a l y s e dt h ei n f l u e n c eo ft h ef o u n d a t o nc a u s e db y e x c a v a t i o nw i t hf i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d c o m p a r e dt h ec a l c u l a t e dv a l u ew i t ht h e m e a s u r e dd a t a ，i tp r o v e dt h ec o r r e c t n e s so ft h ec a l c u l a t i o na n dt h es i m u l a t e dc a l c u l a t i o n g a v et h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gm o r eg u i d i n gv a l u e k e y 、o r d s ：s u b w a ys t a t i o n ；o p e n - c u tm e t h o d ；c o v e r - d i gm e t h o d ；s u p p o r t i n gs y s t e m ； o p t i m i z i n g c l a s s n 0 ： h-oo-p j l l 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 明挖法国内外研究现状2 1 2 2 盖挖法国内外研究现状4 1 2 3 暗挖法国内外研究现状6 1 2 4 支撑体系研究现状6 1 3 研究内容8 1 4 研究意义9 2 复杂环境地铁车站修建方法比选1 l 2 1 工程概况1 1 2 1 1 工程内容1 l 2 1 2 工程水文地质情况1 1 2 1 3 周边环境状况1 4 2 1 4 地下管线情况1 4 2 2 修建方法选择1 6 2 2 1 不同修建方法的特点1 6 2 2 2 修建方法比对2 l 2 2 3 修建方法的选取2 2 2 3 围护结构的设计内容及施工工艺2 4 2 3 1 围护结构设计要求2 4 2 3 2 基坑围护结构选型2 5 2 3 3 围护结构施工工艺2 6 2 4 车站铺盖体系主体结构概述3 5 2 4 1 主体结构设计概况3 5 2 5 2 主体结构施工方法3 8 2 5 小结3 9 3 明盖挖结合车站基坑支撑体系优化4 1 3 1 支撑体系参数研究概述4 l i x 北京交通大学硕士学位论文 3 2 支撑体系参数对基坑稳定性的影响研究4 2 3 2 1 支撑道数的影响4 2 3 2 2 支撑位置的影响4 5 3 2 3 支撑水平间距的影响4 9 3 2 4 支撑刚度的影响5 1 3 2 5 支撑预加轴力的影响5 4 3 2 6 支撑架设与开挖先后顺序的影响5 7 3 2 7 支撑体系影响因素综合评定5 8 3 3 支撑体系参数优化及工程应用5 8 3 3 1 优化原则5 9 3 3 2 优化步骤5 9 3 3 3 工程应用6 l 3 4 小结6 9 4 土方施工对基坑稳定性的影响研究7 1 4 1 土方开挖方法7 l 4 1 1 概述7 1 4 1 2 土方开挖施工顺序7 2 4 1 3 土方开挖施工方法7 6 4 1 4 土方回填7 8 4 2 土方施工对基坑稳定性的影响7 9 4 2 1m i d a s 数值计算软件简介7 9 4 2 2 模型建立及地层参数的选取8 0 4 2 3 施工步序8 1 4 2 4 结果分析8 1 4 3 监控量测结果分析8 5 4 3 1 监测方案8 5 4 3 2 结果分析及比对8 7 4 4 南端深基坑倒撑施工8 9 4 4 1 盾构出入口处基坑支护概述8 9 4 4 2 解决方法9 1 4 5 小结9 3 5 结论与展望；9 5 5 1 结论9 5 5 2 工作展望9 7 i - i l 目录 参考文献9 9 作者简历1 0 1 独创性声明1 0 3 学位论文数据集1 0 5 一j1 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 二十一世纪将是地下空间大发展的时代。综观当今世界，有识之士己把地下 空间的发展和利用作为解决城市资源与环境危机的重要措施，是实现可持续发展 的重要途径。以地铁为例，1 8 6 3 年，世界最早的地铁一伦敦“大都市铁道”开通 以来，现在全世界已有4 0 多个国家的8 0 多座城市修建了地下铁道，运营线路长度 超过l o o k m 的有1 4 座城市，拟建或在建地铁的城市有3 0 多个，尤其是伦敦、纽约和 巴黎等城市，虽然已建成几百公里的地下铁道，但随着城市的发展，还在不断地 扩建。我国的上海、广州、南京、深圳、北京等城市已经修建了地铁或正准备修 建。地铁己经成为大城市地下交通的基本形式，不但充分地利用了地下空间，还 很好地解决了城市的交通问题。同时，地铁已经成为人民生活中不可或缺的交通 工具。 地铁车站设计施工的方法不仅要满足地铁工程本身的使用功能要求以及合理 开发利用地上、地下有效空间，而且要考虑由于施工给周围环境带来的不良影响。 施工方法的选择对线路埋深、结构形式、工期及土建工程造价等影响很大。 地铁车站是地下铁道中一个很重要的部分，联系着地面与地下的交通，其施 工方法主要分为明挖法、暗挖法和盖挖法。据日本1 9 9 1 年的统计，在城市地铁车 站工程中，暗挖法的比例占2 6 1 、盖挖法占5 0 9 、明挖法占2 3 。 明挖法因其施工方便、施工速度快、施工质量容易保证和管线改移少时造价 较低等优点，广泛被各国地铁修建所采用，成为地铁车站设计的首选方案。 地铁车站一般占据城市道路，若采用明挖顺作法施工，则会对周边交通带来 巨大的压力；而传统逆作法施工虽然可以缩短占用道路的时间，但在施工最初阶 段还是需要占用相当干整个基坑宽度的道路，依然无法彻底解决交通问题。 使用明盖结合修建方法，不仅解决了明挖法和传统的盖挖法存地铁车站施工 中带来的交通和环境问题，而且也使铺盖板等临时构件标准化，降低临时构件及 施工造价，可以带动标准化地铁车站的结构设计、建筑布置设计以及地铁车站安 全施工技术的发展，同时可以解决地下管线的标准化临时保护等问题。 1 2 国内外研究现状 北京交通人学硕士学位论文 1 2 1 明挖法国内外研究现状 我国早期地铁车站型式主要以北京地铁一、二期工程为代表，车站浅埋明挖， 车站型式主要为单层三跨岛式车站，局部为两层( 上层为站厅) ，设备管理用房处 于地下。 2 0 世纪7 0 年代天津地铁1 号线全线采用浅埋明挖型式，车站为单层多跨框架 结构，区间隧道为明挖双跨矩形框架结构，设备管理用房设于地面。 2 0 世纪8 0 年代上海地铁开始修建，车站型式以双层三跨岛式为主，地下一层 为站厅层，二层为站台层，覆土1 m 3 m ，明挖法施工。 明挖法修建地铁车站的应用最多，根据埋深的不同可分为单层明挖车站、一 层半明挖车站、双层明挖车站以及三层以上明挖车站幢1 。 选择以上车站型式的基本前提条件是：在车站施工期间，采取一定措旌后， 对地面交通、地下管线、地上、地下建构筑物的影响，都必须在允许范围之内。 ( 1 ) 单层明挖车站 一般适用于线路埋深较浅的车站，如线路由地下转人地面高架或进人地面车 辆段之前的车站。单层车站一般采用侧式站台，站厅、站台位于同一层，设备管 理用房设于侧面也可设于地面。此种型式车站规模小，投资少，但使用和管理稍 有不便。 如广州地铁2 号线琶洲站( 如图i - i ) 、磨碟沙站、新港东站等均采用此种车站 型式。 图i - i 广州地铁2 号线琶洲站 ( 2 ) 一层半明挖车站 也称“端进式车站”，两端为双层，上层为站厅。这种车站型式简单，车站 埋深较浅，施工方便，规模小，投资少，但使用和管理略有不便。多见于早期修 建的地铁车站，如北京地铁一期工程的部分车站，如图卜2 所示。 2 绪论 图1 - 2 端进式车站 ( 3 ) 双层明挖车站 这种型式的车站覆土为2 m 一3 m ，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，客 流组织顺畅，运营管理方便，但规模大，投资高。 根据设备管理用房集中布设位置的不同，双层车站分为顺长布置型式车站、 外挂型式车站。 顺长布置型式车站 设备管理用房布置在车站两端，地下一层中部为站厅，地下二层中部为站台。 上海、北京、广州等城市地铁过去较多采用此种车站型式。如图卜3 所示。 图卜3 顺长布置型式车站 外挂型式车站 在车站外部环境条件允许情况下，将车站端部或中部外扩用来集中布置设备 及管理用房，使之更加紧凑合理，管理更方便，如图1 - 4 所示( 端部外挂平面) 。 图1 - 4 外挂型式车站 一般情况下，这种布置方式能够提高面积使用率，缩小车站规模。尤其对于 中部外挂形式，将通常设置于车站两端的供配电、环控等系统用房合并集中设置， 3 北京交通大学硕士学位论文 可以减少设备用房面积。 ( 4 ) 三层以上明挖型式车站 这种型式的车站一般是受区问埋深影响所致。或是区间地质条件差受工法影 响埋深较大，或是靠近车站处有控制区间埋深的管线影响等。一般地下一层为站 厅层，地下二层为设备层，地下三层为站台层。 这种型式车站的使用功能、运营管理、造价等都不太理想，一般在特定情况 下选择使用。 1 2 2 盖挖法国内外研究现状 盖挖法起源于1 9 5 1 年加拿大多伦多的地铁工程；在2 0 世纪6 0 年代西班牙马 德里市的隧道施工应用中，成功解决了施工与交通的矛盾，随后在很多城市的隧 道建设中被采用口1 。也有人称盖挖法为“布鲁塞尔法，是因为这一方法曾用来修 建布鲁塞尔地铁米蒂车站，并曾用在意大利米兰的地铁工程中。 目前国外发达国家对于环境保护的要求越来越高，并且针对施工造成交通影 响的限制也越来越严格，市中心区域地铁车站采用明挖法旅工已越来越少，很多 城市的地下工程、地铁、隧道的建设中都采用了盖挖法施工，尤其以日本的盖挖 法施工技术最为成熟。目前日本城市中心区域的地铁车站大多采用盖挖法。车站 一般采用型钢支撑体系，应用统一规格的预制路面盖板，社会车辆直接行驶在盖 板上，施工也都在路面盖板上进行，只需用简单的围档与交通分隔，对交通的影 响非常小。地下管线悬吊在路面盖板下方，节约了管线搬迁的费用。型钢支撑体 系、路面盖板体系均可重复利用，已经成为成套产品。 国内的盖挖法是2 0 世纪8 0 年代中期，由哈尔滨人防系统创造性发展起来的。 哈尔滨秋林街地下通道、奋斗路地下商业街都是盖挖法成功应用的范例。长春、 延吉、石家庄等地也在8 0 年代末先后成功应用盖挖法修建了一大批地下防空工程 和地下商场。 9 0 年代初期，我国城市建设的发展，使地下空间的有效利用成为重要课题。 在毗邻原建筑物的地下商城和地下停车场的建设中，盖挖法再次受到重视并由地 下工程领域逐渐延伸到高层建筑施工的深基坑支护领域，并得到了迅速发展。后 来在工业与民用建筑领域内，盖挖法也常常被不确切地通称为逆作法。 北京市市政总公司和北京市的设计单位合作，在9 0 年代初成功地应用盖挖法 修建了前门4 号、7 号人行地下通道和地铁复一八线永安里车站，把北京地区盖挖 法施工技术推进到了一个新阶段。 北京复八线的天安门东站、永安里车站、大北窑车站3 座车站均采用柱下梁 4 绪论 式基础盖挖逆作法施工h 1 。先暗挖施工车站围护结构的梁式基础，再施工顶板并作 为盖挖段的路面板，恢复交通后再在顶板下进行逆作施工。由于还是需要占用相 当于整个基坑宽度的道路交通，其施工方法与传统逆作法更为类似，并非真正意 义的盖挖法。 9 0 年代中、后期，随着北京、上海、广州、深圳等市大规模地铁建设的兴起， 适于在闹市区浅地层中进行施工的盖挖法得到了大规模的应用。北京地铁复一八 线共有3 座车站采用了盖挖逆作法施i ：天安门东站为第四纪土层中的三跨二柱三 层框架结构，车站主体结构长2 1 8 3 m ，高巧3 5 m ，宽2 2 2 m ，顶部覆土厚l m 1 8 m ， 采用了盖挖逆作法施工。永安里车站为三层框架结构，其主体长2 3 5 4 m ，高1 5 3 0 i n ， 宽2 0 3 0 m ，顶部覆土厚0 6 m 1 0 r i l ，采用了以钻孔灌注桩作为围护结构的盖挖逆 作法施工。考虑到该地区交通流量过大，在顶板施工过程中，分两次进行路面围 挡，整个车站顶板分为两端和中段两次浇筑完成。大北窑车站则是北京地区盖挖 逆作法和地下连续墙防渗帷幕工法成功结合的实例。在该车站的建设中，成功应 用了地下连续墙防渗帷幕工法和十字桩基钢管混凝土柱等先进技术。 广州2 号线晓港站、江南新村站，深圳地铁华强路站、科学馆站均采用了盖 挖法施工临1 。施工中做到了只占用车站基坑一半宽度的路面。但与日本盖挖法有所 不同，基坑支撑依然采用混凝土或者钢管支撑，临时路面体系一般采用六四式加 强军用梁上放置工字钢，然后在工字钢上铺设钢板或混凝土预制盖板，再铺设沥 青混凝土路面。 上海地铁工程所处地层基本为饱和含水流塑或软塑粘土层，抗剪强度低，含 水量高达4 0 9 6 以上，高压缩性，具有较大的流变性。地铁线路穿越市中心区，街道 狭窄，最窄处仅有2 0 m 左右，大多与车站外宽接近。街道两旁建筑密集，街道下 方管道密布，多数车站靠近重要建筑和公用设施。特级环境保护要求使得上述车 站均采用地下连续墙为施工围护并为车站永久性侧墙的部分或全部。为缩短重要 路段对城市交通的干扰，淮海路、南京路路段上的车站成功地采用了逆作法施工。 例如地铁2 号线河南中路车站施工期间伸1 ，应用了树根桩、地基托换、对撑温升应 力调整等成套技术，并注意作到了根据时空效应，采用顺筑、逆作结合的工法， 合理组织、抽条施工，取得了在饱和软土地层中采用盖挖法成功修建大型地铁车 站的良好成果。上海市轨道交通徐家汇枢纽改造工程中采用盖挖加层技术。作为 传统盖挖法的延伸和拓展，利用既有地下室顶板作为天然盖板进行盖挖加层的施 工方法，有效地避免了城市中心区域施工中非常棘手的管线搬迁和对地面交通影 响等问题，同时兼具施工方便和安全性高的特点。 进入2 1 世纪以后，国内各大城市规划并兴建地铁，如郑州、江苏、武汉等地。 而盖挖法施工技术作为一种新兴的实用性强的技术手段被广泛考虑，并在技术工 5 北京交通人学硕士学位论文 作者的不断研究探索中有了新的发展。 1 2 3 暗挖法国内外研究现状 暗挖法指的是一次或者分步开挖土体，采用钢拱架加喷射混凝土作为洞室的 临时支护，然后再施作二次衬砌，两者共同承受永久荷载仃1 。该法工艺简单，灵活， 无需大型设备，施工时对道路交通基本无干扰，但工程造价相对较高。当位于交 通繁忙、建筑密集、场地狭窄地区，没有明挖和盖挖条件时，不得已才采用暗挖 法旌工。对于通过繁忙交通地段和其上方有重要管线无法拆改的风道及出入口信 道，亦可采用暗挖法施工。 采用浅埋暗挖法修建地铁车站，其基本作业程序包括地层预加固和预支护， 土石开挖，施作初期支护、防水板铺设及二次衬砌，监控量测指导设计与施工等， 车站的结构断面型式一般比区间隧道复杂，断面尺寸比区间隧道大，地表沉降控 制技术比区间隧道难度更大。因此，地铁车站采用浅埋暗挖法施工的关键环节是 选择开挖支护顺序，保证施工安全和减少地表沉降。 暗挖法在地面铁路和公路、水工的隧道中广泛应用，但在我国早期地铁建设 中应用较少。1 9 8 4 年北京复兴门地铁折返线工程，采用铁道部隧道工程局提出的 浅埋暗挖法进行施工，在保证地面交通正常进行的条件下获得成功，为我国在市 区不影响居民生活和交通创造了一条新路。 西单地铁车站采用铁道部十六局和铁三院提出的“双眼镜法进行施工，是 我国暗挖施工技术的又一突破碡1 。由于施工方案合理，使大跨度的西单地铁车站在 不影响地面交通的条件下获得成功，创造了在松散地层中采用暗挖法修建地铁车 站的新纪录。暗挖法在北京的复八线隧道及王府井、东单等地铁车站及广州市部 分地铁区间隧道得到推广应用。目前已完成和在施工的北京地铁浅埋暗挖车站共 计1 9 座，局部浅埋暗挖( 明暗结合) 车站共计1 8 座，浅埋暗挖双洞区间共计约4 4 k m 。 浅埋暗挖法是近1 0 多年来发展起来的一种新方法，根据新奥法的基本原理，浅 埋暗挖法以“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测 作为施工的 控制要点拇1 。该法的核心是利用围岩支护隧道使围岩本身形成支承环，并且采用多 种辅助施工工法，施行超前支护，从而调动部分围岩的自承能力，以确保在旌工过 程中以及建成运营后，地表和地中的下沉量小于邻近建筑结构和管线所规定的限 值。该方法已在城市地下工程中广泛应用。 1 2 4 支撑体系研究现状 6 绪论 任何一个工程方面的课题发展都是理论与实践密切结合并不断相互促进的成 果。基坑工程的发展往往是一种新支护型式的出现带动新的分析方法的产生，并 遵循实践、认识、再实践再认识的规律，而走向成熟。 在当前的基坑工程设计中，一直有一对矛盾困扰着人们，即经济性和安全性。 由于目前尚缺乏可靠的设计理论和支护方案优选方法，实际工程中有时为了安全 性，支护选型和设计极为保守，这样就不得不加大投资，造成不必要的浪费；另 一方面有时为了片面追求经济性，而降低了基坑的稳定性、变形控制和设计安全 方面的要求，而造成工程事故，导致了更大的经济损失。如2 0 0 8 年1 1 月发生的 杭州地铁地面塌陷重大事故n 0 1 ，究其原因有很多，最为主要的一点就是支撑体系设 计不符合该地区地质条件。基坑应该先支撑后开挖，并把握好支撑的细节，基坑 的变形要求在受控的状态内，并且对地下的情况有足够的了解才能进行施工。解 决这一矛盾的合理途径就是要研究深基坑工程的优化设计。 在基坑支护设计方面，土压力的计算与分布，支撑的刚度与设置，基坑开挖 的时空效应、振动对支护结构的影响等尚待研究与完善。因此，仅依靠理论分析 ， 和经验估计难以完全把握在复杂条件下的基坑开挖变形规律。另外，支护系统的 变形预报，基坑实时监测与信息化施工对确保基坑支护系统的正常工作状态十分 重要。 支撑体系是深基坑工程的重要组成部分，其设计好坏直接影响到工程的安全 性与经济性。怎样在保证基坑及周围环境安全的前提下，使工程造价最低，就成 为目前一个急待解决的课题，许多学者就此问题进行了不断的探索。 ? ， g o l d b e r g 通过研究指出减小支撑的水平间距和竖直间距可以大大增大支撑体 系的刚度，并指出密排的水平支撑提供了和密排的竖向支撑相同重要的支撑刚度 1 。支撑体系的刚度还受到支撑自身刚度的影响，而支撑自身刚度决定于支撑所用 钢的型号、横截面积和截面形状等。 c l o u g h 和0 7 r o u r k e 通过有限元计算指出支撑的自身刚度对支撑体系整体刚 度的影响不大，约占2 0 n 刳。支撑的水平间距和竖向间距对支撑的整体刚度影响较 大。 m a n a 和c l o u g h 利用有限元分析了支撑预加应力对基坑变形的影响，计算结果 表明给支撑旌加预加应力可以有效减少基坑支护结构的变形 1 3 o 但预加应力的大小 应在一定的范围之内。恰当的施加预应力可以减少基坑的变形，过大的预加应力 则会起到相反的作用。我国的深基坑设计中，预加应力的大小一般取设计轴力的 7 5 左右。 国内不少专家学者针对基坑工程理论现状，也相继提出了各自的新理论与新 方法，如我国较早对土钉支护进行原位试验和分析的是山西太原煤矿设计院的王 7 北京交通大学硕士学位论文 步云等人，提出了土钉设计王步云法n 4 1 。他们根据黄土类边坡土钉墙试验结果得出 了黄土类边坡土钉墙土压力分布规律、墙体破坏形式和设计计算方法等。 崔自治应用杆系有限元法分析研究了深基坑支撑结构的刚度、位置、道数和 支撑预应力等对支护桩的位移和内力的影响，该研究为合理地进行支撑结构设计 和施工提供了理论依据n 引。 李云安等对影响基坑变形的各因素进行了有限元数值模拟分析，指出锚杆的 布置形式及锚杆预应力的大小对基坑的变形影响较大n 日。 俞建霖等人通过数值计算对影响围护结构水平位移的影响因素进行了分析， 指出增大围护结构的刚度、支撑刚度、压顶梁和围擦刚度、减小支撑的水平间距 可以有效的减小围护结构的水平位移，但其作用随着刚度的增大逐渐减弱n 。 李红霞以天津地铁l 号线小白楼站的基坑设计为例，提出从围护结构及撑锚 刚度，内支撑和锚杆的竖向间距，对支撑施加预应力，支护墙体嵌固深度及施工 工序等方面控制基坑和周围地层的变形n 引。 侯新宇等利用有限元数值模拟方法对单支撑基坑中支撑刚度大小、支撑位置 的选择、支撑施加预应力、围护墙刚度等进行了分析，得出了合理、正确的支护 结构设计参数n 9 1 。 还有其它学者提出的人工神经网络预测支护系统变形理论，有限元分析理论 等。一些传统的设计方法是设计者凭个人经验进行手工设计，因为深基坑工程是 一个很复杂的系统，影响因素众多，因素间又相互影响和约束，所以用手工设计 很难达到既安全又经济的设计效果。 总结以上文献成果可以得知，在支撑的竖向间距、支撑刚度、支撑预加应力、 支撑设置道数，立柱位移等对支撑体系的整体刚度、支护结构的内力等的影响方 面很多学者己经做了深入的研究，而对于我们更加关注的基坑变形与支撑体系各 参数( 包括支撑的刚度、竖向间距、预加应力、水平间距、平面布置形式、支撑的 时间效应等) 的关系问题的研究尚少。 1 3 研究内容 本文以北京市地铁九号线丰台北路站为工程依托，采用理论分析及有限元模 拟等研究手段，分析北京地区地铁车站基坑工程中修建方法的选取、支撑体系的 变形规律和受力特征，分析了主体工程开挖方法，为车站基坑工程设计与施工方 法的确定提供参考。另外，目前国内外采用装配式铺盖法与明挖技术相结合修建 地铁车站的实例较少，本文从设计到施工综合分析了明盖挖结合法的适用性，提 出了多种新技术、新工艺，这也为今后同类工程的开展提供了良好基础。本文的 8 绪论 主要研究内容如下： ( 1 ) 收集该工程的水文地质条件、车站附近地面建筑物分布情况、地下管线 情况、支护体系设计方案、开挖设计方案、施工组织设计方案等相关资料； ( 2 ) 阐述地铁车站修建中不同方法的特点，进行方法的比对，并结合实际进 行修建方法的优选，阐述明盖挖结合修建地铁车站方法的可实施性： ( 3 ) 支撑体系设计原理分析。利用有限元法对地铁车站基坑支撑体系的各参 数进行分析，明确了决定深基坑开挖支护结构问题的因素，分析深基坑稳定性和 变形规律的影响因素，对比各种工况的桩体位移、纵向位移和沉降量及应力得出 影响因素与变形规律的关系，完善基坑工程信息化施工； ( 4 ) 根据得出的影响规律，对丰北路站基坑工程原设计支撑体系进行优化， 并对新、旧方案进行综合比对，提出合理化建议； ( 5 ) 分析基坑土方施工对支撑体系及周边环境的影响，优化土方开挖方案， 利用有限元法对各种开挖方法进行数值计算、计算结果与实测数据比对，给出较 合理的土方开挖建议。 1 4 研究意义 在我国城市地下铁车站施工中，大多采用盖挖法或明挖法和矿山法施工。在 采用明挖法时，扬尘问题严重，影响环境，影响交通。采用盖挖法施工时，因无 标准的临时路面铺盖构件，以军便梁和临时钢板代替。无军便梁的施工企业均专 门制造，不仅增加了投资，而且使用不便。相对于装配式铺盖法而言，我国现今 采用的盖挖法需要大量的临时支撑，这些临时支撑的制造及使用很不规范，而且， 设计计算方法以及支撑的结构形式有许多不合理之处，过于安全，浪费了材料， 增加了施工费用。如何合理的降低临时支撑的浪费，把临时支撑规范化，标准化， 充分的再利用，并研究其信息化施工的方法是当前重要的课题。 路面的铺盖板，是从开始开挖到施工完成，长期使用而且必须保证路面交通 及其他使用条件，并要求铺盖作业尽可能短时间完成。特别是车辆通过盖板时的 振动及环境弊害( 噪音) ，应尽可能小才能满足原来道路的要求。所以尽可能简单 的、容易拼装及施工的、轻量且强度高、容易维修、容易重复使用的盖板是极为 重要的。 另外，在修建地铁车站时，布设在城市地下中浅部的地下管线的临时保护， 也成为重要的难题。为了快速安全施工，研究成套的地下管线吊装、保护方法及 配套机具，也是当今极为重要的和紧迫的课题。 明盖挖结合法可以说是明挖法和盖挖法的发展。盖挖段以标准的铺盖板铺设 9 北京交通人学硕士学位论文 路面( 临时路面) ，维持地面交通畅通，然后凭借各种标准临时支撑及支护，保证 围岩稳定，并用标准地下构筑物( 管线) 保护构件保护管线，向下进行开挖施工。 盖挖法已在国外，特别是日本和我国的台湾得到了广泛的应用。使用明盖挖结合 法，不仅能解决前述的地铁车站施工中的交通环境，使铺盖板及临时构件标准化， 降低临时构件及施工造价，而且可以带动标准化的地铁车站的结构设计、建筑布 置设计以及地铁车站安全施工技术，同时可以解决地下管线的标准化临时保护等 问题。 综上所述，我们认为有必要针对北京的工程地质与水文地质条件，结合目前 的建设形势，对明盖挖结合法进行系统的综合研究。特别是合理的设计方法以及 施工过程中的各个方面及环节进行全面、系统的研究。在原有明挖法和盖挖法的 基础上，研究并应用新的设计及旋工方法，形成一整套适于北京地层条件的，满 足环境要求并且价格合理、标准构件容易再使用、方便快速施工的设计施工成套 技术。也可以通过此研究，解决车站设备和管理用房面积过大，布置不够紧凑导 致车站规模较大等问题。 本课题结合北京地铁九号线丰台北路站的设计与施工，将对新型的修建方法 施工技术一明盖挖结合法做深入的探讨与研究。 本文的完成将对确定明盖挖结合法修建地铁车站的支护方案、合理安排开挖 顺序、周边建筑物及地下管线的保护等，有一定的指导意义。同时，也可以为今 后的同类地铁车站的设计与施工提供参考。 l o 图2 - 1 丰台北路站平面位置图 2 1 2 工程水文地质情况 本车站的土层分布较为稳定，自上而下依次为人工填土、新近沉积土层、第 四纪晚更新世冲洪积地层，其中人工填土普遍厚度o 2 2 8 m ，新近沉积土层普遍 厚度2 5 - - - 6 9 m 。具体场地内地层土质分布如下： l l 北京交通大学硕士学位论文 人工填土层： 粉土填土层：黄色黄褐色，稍密中密，湿，含砖渣、灰渣，局部为耕 植土；杂填土l 层：杂色，稍密中密，湿，含砖快、石块等。该层层底标高为 3 9 6 0 4 7 2 3 m 。 新近沉积层： 粉土层：黄褐色褐黄色，中密，湿，含云母、砂砾，局部含有机质：粉 质粘土1 层：黄褐色褐黄色，可塑，含云母、氧化铁、有机质、砂砾；粉细砂 3 层：黄褐色，松散中密，含云母、氧化铁；中粗砂4 层：黄褐色，湿，含 云母、氧化铁、氧化铁、砂砾；圆砾5 层：杂色，中密，一般粒径7 - - - 5 0 r a m 。该 层层底标高为3 6 6 2 , - - , 4 1 5 0 m 。 第四纪晚更新世冲洪积层： 圆砾卵石层：杂色，密实，湿，一般粒径2 0 - - 一8 0 m m ；中粗砂l 层：褐黄 色，密实，湿，含云母、氧化铁、少量砾石；粉细砂2 层：褐黄色，中密密 实，湿，含云母、氧化铁；粉土3 层：褐黄色，密实，中压缩性土。层底高程 2 5 6 2 3 3 2 0 m 。 卵石层：杂色，密实，湿饱和，一般粒径3 0 - - 8 0 r a m ；中粗砂l 层：褐 黄色，密实，湿饱和，含少量砾石；粉细砂2 层：褐黄色，密实，湿饱和， 含少量砾石。层底高程1 5 1 6 - - - 2 0 8 2 m 。 卵石层：杂色，密实，饱和，一般粒径3 0 - 一8 0 m m ，亚圆形，中粗砂填充； 粉细砂2 层：褐黄色，密实，饱和，含个别砂砾。该层层底标高为1 0 9 4 - 1 3 9 5 m 。 第四纪晚更新世冲洪积层主要包括圆砾卵石层、卵石层及卵石层。根 据人工探井资料，本场地存在粒径大于2 0 0 m m 的漂石，其分布随机性较强，漂石 最大粒径不小于6 5 0 m m 。卵石层砾石颗粒最大天然抗压强度达到18 6 3 m p a ，卵 石层砾石颗粒最大天然抗压强度达到14 5 7 m p a ，漂石含量为15 - - 4 5 。中间 桩及钻孔灌注桩尖进入砂土及碎石土的深度较大，由于受卵石粒径大、强度高等 的影响，钻孔灌注桩及土钉墙成孔较为困难，易产生塌孔、扩径等问题，施工时 应充分考虑其影响选择经济合理的施工工艺。 地质断面、剖面图如图2 2 、2 3 所示。 1 2 复杂环境地铁车站修建方法比选 f 磊mr o卑- 一 m 1 l 一一一拦一一 = 一麟j 商捌 一 吕= 鬻 一一1 一一二j 吕趔髓一、h p r 一、m ( 昏+ 一 一， 一，国一j ： j t ：墙赋器。：， 刚_ 一 1 十一： 一了_ t 普俨 ：1 嚣 i ，= t r 一、- 下 ：艘一蔓；一趟! ： _ _ j = 皑= 一二二i 三 帏。o9 。 ! 一瞎躲帮“ - 一盘。 埘 遥l 一 敞 r - ， ljj 。i 一躺o 蝴。a t 一 i ， 瓣瓣? ? j ： 挲：。：。0 一一一 i 。l lf 一一u 一一 爸 口 u【p i 【l 蛳。 q oig 幽 h 制 田 “ 拦 三一 矗由 l 图2 2 地质断面图嚏 文钵犬 里并酩仡。势共。 8 覃 4 6 7 71 67 6 b 7 l 47 o2 以国 (，p r 心，d、j 11 ：。：。：i ：娃嚣! ：薹兰鲞# 芦眵s 筘誊臣；舅x 砩；j 够势攀簿魁j 岭啜t ，：y i：，圆一砂土1：j 芬嘁w ： ： ，r 1 b ；毒叠：? 丞二；菇：三麓寂蓓i o i ；二j 童；瞎：矗： i 占i 葑i 。j 。：。：，：ij 。 强：_ ： - 4 09 6 蘸 _ 二_ r f l 。 3 9 7 7 。 i 一中掘砂。4 0 3 4 。l3 9 7 9 。j 4 1 i 3 。f o 0 1 。1 ：7 。x 。9 。l 。j 。t 。 p 。 一奔石t 最大控径不小平4 2 0 r a m 一艇牧径2 0 7 0 t - 敦径太。o 。予2 0 a m 一腔禽量妁为簋质量5 0 8 0 重曩形，中霍砂竞蕊。 口。 2 9 5 5 。 ： 。 ：。4 。6 。o 。f 。4 。4 1 。4 。l3 0 7 t 4 。3 0 8 9 1 2 9 2 9 f 。：j ：。? 1 5 3 i ? i 1 。；。一l 一。2 9 3 19 。9 ：1 | 匡 2 9 2 7 。 洲o o：9 。f 。1 。一。：b 接鬃节矗。一 零：0 簟石较密实，曩大较径妁6 5 0 一艘粒径3 0 8 0 u 杖径。 ：拦王 地下水位垃。o 。o 。夫子2 0 - 鞭控含量纷为且质量昀6 d 7 0 ，亚霸形t 中粗砂充填。e o o o 。0 v 2 0 8 s 。：，。：。一4 i 。一。9 。o j 。4 。 。9 。 1 广1 j o ! u 。需9 。l2 0 9 9 4 。42 0 5 3 。f2 1 o t 。2 0 8 9 1 9 2 7 。1 9 2 6 ：匕。：固卜鼻石毫爱量人垃径不十予6 5 d 一般敏轻3 0 b o n 。 ：太子2 0 曩辍辨占尊震盎曲6 0 7 0 薯，蔓蠢蓐，中艇砂充填： 。o 。o 。 。_ 。l 。0 4 。 髓孔号四日团四日固回e 口【f 8 ：事置】妇日团四圈四日疆四日口 图2 3 地质剖面图 场区范围内地下水类型主要为潜水，主要含水层为卵石层，该层地下水以 大气降水入渗补给方式为主，主要以人工开采方式排泄，水位埋深2 5 7 0 - 2 8 3 0 m ， 水位标高为1 9 0 3 - - 2 1 7 9 m ，。 十四号线与九号线换乘节点基坑深2 6 5 2 m ，基底标高2 0 0 8 m ，进入潜水1 o m ， 主要含水层为卵石层。施工时需考虑局部降水。 在基坑西侧，华堂商场周围有水源热泵系统使用的2 个回灌井，5 个抽水井， 回灌井距车站较近、水位较高，在地面以下9 m 左右，主体基坑边缘水位仍在基底 标高以上4 6 m 。车站施工过程中，回灌井内的水会向车站基坑内径流，同时降水 也会对回灌井和抽水井使用造成影响。 北京交通大学硕士学位论文 周边环境状况 建车站位于北京市丰台区万寿路南延段，路口西北象限为华堂商场、公交 丰台区望园东里2 撑楼，诬南象限大部分为军队( 海航) 用地，东南象限为 区，东北象限为卢沟桥乡政府、丰台西局欣园南区2 撑楼；拟建车站与十四 号线在万寿路高架桥( 包括承台桥桩长3 2 3 4 m ) 下形成节点，与高架桥桩较近。 本车站位于道路交通路口，地下管线密集，埋设有各种电力、通讯、燃气、 自来水、污水管线。大致情况见图2 小图2 - 6 。 图2 _ 4 丰台北路站周边环境 图2 - 5 万寿路南延路口图2 - 6华堂商场门前便道 2 1 4 地下管线情况 车站施工前，对现况管线进行了物探，对影响车站施工的管线进行了改移， 1 4 复杂环境地铁车站修建方法比选 围护桩及中桩施工时应注意改移后未拆除管线的影响，尤其对雨污水管线除段内 的存水，施工前应进行疏干。 桩基施工时应采用人工挖探坑等方法，对现况管线进行核查，对新发现的管 线应采取合理的保护措施。 一方面现况管线渗漏水将影响车站施工，另一方面，车站施工将引起现况管 线变形，因此施工过程中需对现况管线进行加固保护，以保证隧道暗挖施工安全 和管线运营安全。 地下管线保护措施 ( 1 ) 临时改移管线保护措施 南端万丰路与丰台北路交叉路口处及车站西侧均有一条现况d n 6 0 0 给水管线 影响车站施工，将上述两条给水管线绕出车站结构进行临时改移，待车站结构施 工完毕后，再将两条给水管线原位恢复。 给水管线改移时将新管与旧管沟通，弯头处做混凝土支墩，砌筑检查井，管 道试压、冲洗消毒合格。 ( 2 ) 永久改移管线保护措施 沿万丰路南北方向位于车站中部，现况d 1 0 0 0 污水砼管影响车站施工，对其 永久拆除；改移至宏景绿洲小区及卢沟桥政府内。 永久改移管线按照不同种类管线的设计和施工要求采取顶管法施工。新管线 改移完成后，按照施工规范要求拆除原有管线。 管线改移方案遵循对交通影响最小的原则，改移位置严格按照设计说明进行；