（土木工程专业论文）深圳科学馆地铁车站施工方案的综合技术经济比选研究.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着国民经济的发展，城市轨道交通建设不断加快。面对日益复杂的建设情 况，城市地铁施工技术与组织的技术经济问题研究成为一个兼具理论价值和现 实意义的课题。 本文以深圳地铁一期工程科学馆站为工程实例，分三个阶段来迸行研究工 作：在工程前期，通过对地铁车站施工特点的调查研究，科学合理地创建了 套地铁车站施工方案评价指标体系，并大胆运用层次分析法( a h p ) 进行旌工方 案优选，摆脱了传统的专家定性分析法的主观性，具有一定的理论价值。在工 程实施阶段，根据优选结果，在国内首次采用盖挖顺作施工技术修建地铁车立占。 对该方案实施过程中的关键技术( 交通疏解、临时路面系统设计、防水施工及 主体土方开挖等) 及施工工序作了详尽的阐述。在工程竣工阶段，从经济的角 度对工程作了大量分析，一方面印证优选结果的科学性，另一方面也是从工程 实践的角度，通过现场的一手数据资料和具体的分析为今后类似工程建设提供 参考，填补国内在盖挖顺作施工技术方面研究方面的空白，具有一定的实践价 值。 关键词：优选层次分析法盖挖顺作法军用梁技术经济分析 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y ，t h ec o n s t r u c t i o no ft h e u r b a nr a i lt r a n s i ts y s t e mg a i n saq u i c k e rd e v e l o p m e n t a c c o r d i n g l y ，t h e r e s e a r c hi n t oc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ea n dp r o b l e m so ft e c h n i c a le c o n o m y i nt h ec o n s t r u c t i o no ft h eu r b a nm e t r oh a sb e c a m ev a l u a b l eb o t hi nt h e a s p e c t so ft h e o r ya n dp r a c t i c e t h i sp a p e rt a k e st h ec o n s t r u c t i o no ft h ef ir s tp h r a s ei ns h e n z h e nm e t r o e n g i n e e r i n g s c i e n c em u s e u ms t a t i o na sa ne x a m p l et ot a k ear e s e a r c hi n t h r e es t a g e s i nt h ef i r s ts t a g e ，t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h e c h a r a c t e r i s t i r so ft h ec o n s t r u c t i o no ft h em e t r os t a t i o n ，ap r o p e r e v a l u a t i o ns y s t e mo ft h ec o n s t r u c t i o ni sf o u n d e d a h pm e t h o di su s e dt o o p t i m i s et h ec o n s t r u c t i o n s c h e m e sa v o i d i n gt h es u b j e c t i v i t yo ft h e t r a d iti o n a lm e t h o db a s e do nt h ee x p e r i e n c eo fe x p e r t s i nt h es e c o n d s t a g e ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fs e l e c t i o n ，t h ec u t a n dc o v e rt e c h n i q u e i sf i r s t l yu s e dt oc o n s t r u c tt h em e t r os t a t i o n t h i sp a p e re x p l a i n st h e k e yt e c h n i q u e s ( t r a f f i cd i s t r i b u t a r y 、t h ed e s i g no ft e m p o r a r yr o a d s u r f a c es y s t e r m 、d e w a t e r i n ga p p r o a c ha n de x c a v a t i o no fm a i ne a r t h w o r k 、 e t c ) a n dc o n s t r u c t i o nc o n s e q u e n c e so ft h es e l e c t e ds c h e m e i nt h et h i r d s t a g e0 0t h ec o m p l e t eo ft h ec o n s t r u c t i o n ，ac a r e f u la n a l y s i so ft h e e c o n o m yo ft h ep r o j e c tw a sc a r r i e do u t t op r o v et h ep r o p e r t yo ft h e s e l e c t i o r l o n t h eo t h e rh a n d ，t h ei n s i t ud a t aa n d t h ea n a l y s eo fi t p r o vid ear e f e r e n c et ot h esi m i l a rp r o j e c ta n ds e tu paf o u n d a t io nf o r t h eo r d i h a l 一c o v e r e de x c a v a t i o nt e c b n i q u ed o m e s t i c a l l y k e y w o r d s ：o p t i m is a t i 0 1 1 t h en a iy t i c a ih i e r a r c h yp r o c e s s o r d in a 卜c o v e r e d e x c a v a t i o n m ii t ar yb r i d g e a n a iy s iso ft e c h n i c a ie c o n o m y 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第一章绪论 1 1 城市轨道交通的发展 随着经济的发展，城市化进程的加快，道路交通引发的各种矛盾愈显突出。 尤其是进入9 0 年代以后，虽然城市道路面积持续以1 0 1 3 的速度增长，但机 动车的增长速度更快，使得车辆对城市道路的拥有面积以每年1 0 “1 5 的速度迅 速下降。交通堵塞、环境污染等问题已经引起社会各界的广泛关注。为了缓解 城市机动车的交通压力，保证社会活动的正常秩序和居民的日常出行，疏解城 市中心区的人口，改善城市环境，大力发展和建设快速的城市轨道交通已是势 在必行。在“十五”规划中。国家首次提出要发展城市轨道交通，国家产业技 术政策也明确指出：“在百万以上人口城市，要优先发展以轨道交通为主的公 共交通系统”。 城市地铁与轻轨同属快速城市轨道交通系统，是城市公共客运交通网络中 的骨干。尤其是城市地铁，它不仅运输能力大( 远期单向高峰小时客流量3 6 万人) ，而且安全舒适、快速准时、全天候、节省能源( 能耗是公共汽车的3 5 ， 私人用车的1 6 ) 和土地( 占地是公路的1 8 ) 。噪声污染小，是全天候的绿色 交通，对实现城市的可持续发展具有非常重要的意义。从1 8 6 3 年英国伦敦修建 成世界上第一条地铁线路以后的这1 0 0 多年星世界各国相继修建地铁，而且 成蓬勃发展之势。在日本东京，轨道交通运输承担了东京全部客运量的8 0 ，在 巴黎，这一比例为6 6 ，莫斯科和香港均为5 5 。我国属发展中国家，城市轨道 交通起步较晚，1 9 7 1 年在北京建成了第一条地铁( 运行区段从北京火车站至西 郊苹果园，全长2 3 6 公里，共1 7 个车站) ，天津和上海的第一期城市地铁均在 1 9 8 4 年建成通车，广州地铁1 9 9 9 年6 月正式投入运营，深圳地铁一期工程也将 于2 0 0 4 年底建成通车。目前已获准正在建设的项目线路总长约1 7 0 公里，已经 批准立项的项目总长约6 0 公里，还有近l o 个省会城市的建设项目已完成可研 正在审批。十五期间，国家将斥资2 0 0 0 亿元用于建设城市轨道交通。我国的城 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 市地铁事业方兴未艾。 城市轨道交通投资巨大，造价高昂。虽然我国建材价格和人力劳务价格均 低于较发达国家和地区，但我国地铁工程的造价却比许多国家和地区高。如8 0 年代中建成的汉城地铁3 号线，全长2 6 1 k m ，平均每公里造价0 3 5 亿美元，折 合人民币为每公里2 9 亿元；9 0 年代初建成的新加坡三条城市轨道交通线，其 中1 9 k m 为地下铁道，4 4 8 k m 为高架线路，1 3 2 k m 为地面线路，其综合平均造 价为每公里0 4 亿美元，折合人民币为每公里3 3 2 亿元；墨西哥城b 线地下铁 道长2 3 7 k m ，综合平均每公里造价为0 3 亿美元( 其中地下线长占2 5 ，每公 里造价0 4 5 亿美元，折合人民币每公里造价为3 7 3 亿元) ；即将建成通车的日 本东京最现代化的l l 号地铁线造价为每公里人民币7 5 4 亿元。而我国广州、 上海、北京9 0 年代建成的三条地铁线，综合平均造价每公里均在6 8 亿元。2 0 0 4 年底即将建成通车的深圳地铁一期工程，正线总长1 9 6 4 8 公里，每公里平均造 价为5 4 4 亿元。在整个地铁投资中，土建工程造价占5 0 5 5 ，地铁车站较 区间断面大，结构复杂，每米长地铁车站工程量是区间工程量的l o 倍左右，地 铁车站的造价要比区间隧洞大的多。因此，选择合适的施工方法建设地铁车站， 降低车站土建工程造价，对降低地铁建设总投资非常重要。 1 2 国内外地铁车站的施工方法 地铁工程是一项高科技的系统工程，它的建设标志着个国家的工业和技 术发展水平。而且地铁建设是一个长期的过程，要根据城市的经济情况和交通 能力分期建设，随着科学技术的发展，不同时期有不同的施工方法。我国地铁 的施工方法从无到有，结合中国国情，在实践中不断地发展和提高，先后采用 了明挖法、暗挖法、盖挖法、盾构法、沉管法等施工技术。有些技术的研究与 应用已达到国际先进水平，这些施工技术不仅推动了我国地铁建设的发展，同 时也应用到了城市建设的其他工程领域，推动了我国城市建设的施工技术水平。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 地铁车站由车站主体( 站台、站厅、设备用房和生活用房) 、出入口及通道、 通风道及通风亭等三大部分组成。目前，世界各城市地铁地下车站一般均布置 为上、下两层，以适应较大客流量的需要。由于地铁均在城市中修建，其施工 方法受到地面建筑物、道路、城市交通、环境保护、各种管线、施工机具以及 资金条件等因素的影响特别大，比一般的桥隧工程的施工技术要求和难度更高， 造价更大。采用何种方法修建地铁车站( 尤其是第四纪地层中的浅埋车站) 一 直是地铁建设者们关注的焦点。目前世界上通行的地铁车站施工方法有三种： 明挖法、盖挖法和浅埋暗挖法。 l 、明挖法 明挖法就是先从地表向下丌挖基坑至设计标高，然后在基坑内的预定位置 由下而上施工主体结构及防水工程，最后回填土方并恢复路面。其优点是施工 作业面多、速度快、工期短、易保证工程质量、工程造价低等，而且可以修建 的空间比较大，多用于带有换乘站、地下商场、休息和娱乐场所及停车库等地 下综合车站。但该法对市政交通和商业的干扰大，污染环境且影响周期长。在 地面交通和环境条件允许的地方，应可能采用明挖法。北京地铁复八线大望路 车站、上海地铁的徐家汇车站都是采用明挖法施工，以连续墙作为支护坑壁的 围护结构。目前正在招标的天津地铁2 期所有车站均设计为明挖法施工。 2 、盖挖法： 盖挖法是在明挖法基础上发展起来的种施工方法，突破了明挖法“先挖 后盖”的模式，代之以“先盖后挖”，即以先以临时路面系统或结构顶板维持地 面交通再向下施工。这种施工方法先调整交通线路，做好围挡，悬吊或该移管 线，然后施工侧部围护结构、中间桩柱和顶板，在顶板的保护下进行车站内土方 的开挖及内墙、梁、板的灌注直至底板封闭形成箱形结构。盖挖法较明挖 法能尽可能的减少对地面交通的干扰，而且一旦垂直受力体系( 由侧墙围护桩、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 中问柱和顶板组成) 形成后，主体结构的施工将在安全度较高、施工空间较大 的条件下进行。在围护结构方面，可采用人工挖孔桩、机械钻孔灌注桩、地下 连续墙等。按主体结构的施工顺序，盖挖法又可分为：盖挖顺作法、盖挖逆作 法和盖挖半逆作法。 ( 1 ) 、盖挖顺作法 盖挖顺作法就是系于现有道路上，按所需宽度，由地表面完成围护结构后， 以定型的预制标准覆盖结构( 包括格构柱、钢纵梁、钢横梁和路面板) 置于围 护结构上，形成临时路面系统来维持交通，在临时路面系统支护下，由上而下 逐层开挖土方和加设钢支撑，直至设计标高。依序由下而上施工主体结构和防 水工程。然后拆除l 右时路面系统( 包括路面板、钢横梁、格构柱) 及围护结构 的外露部分，最后回填土方及恢复路面，其优点是不中断地面交通，易保证工 程质量。缺点是格构柱安装就位困难，旌工精度要求高；无法使用大型机具， 需要采用特殊的小型、高效机具和精心组织施工。 最早使用的盖挖法就是在支护基坑的工字钢桩上，架设钢梁，铺设临时路 面维持交通，在路面下施工的“盖挖顺作法”。此法在深圳地铁科学馆站的施工 应用在我国尚属首次。 ( 2 ) 、盖挖逆作法 盖挖逆作法就是先在地表面下施工基坑的围护结构和中间桩( 中间桩柱多 利用主体结构本身的中间立柱以降低工程造价) 。随后开挖表层土方至主体结构 顶板底面标高，利用未开挖的土体作为土模浇注顶板，施工防水工程后回填土 方，将道路复原后恢复正常交通，最后是在顶板覆盖下，自上而下逐层开挖土 方并施作主体结构直至底板，其优点是不需要拆除临时路面系统，可充分利用 土体，是土方开挖时作临时支撑，二是主体浇注时作土模，这样可以节省大 量钢支撑，模板和支架。也为施工提供了方便。缺点：( 1 ) 中间立柱安装就位 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 困难，施工精度要求高；( 2 ) 采用复合墙结构防水层较难做好；( 3 ) 中层楼板 在施工过程中因悬空而引起的稳定和强度问题要特别注意：( 4 ) 无法使用大型 机具。 五十年代，意大利米兰地铁首次采用了此种工法。我国在9 0 年代上海地铁 陕西南路站、常熟路站和黄陂南路站等地铁车站的施工中首次成功运用该方法， 使得施工封路的时间比明挖法减少了1 3 个月，从而大大减少了淮海路段因施工 造成的商业损失。 ( 3 ) 、盖挖半逆作法 盖挖半逆作法与盖挖逆作法相类似，其区别在于顶板完成及恢复路面后，自上 而下逐层开挖土方和加设钢支撑，直至设计标高，再依次自下而上施工底板， 侧墙、楼板。其优缺点基本与盖挖逆作法相同。 3 、浅埋暗挖法 浅埋暗挖法即松散地层的新奥法施工。新奥法是充分运用围岩的自承能力 和开挖面的空间约束作用，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，对围岩进 行加固，约束围岩的松弛与变形，并通过对围岩和支护的监控量测，指导地下 工程的设计与施工。浅埋暗挖法就是针对埋置深度较浅、松散不稳定的土层和 软弱破碎岩层施工提出的。 浅埋暗挖法利用两侧的竖井，通过导洞，在注浆超前支护的情况下进行开 挖及初期支护( 锚喷支护) ，然后进行二次衬砌，施工必须严格遵守“管超前、 严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”十八字方针，其优点是可避免大 量拆迂、改建工作，减少对周围环境的粉尘污染和噪声影响，对城市交通的干 扰小。缺点是造价高、工期长，施工环境差，施工难度及风险较大。对工程地 质条件的要求一是无水作业：二是开挖面具有一定的自立性和自稳性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 北京地铁西单车站就是采用浅埋暗挖法建成的。 下面是我国几座城市在规划、设计阶段对地铁车站的旖工方法进行方案比 选的结果。 地铁车站施工方法比较 盖挖法 施工方法明挖法暗挖法 顺作逆作 单层双跨双层双跨 结构型式双层双跨或三跨 或三跨或三跨 适用城市j e 京、上海、广州北京、广州 站台面深度 hhh + ( 3 )h + ( 5 8 ) 旌工周期 22 4 2 52 5 3 ( 年) 对地面交通 2 年0 5 1 年 少有影响 的影响 站厅层面积 4 0 0 0 5 0 0 04 0 0 0 “5 0 0 01 0 0 04 0 0 0 5 0 0 0 ( 平方米) 施工难度 易 较易较难 难 管线拆迁工 大大小 程量 土建造价( 万 l 1 1 1 21 2 1 5l5 2 0 元平米) 使用效果 好好差较好 1 3 本文研究的背景 地铁车站属于浅埋大群峒地下构造物，它的施工方法对地铁结构形式、建 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 筑布局、线路埋深、城市地下空间的综合利用、工期、造价及周围环境等有重 大影响。目前国内地铁车站的施工方法中，明挖法仍居优势，在地面交通和环 境允许的条件下通常都采用明挖法施工，暗挖法的使用有所增长，盖挖法总体 上用的较少。但随着城市的发展，地面高层建筑越来越多，繁忙的地面交通和 对环境的要求使得人们必须放弃明挖法。暗挖法虽然对地面交通基本上没有影 响，但从已建地铁的工程实践上看，其很难从根本上解决防渗漏水问题，而且 施工工艺复杂，施工安全及工程进度难于控制，造价高昂。加之暗挖施工的地 铁车站埋深较大，站台板项面标高较明挖法和盖挖法麓工的车站站台顶标高要 深3 8 米，会增加运营后的自动扶梯费用和车站能耗，也给乘客带来了永久性 的不便。此外，暗挖法施工的地铁车站的平面布局也受到很大的限制。以北京 地铁复一八线天安门东站为例，三层盖挖车站的站台标高较双层暗挖车站站台 标高抬高约4 米，建筑面积增加近5 1 0 0 平米，建设投资节省1 8 。盖挖法施工 虽在我国用的较少，但在国外它已经成为在交通繁忙的城市中心区修建地铁浅 埋车站的一种行之有效的方法。它既保留了明挖车站功能方面的长处和工期、 造价方面的优势，同时又兼有暗挖车站施工受外界影响小、对地面交通干扰少 的优点。在台北地铁一期工程的3 3 座地下车站中，大部分都是采用盖挖顺作法 施工，连续墙护壁。而且大量采用标准构件，提高了临时路面、临时中间立柱 等临时构件的重复使用率和安装质量。在德国慕尼黑地铁的3 3 座车站中，采用 盖挖法旋工的有2 0 座，约占3 1 。荷兰的阿姆斯特丹地铁的多座车站也是采用 盖挖法施工的。应该说，盖挖法在国外已经是一种很成熟的工法。但在我国， 盖挖法起步较晚，直到9 0 年代才开始有7 座采用此法施工的地铁车站，而且均 为盖挖逆作施工。与逆作相比，造价更低，施工难度更小的顺作法在设计和施 工方面一直是空白。 深圳地铁科学馆站在基本保证原车流量的前提下，采用盖挖顺作法施工整 个地铁车站，这在国内尚属首例。本文正是希望通过盖挖顺作在科学馆站的设 计方案优选与施工实践来论证该工法的可行性、先进性与合理性，以此来推广 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 这一具有良好前景的施工技术， 1 4 国内外施工方案优选方法的发展动态 旌工方案是用来组织和指导具体施工，将满足主观设计需要的构筑物或建 筑物从图纸变为客观存在的实体。由于设计者思维和知识架构的差异，往往会 有若干个不同的方案。那么在这些备选方案中究竟哪个方案切实可行，综合经 济效益最佳呢? 我们就需要通过优选法来决策。在早期，工程项目旖工方案的 选择完全依赖于相关工程领域一位或多位专家工程背景知识和经验。进行主观 定性分析，从而得到所谓的最优方案，这就是主观定性分析法。这种方法的优 点是简单、方便，在可供选择的方案较少和考虑的影响因素较少的情况下比较 适用，当方案较多、影响方案的因素之间关系复杂时，这种优选法的方法就显 得无能为力。随着数学方法在工程和管理领域中应用的深入，人们用数学方法 为方案优选的定量化综合分析提供强大支持，现代科学优选优化方法应运而生。 一般来说项目施工方案优选的过程大致如下：根据施工对象的具体情况，设计 出若干个可行的施工方案；再从工程技术经济的角度出发，将影响旌工方案的 主要因素一一列出，加以定量或定性的描述，并进行归纳，聚类；计算各因素 的评判因子，综合其价值系数；最后选择目标函数值最佳或价值系数最大的方 案。 目前，国内外常用的优选法方法有： ( 1 ) 定性分析法 根据工程对象的特点，分析各种可能出现的施工方案的优缺点，并考虑旖 工单位的具体情况( 如旌工经验、机械设备配置情况等) ，从中选出一个最适合 工程对象的施工方案。这种定性分折的方法目前被施工单位广泛使用。 ( 2 ) 功能评价系数法( 价值工程) 在初步可行的若干施工方案中，首先进行功能分析，确定各功能的比重( 对 于某一个具体工程而言，基本功能中需要突出的要点不胫相同) ；然后确定各功 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 能的评价系数；再将各项评价系数汇集起来，得到综合评价系数；取综合评价 系数最大的施工方案为最优方案。 ( 3 ) 施工方案综合评价系统 主要围绕施工工艺( 包括机具设备) 的选择，分析方案的技术经济性。通 过机械配备子系统和流水分段子系统的分析，建立子系统的以费用最高为目标 的数学模型；然后综合各种机具装备方案以及最优实施方案，比较其成本耗费； 采用盈亏平衡分析的方法确定各种施工方案的经济使用范围，从而确定最优方 案。 ( 4 ) 运筹学优选法 运筹学是用数学研究各种系统最优化问题的学科。它的研究方法是应用数 学语言来描述实际系统，建立相应的数学模型并对模型进行研究分析，据此求 得模型的最优解，以制定合理运用人力、物力、财力的最优方案。 1 9 3 9 年，前苏联经济学家和数学家l v k a n t o r o v i c h 在他的著作组织和 计划生产的数学方法中首次提到了线性规划方法，其后又陆续有了其他的数 学规划方法，如非线性规划、多目标规划、整数规划、动态规划、图与网络方 法、存储论、决策论处等等。运筹学的方法被广泛应用于工程、经济和管理的 各个领域，使得管理决策、项目优化和方案优选法有了科学的、定量化的数学 模型。 ( 5 ) 专家系统( 知识库) 优选法 专家系统是指基于知识的智能系统( k n o w l e d g eb a s e di ni n t e l e g e n t s y s t e m ) ，是利用知识和推理程序来解决那些需要通过专家才能解决的计算机程 序。它应用人工智能技术，根据单个专家或群体专家提供的领域知识、经验进 行推理判断，模拟领域专家做决定的过程，解决那些一般需要专家做决策的复 杂问题。由于有一大批可供选择的专家知识库，所以在某些应用上可能超过个 别专家的智能水平。 专家系统由若于模块组成，各模块依功能不同，相对独立。基本组成包括： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 知识获取部分、知识库、数据库、推理机、解释部分等。专家系统汇集了许多 领域专家的知识、经验以及解决问题的能力，它能周密、全面、高校的处理和 解决问题，而且不受周围环境的影响，专家的专长也不受时空限制。目前，专 家系统在城市规划、建筑设计等方面的应用已经有了一定发展，但在结构设计 和施工组织方面还有待完善。 ( 6 ) 模糊优选法 随着数学方法在工程和管理中应用的深入，一些带有较大模糊性、不确定 性和需要全局寻优的实际问题越来越难以运筹学方法有效解决。模糊理论、遗 传算法的提出弥补了不足。6 0 年代，美国加州大学伯克利分校教授l a z a d e h 首次提出模糊集合的概念。突破了古典集合论的局限性，更符合人类对事物的 认识和思维的机理模糊性。我国的汪培庄教授开创性地建立了应用模糊数 学方法体系。模糊数学不是把模糊事物简单化，而是使它们精确化了。7 0 年代。 美国的j h h o l l a n d 教授又提出了遗传算法的思想。7 0 年代末，美国学者 a l s a t t y 提出了一种定性和定量相结合、系统化和层次化的分析方法层次 分析法a h p ( a h p ) 。a h p 是一个多准则、多目标的决策处理流程理论和方法。它 帮助决策着将所要解决的问题分解成重要考虑因素并建立成类似树状的一个或 多个层次性结构，从而将复杂的决策评估简化成一连串简单的比较和排序，通 过综合所有的分析结果得到最优答案。 可以看到，工程项目方案优选的基本方法从早期的主观定性分析、定量分 析、数学规划和优化发展到当前的模糊方法、遗传算法、层次分析法；实现了 从单一目标局部分析发展到多目标系统分析，由静态分析到动态分析的进步。 但目前在我国的许多设计和施工单位里，技术人员还是习惯于用传统的主 观定性分析方法来进行项目施工方案优选。决策结果不够科学。本文就大胆地 将层次分析法运用到深圳地铁科学馆站的施工方案优选中，科学地获取了最佳 的施工方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 1 5 本文的研究内容及方法 本文研究的主要内容是深圳地铁科学馆站施工方案综合技术经济比较 研究。包括 1 、工程前期的施工方案优选 ( 1 ) 地铁车站施工方案优选评价指标体系的建立 ( 2 ) 运用层次分析法( a i i p ) 进行方案优选 2 、施工阶段盖挖顺作法的关键技术： ( 1 ) 交通疏解方案 ( 2 ) 军用梁临时路面系统 ( 3 ) 土方开挖与基坑稳定 ( 4 ) 主体结构砼浇注与机械配置 ( 5 ) 防水施工 3 、竣工阶段对方案全面的技术经济分析 ( 1 ) 前期施工方案比选的技术经济分析 ( 2 ) 军用梁临时路面系统优化的技术经济分析 ( 3 )盖挖顺作法的主要技术经济指标体系 所采用的主要研究方法包括： ( 1 ) 基于层次分析法( a h p ) 的施工方案决策技术：主要包括两个方面。一 是利用层次分析法建立施工方察优选的评价指标体系( 包括指标的建立方法 和体系的构造) ，二是通过a h p 法来寻找施工方案优选模型的晟佳求解方法。 ( 2 ) 原位实验：在代表断面，埋设测试元件，对土压力、水压力、地下水 位变化、混凝土应力、钢筋应力、钢结构应力或钢支持轴力等进行测试，检 验室内模型试验和有限元模拟计算分析的可靠度。在盖挖顺作法施工中，对 三个典型断面进行了应力、压力和钢支撑轴力的测试，对军用梁临时路面系 统进行了钢梁轴力测试。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 3 ) 技术与经济相结合。在收集整理和分析大量的工程经济资料的基础上， 建立了一套比较完善齐全的盖挖顺作施工的工料机消耗量指标和主要技术 经济指标体系，通过对方案比选和优化设计的技术与经济分析，再次论证了 实施方案技术上的可行性、先进性与经济上的合理性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 1 工程概况 第二章施工方案比选 2 1 1 工程概况 深圳地铁一期土建工程5 标段由科学馆站和大( 剧院) 科( 学馆站) 区间 两个单位工程组成，全长1 3 4 3 9 7 米( 罩程长) ，是全线投资额最大的一个标段， 中标合同价为2 0 0 5 亿元，由中铁四局集团公司承建。其中，科学馆站位于深 南中路与上步路交叉路口的西侧，上步路与松岭路之间的深南中路行车道下方。 车站外包总长2 2 2 5 米，外包宽度1 8 7 米，结构高度1 2 6 4 米，手体结构埋深 ( 顶板顶面至地面距离) 3 1 3 7 米，基坑开挖深度1 6 1 5 “1 6 7 5 米。车站设计 为1 0 米岛式站台，双层双跨( 局部三跨) ，钢筋混凝十框架结构，4 个风道和4 个出入口分别设在深南中路两侧的绿化带内。车站总平面布置如图所示。 蓬一i菇夏i ! 晖、 图2 一l 科学馆站总平面布置图 步 中 路 深南中 2 1 2 工程地质和水文地质 l 、工程地质： 科学馆站工程区域属海冲积平原和台地，表覆第四系全新人工堆积层，海 积冲积层及第四系中更新统残积层，下伏燕山期花岗岩层。主体结构所处地质 情况： 血步削跗 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 ( 1 ) 人工堆积层( q 4 m 1 ) ：素填土( 粉质粘土) ：黄褐、棕红、褐黄、褐红 色，夹灰白色，局部砂及砾石，硬塑，厚0 3 2 5 m 。 ( 2 ) 第四系中更新统残积土( q 4 e 1 ) ：砾质粘性土：肉红、褐红、灰白色夹 褐黄、紫红色，坚硬硬塑，厚1 3 5 1 6 5 m 。 ( 3 ) 燕山期花岗岩( r 5 3 ) 。全风化带( w 4 ) ：褐黄色、灰白色、褐红色夹灰 白色，岩芯呈砂砾状和夹砂砾状，厚大于6 o m 。强风化带( w 3 ) ：褐黄色，褐红 色央灰白色，岩芯呈砂砾状，结构松散，厚度大于3 5 m 。 车站主体结构大部分位于q 2 m l 层，属i i 类软弱围岩，下层局部深入全风化 花岗岩带。 通风井及出入口地质情况，主要地层分布自上而下为： ( 1 ) 人工堆积层，素填粉质粘土为主，硬塑，厚o 3 7 5 m ； ( 2 ) 海积冲积粘土层。淤泥质粘土层，粉质粘土层，硬塑可塑；淤泥质 粘土层，流塑；粉质粘土层，硬塑；层厚变化较大o 2 3 m ： ( 3 ) 中砂、砾砂层，稍密，潮湿“饱和，厚0 4 5 m 。 ( 4 ) 砾质粘性土层，含石英砂砾，坚硬可塑，厚2 7 “1 9 o m ； ( 5 ) 全风化花岗岩层( w 4 ) ，褐红色夹灰白色，岩芯呈砂砾状和土夹砂砾 装， a = 3 0 0 k p a ，厚大于2 3 m ： ( 6 ) 强风化花岗岩层( w 3 ) ，岩芯呈土状及块状，厚大于5 5 m 。属i i 类围 岩。 2 、水文地质 本标段工程范围内，地下水按赋存介质分为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。 第四系孔隙水主要赋存于第四系粘性土层，砂层、残积土层中，其中：中、 粗砂、砾砂为主要含水层，具强透水性。粉质粘土，粘土、砂质( 砾质) 粘性 土，具弱透水性，为相对隔水层。 基岩裂隙水主要赋存于花岗岩风化层中，全风化，强风化和中等风化花岗 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 岩为弱“中等透水性，由于节理裂隙分布不均，各处含水性和透水性差异较大， 并且由于受上覆残积层的阻隔，基岩裂隙水略具承压性。 地下水径流方向由北向南，主要补给来源为大气降水和北侧地下水，经取 样化验，地下水对混凝土结构不具腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性，对钢筋砼结 构中的钢筋不具腐蚀性。 勘探期间地下水埋深2 2 5 1 m ，水位变幅0 5 1 o m ，车站范围内无砂层， 粘性土层具弱透水性。各地层的渗透系数见表2 1 各地层的渗透系数表表2 - 1 渗透系数( m 序号土层名称时代成因 备注 d ) 1 人工堆积层 q 2 “o 1 第四系中更新统残车站主体结构位于该 2 q ，1 0 8 积土层 3 燕山期花岗岩 r 5 33 2 1 3 周边环境 车站站址位于深圳市福田区，上步路与松岭路之间的深南中路路口，车站 北面有华联大厦、科技大厦，东北面有老干部活动中心、市委市政府，南面为 拟建的丰隆中心，东南面有商业银行大厦和中信广场。 深南中路为深圳市东西向市区主干道，道路总宽度5 0 m ，机动车道为8 车道， 宽2 8 5 米，在松岭路1 ：3 设有公交汽车站。深南中路与两侧建筑物之间为大片绿 地和停车场，两侧建筑物相距1 0 0 米左右，地面相当开阔。 车站附近的地下管线种类繁多，有电力、通信、上水、雨水、污水、煤气 等。东西向地下管线主要位于深南中路机动车道外侧和人行道附近，计有雨水 管( 中8 0 0 中1 0 0 0 砼管) 及污水管( 巾3 0 0 中4 0 0 铁) ，电话电缆( 2 4 孔) ，上水 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 管( ( 1 ) 3 0 0 中4 0 0 铁) 和路灯线，最大埋深3 4 m ，位于出入口通道和风道的上方。 煤气管横穿深南中路。 2 2 科学馆站施工方案比选 科学馆站初步设计方案为：主体结构及出入口及风道均采用浅埋暗挖法。 考虑到科学馆站结构主要埋于砂黏土层和风化花岗岩层中，土层结构较单- - 1 1 稳定，除含水饱和、地下水位高外，末见其他不良地质现象。黏土层渗水系数 低，隔水性能好，而且位于深南中路繁华路段的路面下，囡此施工方案主要考 虑的因素是环保要求和对地面交通的影响。在2 0 0 1 年5 月首次投标时将浅埋暗 挖法、盖挖半逆作法和盖挖顺作法等施工工法做了方案比选。 2 2 1 浅埋暗挖法 1 、施工流程 车站主体采用桩柱法施工，主要施工流程如下： ( 1 ) 在车站两端，以中1 0 8 大管棚注浆预支护下，从人行道向路中央开挖两个 工作隧道； ( 2 ) 在工作隧道内，在超前小导管注浆预支护下，采用短台阶法开挖4 个导洞， 小导管用由4 2 钢管，长4 m ，搭接l m ，问距3 0 c m ； ( 3 ) 在导洞内人工开挖施工侧墙矩形挖孑l 桩和中柱挖孔桩，浇注底纵梁，安装 中柱，浇注顶纵梁和侧墙围护桩及桩顶冠梁： ( 4 ) 施作拱顶超前巾1 0 8 大管棚( 管棚长8 m ，搭接l m ，间距5 0 c m ) ，采用改性 水玻璃注浆加固地层后，开挖上半断面，采用钢拱架和钢格栅交错布置( 问距 5 0c m ) 进行拱部初期支护。并对初期支护背后进行注浆充填，及时加强早期刚 度，结束围岩变形； ( 5 ) 开挖下台阶至中板面，安装第一道钢支撑，并在中柱沿中板面设置纵向联 西南交通大学硕士研究生学位论文第】7 页 系梁，加强中柱稳定 ( 6 ) 继续开挖至第二次开挖面，安装第二道钢支撑，然后开挖至基坑底而，施 工混凝土垫层，封闭基底。丌挖过程中对侧墙桩间土采用锚喷支护，及时封闭； ( 7 ) 顺作法模筑二次衬砌，由下而上分步铺设防水板，分层浇注主体结构，拆 除钢支撑。 2 、施工难度及风险： ( 1 ) 车站主体大部分置于砾质粘性土中，砾质粘性土为主要含水地层，其渗透 系数0 8 m 天，为非隔水层，由于结构断面大埋深浅，地层自稳能力较差，采用 一般的注浆加固，在砾质粘性土层中难以奏效，如何保证拱部扩挖时的施工安 全有待进一步探讨。 ( 2 ) 上部并行3 个导洞开挖，后续拱部扩挖，对拱部地层多次扰动，引起的地 表沉降量控制困难。 ( 3 ) 大断面浅埋暗挖施工，工序分块较多，工序转换次数多，施工组织困难， 工序转换过程中，竖井、导洞、横通道间接头多，结构复杂，施工困难。 ( 4 ) 导洞的断面空间相对较小，在导洞安装钢管柱需分作两段洞内拼装，保证 拼装质量和吊装垂直度，施工工艺要求较高。 ( 5 ) 导洞内开挖侧墙围护桩及中柱孔的施工环境恶劣，不安全因素多。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 一、超前小导管注浆加固土层，4 个导 二、人工开挖中柱洞和侧墙围护桩，浇注 底纵梁、安装中柱、浇注顶纵梁，灌注侧 洞开挖与支护。 墙围护桩及桩顶纵梁。 可地面 一地面 一 魔酽一 = = ；1 ：丌前i=刁 驯 阵 u 三、施作拱顶超前管棚，注浆加固地层 后，先后进行左、右拱上部弧形开挖，四、向下丌挖至中板面，安装第一道钢管 格栅钢架，网喷混凝土，完成拱部初期支撑，施作中板面以上桩间侧壁喷锚支护。 支护。 一地面 订地面 - n穴垆蛰沁热 孙 二= 刊 f = = 刊；w 刈 洲 ” v r l l i i t i i j u4 u 五、继续开挖至第二次开挖面，安装第 六、由下至上分步辅设防水层，模筑二次 二道钢管支撑后，开挖至基坑底，施作 衬砌，拆除钢管支撑。 中板面以下侧墙初期支护及基底垫层。 图2 - - 2 浅埋暗挖法施工工序 2 2 2 盖挖半逆作法 1 、施工流程 本施工方法是先施工主体结构顶板，在顶板的支护下方，自上而下开挖土 方，安装钢支撑直至设计标高。依序自下而上顺筑施工底板、站台层侧墙及立 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 柱、中板、站厅层侧墙及立柱，施工流程如下： ( 1 ) 施工北侧人工挖孔桩，并向北侧人行道拓宽机动车道8 5 m ，施工占用北 侧两条机动车道，施工期问保证南侧六车道通行； ( 2 ) 施工中间l | 缶时立柱，开挖基坑至顶板底面，浇注北侧半幅顶板钢筋混凝 土，然后回填土，恢复路面，施工占道1 5 米。施工期间保证北侧三车道西行， 南侧三车道东行： ( 3 ) 施工南侧人工挖孔桩，开挖基坑至顶板底面，浇注南侧半幅顶板钢筋混 凝土，然后回填土，恢复路面，旌工占道1 5 米，施工期间保证北侧六车道行车： ( 4 ) 恢复正常交通，在顶板支护下，由上而下开挖土方及安装钢支撑直至设 计标高，然后顺筑法浇注垫层底板站台层侧墙中板站厅层侧 墙。 2 、交通疏解 根据施工需要，分三次疏解，详见图2 3 。 ( 1 ) 第一次疏解，北侧人行道8 5 m ，作为机动车道，施工占用北侧的两条机 动车道，南侧保证六车道行车。 ( 2 ) 第二次疏解，施工占用中间1 5 m 机动车道，南侧保证三车道行车，北侧 保证三车道行车。 ( 3 ) 第三次疏解，施工时占用南侧1 5 m ，北侧保证六车道行车 3 、施工工序 根据需要施工工序分四次，交通疏解分三次施工，详见图2 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 一、施工北侧人工挖孔桩，并向北侧二、施工中间临时立柱，丌挖基坑至琐板 人行道拓宽机动车道8 5 m ，施工占用底面，浇筑北侧半幅顶板后，恢复路面。 北侧两条机动车道，工期2 5 个月。旋工占道1 5 m ，工期4 5 个月。施工期间 施工期间保证南侧六车道行车。保证北侧三车道西行，南侧三车道东行。 三、施工南侧人工挖孔桩，开挖基坑叫、恢复正常交通，在顶板下自上而下开 至顶板底面，浇筑南侧半幅顶板后，挖土方及安装钢支撑，直至设计标高，依 恢复路面，施工占道1 5 m ，工期6 个序自下而上施工车站主体结构，工期1 2 月。施工期间保持北侧六车道行车。个月。 图2 - 3 盖挖半逆作法施工工序及交通疏解 2 2 3 盖挖顺作法 1 、施工流程 本施工方法是主体结构在临时路面系统下方开挖施工，即先施工临时路面 系统，在临时路面系统支护下，自上而下开挖土方及安装钢支撑，直至设计标 高。自下而上施工垫层、底板、站台层侧墙及立柱、中板、站厅层侧墙及立柱、 顶板，拆除临时路面系统，回填土方，恢复正式路面，其施工工流程如下。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 ( 1 ) 施工北侧人工挖孔桩及桩顶冠梁，并向北侧人行道拓宽4 m 施工占用北侧 两条机动车道。 ( 2 ) 施工南侧人工挖孔桩及桩顶冠梁，施工占用南侧两条机动车道。 ( 3 ) 施工路面板中间支承桩及桩项钢纵梁，并铺设中间带路面板，施工占用路 中机动车道，宽1 0 9 m 。 ( 4 ) 铺设南侧两车道的路面板，占用南侧两车道。 ( 5 ) 铺设北侧两车道的路面板，占用北侧两车道。 ( 6 ) 恢复路面正常交通，在临时路面系统下方顺筑法开挖施工主体结构。 自上而下开挖土方，开挖至中板面，安设一道钢支撑，并在中间路面板 支承柱处设2 根 3 2 纵向连系粱，以加强支承柱的稳定。 继续开挖至基坑底面，安置接触网，铺设基底垫层。 铺设底板防水层，模筑底板、站台层侧墙和中板后，拆除钢支撑。 模筑站厅层侧墙和顶板，铺设顶板防水层。 ( 7 ) 主体结构全部完成后，拆除南侧两条车道的路面板和钢横梁，回填土方， 恢复f 式路面。 ( 8 ) 南侧两条车道恢复通车后，拆除北侧两条车道的路面板及钢横梁，回填土 方，恢复正式路面。 ( 9 ) 北侧两条车道恢复通车后，最后拆除中间两车道路面板及钢横梁，割除中 间h 型钢支承柱，处理支承柱的防水点后，回填土方，恢复路面。 2 、交通疏解 根据施工需要，需八次交通疏解，详见图2 - 4 。 ( 1 ) 第一次交通疏解，北侧人行道拓宽4 0 m ，作为机动车道，施工占用北侧的 两车道，南侧一般路段保证六车道，上步路路i z 段保证七车道行车( 其中东行 四车道) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 ( 2 ) 第二次交通疏解，施工占用南侧的两车道，北侧一般路段保证六车道，上 步路路口段保证七车道行车( 其中东行四车道) 。 ( 3 ) 第三次交通疏解，施工占用路中两车道，北侧西行保证三车道，南侧东行 一般路段三车道，上步路路口段四车道。 ( 4 ) 第四次交通疏解，施工占用南侧两车道，北侧西行三车道，东行两车道， 南侧一般路段东行一车道，上步路路口段二车道。 ( 5 ) 第五次交通疏解，施工占用北侧两车道，北侧西行二车道，南侧西行一车 道，东行一般路段三车道，上步路路口段四车道。 ( 6 ) 第六次交通疏解，拆除南侧两车道的路面板及钢横梁，南侧一般路段东行 一车道，上步路路口段二车道，北侧西行三车道，东行二车道。 ( 7 ) 第七次交通疏解，拆除北侧两车道的路面板及钢横梁，北侧西行二车道， 南侧西行一车道，东行一般路段三车道，上步路路口段四车道。 ( 8 ) 第八次交通疏解，拆除中间两车道的路面板及钢横梁，北侧西行三牟道， 南侧东行一般路段三车道，上步路路口段四车道。 3 、施工工序 施工工序分九次，交通疏解分八次施工，详见图24 。 一、施工北侧人工挖孔桩及桩顶冠梁，占二、施工南侧人工挖孔桩及桩顶冠 用北侧二车道，工期二个半月。期间向北梁，占用南侧二车道，工期二个半月。 侧人行道拓宽4 m 成为机动车道，南侧一般北侧一般路段保证六车道，上步路