地铁车站装配式施工技术研究

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［摘要］目前，装配式半盖挖法已在国内一些城市地铁车站的施工中被广泛运用，具有良好的工程前景。然而在传统装配式半盖挖法施工过程中，常会遇到土方机械开挖坡度与空间尺寸不足，临时立柱定位不便，材料浪费等工程难题。因此，以沈阳地铁9号线某车站为背景，基于BIM技术建立了装配式半盖挖法施工的信息化建筑模型与施工体系。研究结果表明，在装配式半盖挖法施工中，BIM技术优化了土方开挖施工部署，提高了工效；同时，研发了基于BIM技术的临时立柱定位器，其在可操作性和经济性上具有显著优势，对推动信息化施工技术的运用和发展具有积极的意义。

［关键词］地铁车站；装配式半盖挖法；BIM；土方开挖；临时立柱

装配式半盖挖法是指用铺盖板的方法铺设路面（临时路面），用钻孔灌注桩和混凝土支撑、钢支撑作为基坑支护体系承担基坑周围土侧压力、路面荷载，维持地面交通畅通，用各种临时支撑及支护来保证围岩稳定的施工方法。目前，半盖挖法已在国内一些城市地铁车站的施工中被广泛运用，具有良好的应用前景［1-6］。由半盖挖法的定义可知，临时立柱（钢管柱）是盖挖体系中的核心受力构件，因此在土方开挖过程中，为了确保地面上方的交通安全和主体结构施工过程的安全，维持临时立柱的稳定性极为关键。然而在传统的半盖挖法施工中仍存在一定的问题。如土方开挖过程中，由于装配式半盖挖体系的基坑内杆件较多（如剪刀撑、纵横向连接杆、钢支撑等），在机械开挖过程中常会遇到坡度及空间尺寸不足等问题，传统二维图纸很难给出精准的三维空间数据信息。另一方面，在对临时立柱进行定位时，传统的干作业灌注桩孔可由人工下到孔底安装定位器，以保证钢立柱的垂直度，但当工程中地下水位高无法实现干成孔时，临时立柱钻孔灌注桩成孔只能采用泥浆护壁工艺，无法实现人工安装定位器。此外，临时立柱设计顶标高比桩孔顶标高低约2m，一般做法是将临时立柱的高度加长2m，待日后施工纵梁时再将加长部位的钢管割除，该方法不仅工序复杂，还造成材料的浪费。针对以上问题，笔者以沈阳地铁9号线某车站土建工程半盖挖法为依托进行工程应用研究，通过Revit系列软件建立了地铁车站装配式半盖挖建筑模型，基于BIM模型建立了信息化施工技术理论体系。研究结果表明，在装配式半盖挖工法中，BIM技术对于优化土方开挖施工部署有着积极的作用，三维模型通过测量工具实时测量构件间、构件与机械间、构件与挖土面间、机械与挖土面间的空间数据，对避免返工、提高工效和管理效率意义重大。同时，研发了基于BIM技术的临时立柱定位器，能够满足在地下水位较高时的临时立柱定位，同时避免了材料的浪费，在可操作性和经济性上具有显著优势，对于推动信息化施工技术的运用和发展具有积极意义。

1工程概况

沈阳地铁9号线某车站土建工程采用装配式半盖挖法施工。车站主体结构长179.4m，标准段宽22.5m，底板埋深17.3～18.7m，2层3跨，岛式站台结构。车站主体沿街道南北向布置。采用覫钻孔灌注桩作为车站主体的围护结构，桩体采用C30钢筋混凝土灌注，长约21.6m，桩间通过挂网喷射混凝土使桩间土保持稳定。基坑从上到下设置1道混凝土撑和2道钢支撑，在车站北侧扩大端外加1道倒撑。

2装配式半盖挖法车站施工

2.1装配式半盖挖法结构

如图1所示，装配式半盖挖法结构组成（由上至下）为：铺盖板（临时路面）、铺盖板支撑梁、中间纵梁支撑、混凝土内支撑、临时立柱、钻孔灌注桩，由各种连接构件、螺栓进行连接。铺盖板支撑梁搭设在冠梁和中间纵梁支撑上，中间纵梁支撑搭设在临时立柱上。

2.2装配式半盖挖法施工工艺

该地铁车站东、西两侧土方开挖方法不同，车站西侧采用明挖顺作法，车站东侧采用装配式半盖挖顺作法。为了保证场地内交通疏解的要求，首先进行场地围挡和交通疏解，然后安装临时围挡。车站东、西两侧开挖时，需先实施东侧的半盖挖法结构。在车站东侧铺盖结构施工过程中，敷设改移后的新管线、施工钻孔灌注桩、压顶梁并铺设东侧半幅临时路面系统。此时车辆从西侧及东侧的临时导行路通行。待铺盖系统铺设完毕，恢复路面交通。东半侧路面恢复交通后，车辆全部改移到东半侧通行，西侧开始明挖施工。

3装配式半盖挖法施工关键技术

3.1基于BIM技术的土方开挖

BIM技术的运用能够使施工进度的把控更为合理有效，从而提高各施工部门的工作效率。针对土方开挖，基于BIM技术在土方开挖机械选取、规划土方开挖的路线和开挖顺序上，具有显著的优势。如图2所示，根据三维数值模拟分析结果，该工程采用了BIM技术对基坑土方开挖的整体施工过程模拟。根据建立的施工现场模型，通过测量工具实时测量构件间、构件与机械间、构件与挖土面间、机械与挖土面间的空间数据，预先部署好合适的现场开挖机械，规划好各机械具体的土方开挖边线，使整个土方开挖施工顺畅进行。通过BIM技术，对车站主体结构土方开挖进行了提前预演，在3D模型软件中通过调节视角，可以无死角地了解整个土体开挖过程中可能会发生的各种情况，并针对问题进行提前预判分析，对实际土方开挖施工进行合理有效的施工部署。具体优点如下：1）BIM模型使施工现场的可视化更为突出。工作人员可根据施工现场3D模型，快速清晰地了解土方开挖各阶段过程中土体的变化情况，并针对问题及时分析讨论，修正土方施工方案。2）BIM模型内部的信息集成度很高。三维模拟土方开挖过程，可实时计算出各阶段的出土量，并实时显示开挖面的土体信息、地下管线信息，方便工作人员对建筑与周围环境作出综合评价。3）运用BIM技术进行施工模拟的灵活度很高。建模过程中，为保证符合基坑的实际情况，可针对放坡要求、支护形式和预留土方等信息进行灵活调整。4）BIM模型具有一定的延伸性。已经建立完成的土方开挖模型还可以集成主体结构和基础的BIM模型，这使BIM技术的研究可延续至整个工程寿命周期。

3.2基于BIM技术的临时立柱定位

临时立柱是铺盖体系中的核心受力构件，所有交通荷载及铺盖体系本身的自重均由其承担。因此，临时立柱的施工质量及定位精度是铺盖体系中的重点管控对象。如图3所示，该工程在BIM建模基础上研发了临时立柱定位器，以提高临时立柱的定位精度。定位器采用Q345E、32A型槽钢为原料制作而成，其井架井口尺寸为1.4m×1.4m。为保证定位器顶面水平，在井架的四角分别焊设4个支腿，并与固定于地面的4个千斤顶连接牢固。测量人员应用高精度水准仪测设井架4个角点的高程，运用支腿下面的千斤顶对井架进行竖直方向的调节。在槽钢的中间部位焊设挡板，并放置千斤顶，对吊放好后的临时立柱进行水平位置的调节。桩孔验收合格后，及时进行临时立柱的吊装、浇筑混凝土。每根临时立柱的吊装定位均采用定位器。基于BIM技术的临时立柱定位系统设计，摒弃了二维设计草图不直观的缺点，直接依据各部分构件的结构要求进行修改，并通过三维画面予以展示，大大提高了设计效率；基于BIM模型设计的定位器从经济性和可操作性方面均满足该工程应用。

4结论

该工程通过建立BIM模型，在3D信息化施工技术指导下，完善了装配式半盖挖法中的土方开挖与临时立柱施工等关键技术，为信息化施工技术赋予了新理念。这种基于BIM的装配式半盖挖法施工技术具有以下优势：1）运用BIM技术对装配式半盖挖法结构预先进行施工模拟，根据模拟结果进行合理的施工部署，提高了施工效率和管理水平，对推动信息化施工技术的运用和发展具有积极意义。2）针对土方开挖工程，BIM技术的运用使得整个开挖现场更为可视化，延伸性更好；同时集成了出土量、地下管线、地形特征等多维信息；可灵活计算各类复杂基坑的土方开挖量。3）针对临时立柱施工，基于BIM技术设计的临时立柱定位系统，解决了在地下水位高时无法实现人工安装定位器的难题；同时减少了施工工序，避免了材料的浪费。

作者：刘军 刘礼扬 王余良 张春节 魏力 单位：北京建筑大学土木与交通工程学院 北京市轨道交通建设管理有限公司 北京市市政四建设工程有限责任公司