松山湖地鐵車站深基坑擴挖換撐新技術

林光穩，雍 毅，李 鍇

(1.中交第一公路工程局廈門工程有限公司，福建廈門 361021;2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

0 引言

在城市深基坑的開挖與支護工程中，由于道路、地下管線、建筑物等緊鄰基坑，為確保附近管線、構筑物及周邊道路行車安全，需對基坑開挖和支護過程采取切實可行的技術方案。對此，文獻［1］結合施工現場實際工況對支撐體系進行了優化，取消了首層腰梁的施工與破除工序;文獻［2－4］從基坑的穩定性和變形方面進行了研究;文獻［5－7］對基坑的監測布點進行分析。以上研究主要針對已有基坑的開挖與支護方案而言，但是在已有深基坑基礎上進行加寬、加長，從而對基坑的內支撐體系進行相應調整的工程卻并不多見。松山湖車站是廣東省東莞至惠州城際軌道交通項目的明挖地下車站，因車站設計方案變更調整，整個車站基坑需在原基礎上進行加寬、加長后，才能滿足新標準的相關技術指標要求。為保證深基坑擴挖換撐施工安全，制訂了深基坑擴挖換撐施工技術新方案，并對擴建基坑和內支撐拆換施工過程進行了監測。

1 工程概況

松山湖車站位于松山湖大道和新城路十字路口西側，沿松山湖大道偏新城路口設置。車站的工程地質主要為素填土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土、全風化混合片麻巖、強風化混合片麻巖和弱風化混合片麻巖。

車站為地下2層，島式站臺，車站原設計中心里程為 DK32+927.303，軌面高程為 1.632，基坑長237.1 m，寬21.5 ～27.0 m，基坑深18.88 ～20.93 m，圍護結構采用φ1 200@1 300鉆孔樁+φ600旋噴樁樁間止水。基坑內設置內支撐體系，豎向設3道內支撐，內支撐采用第1道600×1 200的鋼筋混凝土支撐，水平間距約9.0 m，其余采用 φ600，t=16 鋼管支撐，水平間距約3.0 m;車站兩端斜撐處設臨時中立柱，臨時中立柱由4根角鋼靠綴板連接而成。由于技術標準發生調整，需對原有車站進行改造，改造后的新基坑長度調整為305.5 m，寬度調整為 30.44 ～ 35.94 m，深度調整為18.5 ～22.0 m。

2 擴挖換撐技術方案設計

按原車站方案，基坑已開挖至基底且鋼支撐已架設完成。因設計方案調整，整個車站原基坑需進行加寬、加長，原基坑圍護結構需改造西北(加長段)、西南側(加寬段)圍護樁，同時在基坑擴挖過程中，為了保證基坑圍護結構的穩定性，需對原基坑內的鋼支撐進行換撐，同時考慮到新基坑加寬了6 m左右，基坑內的第1道混凝土支撐及基坑內的鋼支撐彎矩、撓度、內力比原基坑會增大，因此新基坑圍護結構保留了需破除的原圍護結構的部分鉆孔灌注作為臨時中立柱，同時將原基坑圍護結構由原來的3道鋼支撐增設至4道鋼支撐，以保證整個支護結構的安全。

基坑擴挖換撐施工流程步驟如下:1)先施作擴建基坑圍護樁及冠梁;2)植筋接長第1道混凝土支撐，開挖擴建基坑，保留原有冠梁及部分圍護樁(作為臨時立柱)，其余圍護樁隨開挖鑿除;3)開挖到新基坑支撐設計標高處架設第2道支撐，之后拆除原基坑的第2道支撐(新支撐比原支撐高1.4 m左右);4)以此類推開挖，并增設第4道鋼支撐，開挖至基坑底設計標高。車站改造前后平面圖見圖1，改造前后擴挖換撐剖面見圖2。

3 理論計算與分析

由于新圍護結構施工需改造西北、西南側圍護樁及在基坑開挖過程中需對基坑內支撐的受力體系進行轉換，受力體系較為復雜，為了在施工過程中掌握基坑圍護支撐體系的變形及內力情況，判斷基坑圍護結構的安全狀態，運用理正深基坑支護6.0 PB1軟件，將主動側土體簡化成主動土壓力，被動側土體(開挖面以下)簡化為水平彈簧，支護結構(樁、立柱、內撐、斜撐、冠梁及腰梁)剖分成有限單元進行整體建模計算，完成了混凝土支撐梁的內力、位移和內支撐的軸力計算。

3.1 巖土參數

見表1。

3.2 計算模型

見圖3。

3.3 計算結果

1)換撐前后混凝土支撐梁位移比較。混凝土支撐梁一般作為基坑的第1道支撐，以保證圍護結構的穩定性，控制圍護結構的變形，換撐前后混凝土支撐梁的位移比較見圖4。

2)擴挖換撐前后混凝土支撐梁內力比較。見圖5。

圖1 車站改造前后平面圖(單位:m)Fig.1 Plan layout of Metro station(m)

表1 巖土參數表Table 1 Geotechnical parameters

3)換撐后內支撐軸力情況。換撐后混凝土支撐最大支撐軸力為1 045.4 kN，小于原設計安全報警值1 307 kN。換撐后鋼支撐最大支撐軸力位于第3道內支撐斜撐處，最大值為1 200.013 kN，小于原設計安全報警值1 520 kN。

4)換撐前后混凝土支撐梁內力和位移比較見表2。通過理論計算表明，深基坑換撐后支撐梁內力和位移比換撐前略微增大，但都小于設計［8］和規范［9］允許值，鋼支撐軸力也小于原設計安全報警值，該換撐方案從理論上基本安全可行。

表2 混凝土支撐梁內力和位移比較Table 2 Internal force and displacement of concrete support beam

5)臨時中立柱穩定性分析。基坑內部設置水平支撐的工程，一般需要設置豎向支承系統，用以承受混凝土支撐梁和鋼支撐的自重等荷載。而基坑豎向支承系統目前采用較多的是角鋼格構柱(因其構造簡單，便于加工且承載力較大)，即臨時中立柱，并通過架設縱向聯系梁與混凝土支撐和鋼支撐連接，形成共同受力。在深基坑施工中，臨時中立柱是基坑實施期間的關鍵構件，臨時中立柱的可能破壞形式有強度破壞、整體失穩和局部失穩等幾種，一般情況下，整體失穩破壞是臨時中立柱的主要破壞形式，強度破壞只可能是在其截面有削弱的條件下發生。因此，需要通過合理的布置臨時中立柱的間距，以避免立柱上的荷載超過立柱的臨界荷載而發生整體失穩破壞。臨時中立柱是由4根角鋼組成的，角鋼之間由由綴板連接而成，臨時中立柱水平剖面如圖6所示。

圖6 臨時中立柱橫剖面詳圖(單位:mm)Fig.6 Profile of temporary intermediate column(mm)

原方案已有臨時中立柱長28.7 m(s=295.6﹥p=100)，為細長桿，該立柱可用歐拉公式［10］計算臨界應力

臨時中立柱的布置間距為6 m時，有限元計算臨時中立柱LZ－6承受的最大荷載為282.04 kN，而立柱的臨界應力為395.28 kN ＞282.04 kN，因此，立柱的穩定性滿足要求。

按擴挖換撐方案施工時，保留部分原圍護樁作為臨時中立柱承擔安全儲備較大，因而不再對其進行穩定性驗算。保留圍護樁作為臨時中立柱的布置間距主要依據原混凝土支撐梁之間的間距，原混凝土支撐梁通過植筋接長成為新的混凝土支撐梁后，混凝土支撐梁的荷載增加較多，且考慮植筋處結構連接比較薄弱，因而，保留每道混凝土支撐梁附近的圍護樁作為新的臨時中立柱，以確保結構安全。

4 擴挖換撐施工技術要點

1)先施作擴建基坑圍護樁及冠梁。

2)植筋接長第1道混凝土支撐梁，開挖擴建基坑，保留原有冠梁及部分圍護樁(作為臨時立柱)，其余圍護樁隨開挖鑿除。混凝土支撐植筋連接見圖7。

3)在開挖鑿除過程中，在鋼支撐的上部掛設安全防護網，防止在鑿樁過程中，鑿除的混凝土掉落到鋼支撐上，造成鋼支撐受力發生變化，影響圍護結構安全。

4)開挖到新基坑支撐設計標高處架設第2道支撐(新支撐比原支撐高1.4 m左右)，連續觀察新老支撐的軸力變化情況，穩定之后拆除原基坑的第2道支撐，完成第2道鋼支撐的受力體系轉化。擴挖換撐現場施工見圖8。

5)以此類推開挖，并增設第4道鋼支撐，開挖至基坑底設計標高。

6)在新老基坑擴挖換撐的過程，必須加強基坑的監控量測工作，隨時將測試結果與設計及上述的計算結果進行比較。

圖8 擴挖換撐現場施工圖Fig.8 Enlarging and support-replacing of foundation pit

5 監測數據反饋

該車站換撐監控量測成果見表3，監測結果表明，現場深基坑采用擴挖換撐方案組織施工是安全可靠的，滿足設計要求。

表3 車站換撐監控量測成果Table 3 Monitoring results

目前，該車站大部分主結構已施工完畢，從擴挖換撐各項監測數據分析來看，整個基坑圍護結構及支撐受力體系轉換平穩，各項監測指標均小于設計允許值，與模擬計算結果基本吻合，基坑處于穩定可控狀態，說明該換撐方案切實可行。

6 結論與討論

1)在車站換撐方案施工中，保留原部分鉆孔灌注樁作為臨時中立柱，通過縱向聯系梁讓支撐和臨時中立柱連接成整體，不僅保證了支撐的穩定性和基坑的安全要求，還避免了另外采取其他加固措施加固支撐的費用，合理地利用了廢舊的樁基，降低了改造的成本。

2)在鋼支撐施工中采取了先架設好新建支撐，再拆除原支撐的做法，實現了基坑受力體系的安全轉換。

總之，在基坑擴挖換撐過程中，只有結合工程實際，通過理論分析，掌握基坑擴挖換撐過程中的受力體系變化情況，在施工過程中采取切實可行的施工安全技術措施，同時加強施工過程中的監控量測，才能實現基坑擴挖換撐受力體系的安全轉換，從而確保工程施工安全。

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