圍護結(jié)構兼豎向支撐系統(tǒng)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(cè)；換乘通道工程位于城際鐵路車站的南側(cè)；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(cè)地下停車場為地下雙層多跨框架結(jié)構，雙層結(jié)構基坑標準段深度為22.36 m；換乘通道、集散大廳及西側(cè)地下停車場為地下單層多跨框架結(jié)構，單層結(jié)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(huán)境安全，不影響機場正常運營，并將施工對機場環(huán)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(jié)構采用剛度大止水效果好的地下連續(xù)墻。

1.2 工程及水文地質(zhì)條件

本工程地基土在110 m深度范圍內(nèi)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(tǒng)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(zhì)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(zhì)粉質(zhì)黏土層分布不連續(xù)，厚度不均勻，最厚處達5.2 m。

(3)土質(zhì)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(jié)構的豎向支撐系統(tǒng)

蓋挖逆作地下結(jié)構，施工期間豎向力的傳遞有2種方法：(1)利用基坑兩側(cè)的擋墻傳遞豎向力，此時車站主體為一單跨結(jié)構；(2)設置中間豎向臨時支撐系統(tǒng)，與基坑兩側(cè)擋墻共同傳遞豎向力[1]。中間豎向支撐系統(tǒng)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(jīng)濟比較確定。宜優(yōu)先采用臨時支撐柱與永久柱合一的結(jié)構方案[3]。結(jié)構兩側(cè)邊墻處利用地下連續(xù)墻作為施工階段支護結(jié)構兼作豎向支撐，使用階段作為抗浮措施；單一的雙層結(jié)構與單層結(jié)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(jié)構適用于大跨、高層、重載和抗震抗爆結(jié)構的受壓構件[5]；兩側(cè)地下連續(xù)墻支護結(jié)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(jié)構一次完成、永久結(jié)構與臨時結(jié)構結(jié)合、結(jié)構體系轉(zhuǎn)換次數(shù)少、便于過程控制、節(jié)約工期、節(jié)省投資等優(yōu)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(jié)構和豎向支撐系統(tǒng)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(jié)構體量大，圍護結(jié)構應起到截水防滲并承受周圍水土的側(cè)壓力作用，為基坑開挖提供必要條件；豎向支撐系統(tǒng)在施工階段承受結(jié)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(jié)構立柱承受結(jié)構自重及水土壓力等永久荷載；如何確保圍護結(jié)構和豎向支撐系統(tǒng)的技術可靠，經(jīng)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(tǒng)設計方案分析

中間豎向支撐系統(tǒng)的設置方法有3種：(1)在永久柱兩側(cè)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(jīng)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(nèi)部的二級基坑地下連續(xù)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(xù)墻圍護結(jié)構的同時，再設置工程樁及結(jié)構柱作為豎向支撐，即單獨設置圍護結(jié)構及工程樁方案。在地下連續(xù)墻上設置施工階段臨時柱，地下連續(xù)墻和臨時型鋼格構柱組成的結(jié)構體系兼顧了圍護結(jié)構豎向支撐系統(tǒng)的功能，即圍護結(jié)構兼豎向支撐方案。如圖3所示。

4.1 單獨設置圍護結(jié)構及工程樁方案

該方案二級基坑地下連續(xù)墻支護結(jié)構與工程樁柱單獨設置，主體結(jié)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(jié)構板傳遞的豎向載荷，在使用階段作為工程永久抗浮結(jié)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(zhì)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(zhì)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(cè)后注漿，以便更充分發(fā)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(jié)構地下連續(xù)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(tǒng)設計方案(單位：mm)

4.2 圍護結(jié)構兼豎向支撐方案

該方案為合理利用地下連續(xù)墻豎向承載力，將一級基坑內(nèi)部的二級基坑地下連續(xù)墻作為臨時立柱豎向基礎，地下連續(xù)墻結(jié)構上設置施工階段臨時立柱，地下連續(xù)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(jié)構板施工完成后，實施主體結(jié)構永久柱，最后拆除臨時立柱，見圖3(b)。

作為支護結(jié)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(jié)構時，除以上荷載外，還有上部結(jié)構傳來的豎直荷載、水平荷載及彎矩等[4]。地下連續(xù)墻作為基坑支護結(jié)構的計算按《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ120—99)執(zhí)行。

4.3 綜合評價

單獨設置圍護結(jié)構及工程樁方案、圍護結(jié)構兼豎向支撐方案綜合評價見表1。

表1 方案綜合評價

經(jīng)過綜合比較，將圍護結(jié)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(nèi)部的二級基坑地下連續(xù)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(jié)構完成施工，全程對沉降觀測點進行監(jiān)測，見圖4、圖5。監(jiān)測結(jié)果表明：

圖4 地下連續(xù)墻頂隆沉曲線

(1)施工期間地下連續(xù)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(xù)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(xù)墻與中間樁柱隆沉量差異值較小，相鄰地下連續(xù)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(jié)語

當?shù)叵逻B續(xù)墻作為基礎的一部分時，除了承受水平側(cè)向荷載外，由于墻側(cè)壁及墻底可分別提供側(cè)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(jīng)濟[4]。

豎向支撐系統(tǒng)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(jié)構已順利竣工，筆者認為圍護結(jié)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(xù)墻上格構柱在條件允許情況下可以考慮永臨結(jié)合，作為結(jié)構側(cè)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(cè)預埋注漿管并進行樁端及樁側(cè)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(qū)地下連續(xù)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(jié)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(guī)范[S].

[3] GB50157—2003，地鐵設計規(guī)范[S].

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

[5] 趙善同，陳志良.地下連續(xù)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(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)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.