地鐵車站裝配式施工技術研究

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［摘要］目前，裝配式半蓋挖法已在國內一些城市地鐵車站的施工中被廣泛運用，具有良好的工程前景。然而在傳統裝配式半蓋挖法施工過程中，常會遇到土方機械開挖坡度與空間尺寸不足，臨時立柱定位不便，材料浪費等工程難題。因此，以沈陽地鐵9號線某車站為背景，基于BIM技術建立了裝配式半蓋挖法施工的信息化建筑模型與施工體系。研究結果表明，在裝配式半蓋挖法施工中，BIM技術優化了土方開挖施工部署，提高了工效；同時，研發了基于BIM技術的臨時立柱定位器，其在可操作性和經濟性上具有顯著優勢，對推動信息化施工技術的運用和發展具有積極的意義。

［關鍵詞］地鐵車站；裝配式半蓋挖法；BIM；土方開挖；臨時立柱

裝配式半蓋挖法是指用鋪蓋板的方法鋪設路面（臨時路面），用鉆孔灌注樁和混凝土支撐、鋼支撐作為基坑支護體系承擔基坑周圍土側壓力、路面荷載，維持地面交通暢通，用各種臨時支撐及支護來保證圍巖穩定的施工方法。目前，半蓋挖法已在國內一些城市地鐵車站的施工中被廣泛運用，具有良好的應用前景［1-6］。由半蓋挖法的定義可知，臨時立柱（鋼管柱）是蓋挖體系中的核心受力構件，因此在土方開挖過程中，為了確保地面上方的交通安全和主體結構施工過程的安全，維持臨時立柱的穩定性極為關鍵。然而在傳統的半蓋挖法施工中仍存在一定的問題。如土方開挖過程中，由于裝配式半蓋挖體系的基坑內桿件較多（如剪刀撐、縱橫向連接桿、鋼支撐等），在機械開挖過程中常會遇到坡度及空間尺寸不足等問題，傳統二維圖紙很難給出精準的三維空間數據信息。另一方面，在對臨時立柱進行定位時，傳統的干作業灌注樁孔可由人工下到孔底安裝定位器，以保證鋼立柱的垂直度，但當工程中地下水位高無法實現干成孔時，臨時立柱鉆孔灌注樁成孔只能采用泥漿護壁工藝，無法實現人工安裝定位器。此外，臨時立柱設計頂標高比樁孔頂標高低約2m，一般做法是將臨時立柱的高度加長2m，待日后施工縱梁時再將加長部位的鋼管割除，該方法不僅工序復雜，還造成材料的浪費。針對以上問題，筆者以沈陽地鐵9號線某車站土建工程半蓋挖法為依托進行工程應用研究，通過Revit系列軟件建立了地鐵車站裝配式半蓋挖建筑模型，基于BIM模型建立了信息化施工技術理論體系。研究結果表明，在裝配式半蓋挖工法中，BIM技術對于優化土方開挖施工部署有著積極的作用，三維模型通過測量工具實時測量構件間、構件與機械間、構件與挖土面間、機械與挖土面間的空間數據，對避免返工、提高工效和管理效率意義重大。同時，研發了基于BIM技術的臨時立柱定位器，能夠滿足在地下水位較高時的臨時立柱定位，同時避免了材料的浪費，在可操作性和經濟性上具有顯著優勢，對于推動信息化施工技術的運用和發展具有積極意義。

1工程概況

沈陽地鐵9號線某車站土建工程采用裝配式半蓋挖法施工。車站主體結構長179.4m，標準段寬22.5m，底板埋深17.3～18.7m，2層3跨，島式站臺結構。車站主體沿街道南北向布置。采用覫鉆孔灌注樁作為車站主體的圍護結構，樁體采用C30鋼筋混凝土灌注，長約21.6m，樁間通過掛網噴射混凝土使樁間土保持穩定。基坑從上到下設置1道混凝土撐和2道鋼支撐，在車站北側擴大端外加1道倒撐。

2裝配式半蓋挖法車站施工

2.1裝配式半蓋挖法結構

如圖1所示，裝配式半蓋挖法結構組成（由上至下）為：鋪蓋板（臨時路面）、鋪蓋板支撐梁、中間縱梁支撐、混凝土內支撐、臨時立柱、鉆孔灌注樁，由各種連接構件、螺栓進行連接。鋪蓋板支撐梁搭設在冠梁和中間縱梁支撐上，中間縱梁支撐搭設在臨時立柱上。

2.2裝配式半蓋挖法施工工藝

該地鐵車站東、西兩側土方開挖方法不同，車站西側采用明挖順作法，車站東側采用裝配式半蓋挖順作法。為了保證場地內交通疏解的要求，首先進行場地圍擋和交通疏解，然后安裝臨時圍擋。車站東、西兩側開挖時，需先實施東側的半蓋挖法結構。在車站東側鋪蓋結構施工過程中，敷設改移后的新管線、施工鉆孔灌注樁、壓頂梁并鋪設東側半幅臨時路面系統。此時車輛從西側及東側的臨時導行路通行。待鋪蓋系統鋪設完畢，恢復路面交通。東半側路面恢復交通后，車輛全部改移到東半側通行，西側開始明挖施工。

3裝配式半蓋挖法施工關鍵技術

3.1基于BIM技術的土方開挖

BIM技術的運用能夠使施工進度的把控更為合理有效，從而提高各施工部門的工作效率。針對土方開挖，基于BIM技術在土方開挖機械選取、規劃土方開挖的路線和開挖順序上，具有顯著的優勢。如圖2所示，根據三維數值模擬分析結果，該工程采用了BIM技術對基坑土方開挖的整體施工過程模擬。根據建立的施工現場模型，通過測量工具實時測量構件間、構件與機械間、構件與挖土面間、機械與挖土面間的空間數據，預先部署好合適的現場開挖機械，規劃好各機械具體的土方開挖邊線，使整個土方開挖施工順暢進行。通過BIM技術，對車站主體結構土方開挖進行了提前預演，在3D模型軟件中通過調節視角，可以無死角地了解整個土體開挖過程中可能會發生的各種情況，并針對問題進行提前預判分析，對實際土方開挖施工進行合理有效的施工部署。具體優點如下：1）BIM模型使施工現場的可視化更為突出。工作人員可根據施工現場3D模型，快速清晰地了解土方開挖各階段過程中土體的變化情況，并針對問題及時分析討論，修正土方施工方案。2）BIM模型內部的信息集成度很高。三維模擬土方開挖過程，可實時計算出各階段的出土量，并實時顯示開挖面的土體信息、地下管線信息，方便工作人員對建筑與周圍環境作出綜合評價。3）運用BIM技術進行施工模擬的靈活度很高。建模過程中，為保證符合基坑的實際情況，可針對放坡要求、支護形式和預留土方等信息進行靈活調整。4）BIM模型具有一定的延伸性。已經建立完成的土方開挖模型還可以集成主體結構和基礎的BIM模型，這使BIM技術的研究可延續至整個工程壽命周期。

3.2基于BIM技術的臨時立柱定位

臨時立柱是鋪蓋體系中的核心受力構件，所有交通荷載及鋪蓋體系本身的自重均由其承擔。因此，臨時立柱的施工質量及定位精度是鋪蓋體系中的重點管控對象。如圖3所示，該工程在BIM建模基礎上研發了臨時立柱定位器，以提高臨時立柱的定位精度。定位器采用Q345E、32A型槽鋼為原料制作而成，其井架井口尺寸為1.4m×1.4m。為保證定位器頂面水平，在井架的四角分別焊設4個支腿，并與固定于地面的4個千斤頂連接牢固。測量人員應用高精度水準儀測設井架4個角點的高程，運用支腿下面的千斤頂對井架進行豎直方向的調節。在槽鋼的中間部位焊設擋板，并放置千斤頂，對吊放好后的臨時立柱進行水平位置的調節。樁孔驗收合格后，及時進行臨時立柱的吊裝、澆筑混凝土。每根臨時立柱的吊裝定位均采用定位器。基于BIM技術的臨時立柱定位系統設計，摒棄了二維設計草圖不直觀的缺點，直接依據各部分構件的結構要求進行修改，并通過三維畫面予以展示，大大提高了設計效率；基于BIM模型設計的定位器從經濟性和可操作性方面均滿足該工程應用。

4結論

該工程通過建立BIM模型，在3D信息化施工技術指導下，完善了裝配式半蓋挖法中的土方開挖與臨時立柱施工等關鍵技術，為信息化施工技術賦予了新理念。這種基于BIM的裝配式半蓋挖法施工技術具有以下優勢：1）運用BIM技術對裝配式半蓋挖法結構預先進行施工模擬，根據模擬結果進行合理的施工部署，提高了施工效率和管理水平，對推動信息化施工技術的運用和發展具有積極意義。2）針對土方開挖工程，BIM技術的運用使得整個開挖現場更為可視化，延伸性更好；同時集成了出土量、地下管線、地形特征等多維信息；可靈活計算各類復雜基坑的土方開挖量。3）針對臨時立柱施工，基于BIM技術設計的臨時立柱定位系統，解決了在地下水位高時無法實現人工安裝定位器的難題；同時減少了施工工序，避免了材料的浪費。

作者：劉軍 劉禮揚 王余良 張春節 魏力 單位：北京建筑大學土木與交通工程學院 北京市軌道交通建設管理有限公司 北京市市政四建設工程有限責任公司