圍護結構兼豎向支撐系統在蓋挖逆作地下交通工程中的應用

呂寶偉,田巧煥

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司城交分院, 天津 300251)

1 工程概況

1.1 設計概述

某地下交通中心主體工程項目包含城際鐵路車站、地鐵車站、地下停車場、換乘通道，附屬工程包括集散大廳及既有航站樓連接通道工程。

城際鐵路車站與地鐵車站大致呈東西向平行布置；地下停車場工程位于東西兩側；換乘通道工程位于城際鐵路車站的南側；集散大廳為連接交通中心換乘通道與正在建設的航站樓的通道工程。連接通道為連接地下停車場和既有航站樓的通道工程，各子項具體位置見圖1。

圖1 交通中心各子項平面位置示意

本地下交通中心主體工程的城際鐵路車站、地鐵車站及東側地下停車場為地下雙層多跨框架結構，雙層結構基坑標準段深度為22.36 m；換乘通道、集散大廳及西側地下停車場為地下單層多跨框架結構，單層結構基坑深度為12.65 m。交通中心主體工程基坑布置見圖2。

圖2 交通中心主體工程基坑平面(單位：mm)

為確保施工安全、環境安全，不影響機場正常運營，并將施工對機場環境影響程度降低到最小，將影響周期降低到最短，交通中心主體工程(城際鐵路車站、地鐵車站、地下停車場及換乘通道)均采用蓋挖逆作法施工，圍護結構采用剛度大止水效果好的地下連續墻。

1.2 工程及水文地質條件

本工程地基土在110 m深度范圍內均為第四紀松散沉積物，主要由飽和黏性土、粉土、砂土組成，一般具有成層分布的特點。潛水含水層主要為全新統中組海相層⑥層及其以上土層，靜止水位埋深一般0.50～4.90 m。工程及水文地質具有以下特點。

(1)淺部填土局部厚度較大，最厚處約5.3 m。

(2)⑥2淤泥質粉質黏土層分布不連續，厚度不均勻，最厚處達5.2 m。

(3)土質不均勻，特別是⑥4層，局部砂性大。

(4)自上而下分布多層承壓含水層，⑧2為第一層承壓水；⑨2為第二層承壓水；(11)2、(11)4、(12)2、(13)1夾和(13)2為第三層承壓水；(14)2為第四層承壓水。

2 標準結構的豎向支撐系統

蓋挖逆作地下結構，施工期間豎向力的傳遞有2種方法：(1)利用基坑兩側的擋墻傳遞豎向力，此時車站主體為一單跨結構；(2)設置中間豎向臨時支撐系統，與基坑兩側擋墻共同傳遞豎向力[1]。中間豎向支撐系統的設計，其形式和縱向間距應綜合考慮建筑、受力、地層條件和工期等要求，通過技術經濟比較確定。宜優先采用臨時支撐柱與永久柱合一的結構方案[3]。結構兩側邊墻處利用地下連續墻作為施工階段支護結構兼作豎向支撐，使用階段作為抗浮措施；單一的雙層結構與單層結構的立柱采用鋼管混凝土柱，下設鉆孔灌注樁基礎兼作豎向支撐及抗浮措施，鋼管混凝土結構適用于大跨、高層、重載和抗震抗爆結構的受壓構件[5]；兩側地下連續墻支護結構及鉆孔灌注樁基礎兼作豎向支撐及抗浮措施方案，均具有結構一次完成、永久結構與臨時結構結合、結構體系轉換次數少、便于過程控制、節約工期、節省投資等優點，施工工藝成熟，在蓋挖法施工的工程中已得到廣泛應用。

3 圍護結構和豎向支撐系統設計需要解決的關鍵問題

機場交通中心工程場地地下水水位高，基坑深，地下結構體量大，圍護結構應起到截水防滲并承受周圍水土的側壓力作用，為基坑開挖提供必要條件；豎向支撐系統在施工階段承受結構自重和全部的施工荷載，還在使用階段作為工程抗浮樁和永久結構立柱承受結構自重及水土壓力等永久荷載；如何確保圍護結構和豎向支撐系統的技術可靠，經濟合理，是設計中需要解決的關鍵問題。

4 一級基坑與二級基坑交界處豎向支撐系統設計方案分析

中間豎向支撐系統的設置方法有3種：(1)在永久柱兩側單獨設置臨時柱；(2)臨時柱與永久柱合一；(3)臨時柱與永久柱合一，同時增設臨時柱。立柱位置的設置，是逆作法設計的先導，應以經濟性和合理性為宗旨，同時綜合考慮材料、安全度、接口處理等多項因素[6]。

一級基坑內部的二級基坑地下連續墻，因為墻頂在負一層底板處，不能直接兼顧豎向支撐作用。常用的方法為在施作地下連續墻圍護結構的同時，再設置工程樁及結構柱作為豎向支撐，即單獨設置圍護結構及工程樁方案。在地下連續墻上設置施工階段臨時柱，地下連續墻和臨時型鋼格構柱組成的結構體系兼顧了圍護結構豎向支撐系統的功能，即圍護結構兼豎向支撐方案。如圖3所示。

4.1 單獨設置圍護結構及工程樁方案

該方案二級基坑地下連續墻支護結構與工程樁柱單獨設置，主體結構鋼管混凝土柱下設鉆孔灌注樁，樁柱共同組成施工期間豎向支撐體系，施工期間承受各層結構板傳遞的豎向載荷，在使用階段作為工程永久抗浮結構，見圖3(a)。

工程樁如采用鉆孔灌注直樁，樁長較長，受場地地質條件的限制，施作難度較大。為提高單樁承載力，減短樁長，降低造價，因此采用擴孔灌注樁，即將樁端底部或樁身中間擴大，形成的擴孔樁能有效提高單樁承載力和增加抗拔力，適應各種復雜的地質條件，且不受施工場地限制，并在其擴孔同時進行樁端及樁側后注漿，以便更充分發揮擴孔樁提高承載力、減少沉降的作用。由于工程樁擴孔直徑較大，綜合考慮施工精度等因素，圍護結構地下連續墻與工程樁之間需預留足夠空間，以確保工程的可實施性，增加了部分土建工程量，增加了工程投資，而該部分空間利用效率極低。

圖3 豎向支撐系統設計方案(單位：mm)

4.2 圍護結構兼豎向支撐方案

該方案為合理利用地下連續墻豎向承載力，將一級基坑內部的二級基坑地下連續墻作為臨時立柱豎向基礎，地下連續墻結構上設置施工階段臨時立柱，地下連續墻與臨時立柱組成豎向支撐體系，進行蓋挖逆作施工，各層結構板施工完成后，實施主體結構永久柱，最后拆除臨時立柱，見圖3(b)。

作為支護結構時，地下墻上的荷載主要是土壓力、水壓力及地面荷載引起的附加荷載。當作為永久結構時，除以上荷載外，還有上部結構傳來的豎直荷載、水平荷載及彎矩等[4]。地下連續墻作為基坑支護結構的計算按《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120—99)執行。

4.3 綜合評價

單獨設置圍護結構及工程樁方案、圍護結構兼豎向支撐方案綜合評價見表1。

表1 方案綜合評價

經過綜合比較，將圍護結構兼豎向支撐作為本工程實施方案。

4.4 變形沉降分析

本工程施工時，對一級基坑內部的二級基坑地下連續墻及周邊樁柱均進行了沉降觀測點布設，基坑開挖前至主體結構完成施工，全程對沉降觀測點進行監測，見圖4、圖5。監測結果表明：

圖4 地下連續墻頂隆沉曲線

(1)施工期間地下連續墻及中間樁柱隆沉量較大，最大達34 mm，并均以隆起為主要趨勢；

(2)土體開挖期間地下連續墻及中間樁柱隆沉量增加明顯；

(3)本著平衡對稱開挖原則，地下連續墻與中間樁柱隆沉量差異值較小，相鄰地下連續墻與中間樁柱差異沉降比均小于1/1 000。

圖5 中間樁柱頂隆沉曲線

5 結語

當地下連續墻作為基礎的一部分時，除了承受水平側向荷載外，由于墻側壁及墻底可分別提供側摩阻力及端阻力，其豎向承載力仍相當可觀，若合理地利用其豎向承載力，可使基礎設計更加經濟[4]。

豎向支撐系統是蓋挖逆作法的關鍵構件，本文僅就蓋挖逆作設計與施工的部分問題，提供一些個人看法，希望能為同類工程提供一些參考。目前，該工程主體結構已順利竣工，筆者認為圍護結構兼豎向支撐設計及施工可以改進的和需要注意的有以下幾點：(1)地下連續墻上格構柱在條件允許情況下可以考慮永臨結合，作為結構側墻一部分或利用臨時格構柱施作鋼骨混凝土柱。可更有效減少工程量和簡化施工工序，降低工程造價。(2)每幅地下墻中設置墻趾注漿管，對墻底土體進行注漿加固；每根工程樁的樁端及樁側預埋注漿管并進行樁端及樁側后注漿，可有效地控制其豎向隆沉量，并提高其豎向承載力。(3)富水軟土地區地下連續墻及中間樁柱的隆沉量絕對值相對較大，控制相鄰豎向支撐的差異沉降量是確保結構安全的關鍵。

[1] 施仲衡.地下鐵道設計與施工[M].西安：陜西科學技術出版社，2002.

[2] JGJ94—2008，建筑樁基技術規范[S].

[3] GB50157—2003，地鐵設計規范[S].

[4] 劉昌輝,時紅蓮.基礎工程學[M].武漢:中國地質大學出版社，2005.

[5] 趙善同，陳志良.地下連續墻在杭州地鐵車站深基坑支護中的應用[J].鐵道標準設計，2009(9):94-97.

[6] 蔡紹懷.現代鋼管混凝土結構(修訂版)[M].北京:人民交通出版社，2007.

[7] 萬清.石家莊六線隧道深基坑圍護體系設計探討[J].鐵道標準設計，2012(10)：61-65.

[8] 夏明耀，曾進倫.地下工程設計施工手冊[M].北京:中國建筑出版社，1999.