地鐵車站逆作法施工中鋼支撐設(shè)計參數(shù)優(yōu)化分析

尉勝偉

(蘇州軌道交通有限公司,江蘇蘇州 215006)

1 工程概況

新蘇州站是一座集鐵路、城市軌道、城市道路交通換乘功能于一體的現(xiàn)代化大型交通樞紐,位于蘇州市平江新城,地上2層、地下3層,建筑面積85 717 m2。地鐵換乘車站位于火車站站房與高架候車廳正下方,要求同期建設(shè)完成。地上兩層及地下一層為站房使用,地下二層、負(fù)三層為地鐵車站,地鐵站采取暗挖逆作法施工,開挖面積為3 278 m2,自負(fù)一層地面開挖深度為13 m左右,兩端局部端頭井深度為15 m,地鐵站基坑四周的800 mm厚地下連續(xù)墻不僅作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),還作為站房主體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

本工程施工內(nèi)容多,涵蓋了“鐵路橋梁、車站房建、市政地鐵”三大類,施工任務(wù)重,專業(yè)工種多,工序交叉紛繁復(fù)雜,施工總工期為29個月,工期較緊。此外,周邊環(huán)境復(fù)雜,多單位施工,有線路、路基、四電、雨棚、站前廣場、市政高架橋梁、配套房屋等工程同時施工,作業(yè)面緊密相連且相互交叉,存在相互間的干擾和制約。

本工程軟土地質(zhì)土方開挖難度大,安全事故易發(fā)點多。地下一層基坑開挖面積近4萬 m2,根據(jù)國鐵站房和地鐵站的功能要求,基坑深淺不一,負(fù)一層基坑深約10.5 m,且在大基坑中還有地鐵站基坑的二次開挖,是典型的坑中坑施工。地下二層基坑深約17.5 m,地下三層基坑深約23.4 m。對開挖順序、分層、行車路線等均提出嚴(yán)格要求。

本工程的工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件如下。

(1)工程地質(zhì)條件

基坑開挖深度范圍內(nèi)的土層主要為人工填土、③1層硬～可塑黏土、③2層軟～可塑粉質(zhì)黏土、④2層軟～流塑粉質(zhì)黏土、④3層稍～中密粉砂夾粉質(zhì)黏土、④5層軟～流塑粉質(zhì)黏土及⑤1層黏土；圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入土層為⑥3a層粉質(zhì)黏土或⑥3c層粉質(zhì)黏土。

(2)水文地質(zhì)條件

微承壓水：主要為④3粉土夾粉質(zhì)黏土,局部夾較多粉質(zhì)黏土,其透水性及賦水性一般～中等。該含水層埋深及厚度均有一定變化,埋深在6.80～12.20 m,厚度在1.30～6.50 m。據(jù)區(qū)域資料[1],蘇州市歷年最高微承壓水頭高程為1.74 m,最低承壓水頭高程為0.62 m。

承壓水：主要為⑥2粉土夾粉質(zhì)黏土,局部夾較多粉質(zhì)黏土,其透水性及賦水性一般～中等。該含水層埋深及厚度均有一定變化,埋深在29.00～34.90 m,厚度在3.90～10.50 m,為對車站施工影響較大的含水層。該含水層的補(bǔ)給來源主要為承壓水的越流補(bǔ)給及地下徑流補(bǔ)給。承壓水頭埋深在2.80 m左右,承壓水頭相應(yīng)高程在-1.32 m左右,據(jù)區(qū)域資料,年變幅為1 m左右。

2 原設(shè)計方案分析

2.1 設(shè)計方案

地鐵站采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),并與內(nèi)襯墻形成疊合結(jié)構(gòu),且是火車站站房柱的基礎(chǔ),設(shè)計地下連續(xù)墻厚800 mm。根據(jù)工期安排,為盡可能縮短施工周期,兩層地鐵站采用逆作法施工,利用負(fù)一層板、負(fù)二層板作為基坑開挖期間的支撐系統(tǒng),并在負(fù)三層內(nèi)土方開挖時設(shè)臨時鋼支撐,間距3 m,地鐵車站剖面如圖1所示。

圖1 地鐵站剖面及地質(zhì)分布(單位：mm)

2.2 原方案中制約工期的節(jié)點

本工程采用逆作法施工的目的是在要求工期內(nèi)同時完成站房和地鐵車站的結(jié)構(gòu)工程[2],原設(shè)計中,為保障施工中基坑的安全,在負(fù)三層設(shè)置了間距3 m的鋼支撐。在逆作土方開挖時,需采用長臂挖機(jī)與小挖機(jī)配合作業(yè),施工操作空間因支撐間距過密而嚴(yán)重不足,機(jī)械臂不能自由旋轉(zhuǎn),制約了挖土工效,且所用鋼支撐僅能從出土口吊放入坑內(nèi),然后水平運輸進(jìn)行安裝和拆卸,對施工工期也存在很大制約,如圖2所示。

圖2 逆作法基坑開挖示意(高程為絕對高程)

3 逆作法施工中支撐參數(shù)優(yōu)化的依據(jù)

要優(yōu)化逆作施工條件,加快施工進(jìn)度,需在保質(zhì)保安全的前提下,對外部及內(nèi)部工況進(jìn)行分析,掌握合理充分的依據(jù),經(jīng)過科學(xué)的模擬驗算,才可實施支撐的增減。因此,在負(fù)二層逆作施工過程中,加強(qiáng)對各項數(shù)據(jù)的收集整理并進(jìn)行分析,然后進(jìn)行優(yōu)化完善。

3.1 承壓水對基坑影響的分析

根據(jù)地下連續(xù)墻基底高程為-50.3～-56 m,理論上已將場地周邊與基坑內(nèi)的微承壓水和承壓水層隔斷,無外部承壓水向內(nèi)補(bǔ)給的工況。為驗證承壓水是否存在因連續(xù)墻的墻體質(zhì)量缺陷而有繞流現(xiàn)象,避免造成基坑施工安全隱患。在前期地鐵站降水設(shè)計時,均勻布設(shè)4口降壓井對承壓水進(jìn)行降排,通過觀測其水位回升速度從而判定承壓水層部位的連續(xù)墻質(zhì)量。降壓井于2008年12月進(jìn)行抽水試驗,水位下降至-23 m,后經(jīng)檢測,水位基本未有回升,8個月后降壓井水位高程為-20 m左右。據(jù)此可確定承壓水層被地下連續(xù)墻有效隔斷。

3.2 地下連續(xù)墻體質(zhì)量確定

通過基坑負(fù)二層的開挖,對所有連續(xù)墻質(zhì)量進(jìn)行檢測,開挖完成后,所有外露的墻體混凝土密實,鋼筋無外露現(xiàn)象,墻面平整度良好,觀感質(zhì)量優(yōu)；根據(jù)其28 d的試塊檢測,其強(qiáng)度平均值為45.24 MPa,強(qiáng)度符合設(shè)計要求；墻幅間采用的H型鋼接頭性能良好,整體性強(qiáng),無滲漏；墻體位置經(jīng)實測實量,與原成槽時定位基本一致,無侵限。

根據(jù)2008年地下連續(xù)墻施工時的記錄資料,初始幅連續(xù)墻成槽及澆筑混凝土?xí)r,槽壁發(fā)生坍塌,范圍在地面以下17 m的范圍之內(nèi),槽壁在17 m以下基本未有變形,后經(jīng)采取高壓旋噴樁進(jìn)行槽壁加固,成槽質(zhì)量獲得理想效果,因此結(jié)合目前已開挖部分的墻體質(zhì)量,可以基本確定在高程-15 m以下的墻體質(zhì)量會更有保障。經(jīng)第三方對地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測,墻體質(zhì)量均為Ⅰ類。

3.3 負(fù)二層施工過程中監(jiān)測情況

在負(fù)二層開挖過程中,委托第三方對地下連續(xù)墻在基坑土方開挖過程中的墻體變形進(jìn)行全過程監(jiān)測。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,監(jiān)測點墻體累計變形2～3 mm,遠(yuǎn)小于設(shè)計文件規(guī)定的最大水平位移≤0.14%H(H為基坑開挖深度,這里為7 m)的標(biāo)準(zhǔn),可判定連續(xù)墻自身剛度很大,質(zhì)量良好。

根據(jù)以上幾個方面的分析和結(jié)論,在負(fù)三層基坑施工中,支撐體系存在可優(yōu)化的空間。

4 鋼支撐設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化驗算

4.1 計算模型及參數(shù)

結(jié)合地鐵車站的結(jié)構(gòu)特點,建立平面應(yīng)變數(shù)值計算模型,并作以下幾個方面的考慮。

①連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)、各層底板采用板單元模擬,計算結(jié)構(gòu)單元的彎矩與軸力。②鋼支撐采用錨桿單元模擬,只計算軸力,不計算彎矩。③土體采用15節(jié)點的三角形實體單元模擬,并選用H-S本構(gòu)模型[3],即硬化塑性模型,該模型為能較好地模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型土體行為的先進(jìn)模型。④結(jié)構(gòu)單元與實體單元間設(shè)置接觸單元,接觸面剛度用強(qiáng)度折減系數(shù)R來模擬,根據(jù)計算經(jīng)驗,確定地下連續(xù)墻與土體之間的接觸剛度系數(shù)Rinter=0.6。

數(shù)值計算過程根據(jù)本工程逆作施工工序分為10步：①計算初始應(yīng)力狀態(tài)；②施作地下連續(xù)墻；③施作負(fù)一層板；④開挖負(fù)二層土體,每步開挖不超過3 m；⑤施作負(fù)二層板；⑥開挖負(fù)三層土體到鋼支撐位置；⑦施作鋼支撐；⑧繼續(xù)開挖負(fù)三層土體到底板位置；⑨施作負(fù)三層板；⑩拆除鋼支撐。

計算尺寸根據(jù)基坑開挖深度和寬度,并考慮邊界效應(yīng)的影響。基坑寬28 m,連續(xù)墻最大深度44 m,考慮左右兩側(cè)邊界效應(yīng)各再取30 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部以下再取20 m。最終計算模型深度方向64 m,寬度方向88 m。模型底部x、y雙向約束,模型左右兩側(cè)x方向約束,模型頂部為自由邊界。計算示意如圖3所示。

圖3 計算示意(單位：m)

結(jié)構(gòu)和土體的數(shù)值計算參數(shù)列于表1、表2。土體的計算參數(shù)是將地層參數(shù)相近的相鄰亞層合并后的取值。土壓力計算時,土體的側(cè)壓力系數(shù)按表1中靜止側(cè)壓力系數(shù)取值,為極大值,偏安全。

表1 土體材料的計算參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)的計算參數(shù)

4.2 計算結(jié)果及分析

為建立既能準(zhǔn)確模擬工程結(jié)構(gòu)條件,又適當(dāng)簡化的合理數(shù)值計算模型。計算分析前,首先對底板與立柱的連接方式、是否考慮連續(xù)墻上站房柱荷載的影響、以及是否考慮連續(xù)墻外側(cè)城際鐵路橋梁樁基的影響等因素進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明：上述各對比工況中連續(xù)墻的變形與內(nèi)力曲線規(guī)律相一致,板與立柱的連接關(guān)系對連續(xù)墻的變形和內(nèi)力規(guī)律影響較小；考慮連續(xù)墻上站房柱豎向荷載時,連續(xù)墻的水平變形、最大負(fù)彎矩稍有減小,而最大正彎矩變化不大；考慮連續(xù)墻外側(cè)的樁基影響時,連續(xù)墻的水平變形、最大負(fù)彎矩稍有減小。因此,從安全出發(fā),在計算模型中,將各層底板與立柱的連接當(dāng)成鉸接處理,且不計入連續(xù)墻上的豎向荷載作用和連續(xù)墻外側(cè)樁基的遮攔影響。

圖4～圖6對比了負(fù)三層鋼支撐間距為6、3 m及不設(shè)支撐時,連續(xù)墻的變形與內(nèi)力圖。圖中第一步開挖為施工完負(fù)二層,第二步開挖為施工到鋼支撐位置,第三步開挖為施工到負(fù)三層底板。

從圖中可以看出,隨著基坑開挖深度加大,連續(xù)墻變形逐漸增大,且最大變形均發(fā)生在當(dāng)前開挖深度附近。隨著鋼支撐拆除,連續(xù)墻的最大變形位置有所上升,而變形量變化較小。此外,從彎矩圖可以看出,基坑開挖過程中,最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在負(fù)二層板所在位置,且隨著基坑開挖深度加大和拆除鋼支撐,負(fù)彎矩均有所增大。基坑開挖到坑底時,最大正彎矩出現(xiàn)在坑底附近。隨著施工完負(fù)三層底板、拆除鋼支撐后,最大正彎矩位置有所上升,但正彎矩值增加較小。

圖4 鋼支撐間距為6 m時連續(xù)墻的變形、內(nèi)力曲線

圖5 鋼支撐間距為3 m時連續(xù)墻的變形、內(nèi)力曲線

圖6 無鋼支撐時連續(xù)墻的變形、內(nèi)力曲線

圖7給出了鋼支撐在不同間距條件下,連續(xù)墻在施工過程中的最大變形、彎矩對比曲線。

圖7 不同鋼支撐間距對連續(xù)墻的變形與內(nèi)力影響

從圖7中可以看出,隨著鋼支撐間距增加,連續(xù)墻的最大變形、最大負(fù)彎矩、最大正彎矩均有所增大。鋼支撐的間距從3 m增加到6 m,以及不設(shè)鋼支撐情況下,連續(xù)墻的最大水平變形從12.9 mm增加到14.6、19.7 mm；最大負(fù)彎矩從622.6 kN·m/m增加到689、985.5 kN·m/m；最大正彎矩從630.6 kN·m/m增加到700、953.3 kN·m/m。

此外,隨著鋼支撐間距增加,支撐的軸力也增大,支撐間距從3 m增加到6 m,鋼支撐的軸力從1 154.4 kN增大到1 746 kN。

根據(jù)該工程連續(xù)墻的配筋圖和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[4],計算得到連續(xù)墻正截面抗彎極限承載力為1 445 kN·m/m(開挖側(cè))、722.5 kN·m/m(迎土側(cè)),均大于鋼支撐間距為6 m時連續(xù)墻實際承受的最大正負(fù)彎矩值。另外,根據(jù)水平向配筋計算得到連續(xù)墻水平抗彎極限承載力為200.3 kN·m/m,大于鋼支撐間距為6 m時連續(xù)墻實際承受的最大水平彎矩值(160.3 kN·m/m)。而支撐間距取6 m時鋼支撐的軸力計算值均不超過2 000 kN,低于支撐軸力設(shè)計值。

5 施工過程的數(shù)據(jù)監(jiān)測

為了及時收集、反饋和分析周圍環(huán)境及圍護(hù)結(jié)構(gòu)在施工中的變形信息,實現(xiàn)信息化施工,確保施工安全。根據(jù)施工現(xiàn)場環(huán)境條件、設(shè)計單位確定的監(jiān)測內(nèi)容要求,確定以下幾方面監(jiān)測內(nèi)容。

支承軸力：采用鋼弦式軸力計及VW-1型頻率接收儀進(jìn)行監(jiān)測,了解逆作法土方開挖及結(jié)構(gòu)施工中,支撐的軸力大小及其變化情況并進(jìn)行分析,對圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否安全進(jìn)行判斷。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移：采用SINCO水平測斜儀與預(yù)埋于放入連續(xù)墻內(nèi)測斜管進(jìn)行監(jiān)測,了解逆作法土方開挖及結(jié)構(gòu)施作中圍護(hù)結(jié)構(gòu)在不同深度處的水平位移情況并進(jìn)行分析,對圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否安全進(jìn)行判斷。

經(jīng)對開挖及結(jié)構(gòu)施工中的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,鋼支承軸力最大值為731.42 kN,遠(yuǎn)低于2 000 kN的支撐軸力設(shè)計值；連續(xù)墻的水平變形最大值為13.68 mm,均不超過設(shè)計文件規(guī)定的最大水平位移≤0.14%H(H為基坑開挖深度,這里為15 m)的標(biāo)準(zhǔn)。

6 綜合比較分析

(1)經(jīng)濟(jì)分析

鋼支撐由3 m間距合理優(yōu)化為6 m,可減少支撐35道,節(jié)約租賃、運輸、安裝、拆卸等費用約25.7萬元；

(2)工期分析

支撐間距增大1倍,方便機(jī)械化作業(yè),使機(jī)械的施工工效得到極大提高,同時減少了35道支撐安設(shè)拆卸時間,可提前工期28 d。

7 結(jié)論

針對火車站站房與地鐵車站同步實施以及地鐵車站采用逆作法施工的特點,結(jié)合現(xiàn)場施工量測,對地鐵站的鋼支撐支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化分析。既保證了地鐵站逆作法施工與上部火車站建筑物的安全施工,又取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益并節(jié)約了建設(shè)工期。現(xiàn)場施工過程中連續(xù)墻的變形在21 mm之內(nèi),達(dá)到了預(yù)期分析的目標(biāo)。

[1]繆曉圖.蘇錫常地區(qū)孔隙Ⅱ承壓水開采條件與水、土應(yīng)力平衡探討[J].江蘇地質(zhì),2004,28(4):233-237.

[2]夏明耀,曾進(jìn)倫.地下工程設(shè)計施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1999．

[3]李曉晶.淺析某蓋挖逆作地鐵車站的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2007(3)：81-82.

[4]P,B.J.Brinkgreve. PLAXIS 2D-Version 8 Reference Manual[M]. Netherlands: A.A.Balkema Pubfishem, 2002．

[5]GB50010—2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]．