蓋挖法地下車站圍護結構及頂板節點設計

李 輝

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 概述

目前，國內明挖地鐵車站基坑工程中，典型的支護結構與主體結構相結合的形式有單一墻、復合墻和疊合墻三種。將基坑支護結構與主體結構共同考慮，可以優化結構尺寸、降低造價、節約成本、方便施工。國內除上海地區主要采用疊合墻體系外，其余地區多采用復合墻體系[1-2]。

傳統的基坑支護結構多為臨時性施工措施，在主體完工后遺棄，浪費資源且污染環境[3]。永久支護結構多見于超大面積深基坑工程，特別適用于基坑周邊環境狹小、位移要求嚴[4]的工程環境。采用永久支護結構后，其水平構件支撐剛度增大，減小了圍護結構和土體的變形，從而降低了對周邊建筑物和道路的影響；同時，由于減小了結構斷面尺寸、避免了采用臨時支撐，具有較高的工程經濟價值[5]。

以某在建蓋挖法地下車站為工程背景，對圍護結構排樁與主體結構側墻結合的結構形式，以及圍護樁、側墻與頂板連接處的結構和防水節點設計進行探討。

2 工程概況

2.1 工程簡介

某地下站位于繁華地帶道路交叉口，道路寬26 m，車站周邊臨近多棟5～8層建筑物(主要為鋼筋混凝土框架結構，條形或獨立基礎，均無地下室)，施工期間需要保護。地下車站基坑范圍內的大型管線管溝較少且易于改移，對基坑工程施工影響較小。

車站主體結構總長130.2 m，埋深10.7 m，頂板覆土最大厚度約為2 m。標準段為地下單層四柱五跨箱形框架結構(寬47.13 m)，車站兩端設置兩處風井，共設有4個出入口，其中一個出入口與風道合建。車站地下結構與地上附屬建筑及周邊建筑物之間距離均較為接近，雖滿足施工建設條件但施工場地較為狹小。車站平面位置及周邊道路、建筑物情況見圖1。

圖1 地下車站總平面

2.2 工程地質及水文地質情況

勘探深度范圍內，地層主要為第四系全新統雜填土、黏土、粉質黏土、粉土、粉砂、細砂。物理力學參數建議值見表1。

表1 物理力學參數建議值

地下水類型為第四系孔隙潛水，地下水位埋深24.0～28.1 m，距車站主體結構底板距離較大，對地下結構影響較小。

該站所在場地地震基本烈度為7度，區域地質構造較穩定，場區地層上部3～7 m為黏性土，下部為粉、細砂層，地下水埋深較大，可不考慮地震液化的影響。

3 基坑圍護結構形式選擇及基坑開挖方案

3.1 圍護結構形式的選擇

該地下車站地處市中心繁華地帶十字路口下方，道路交通繁忙，車站周邊建筑物眾多且距離較近。根據周邊環境情況及道路交通條件，決定采用蓋挖法施工。蓋挖法的兩種基本工法主要作業程序對比如下。

(1)蓋挖順作法

首先做好基坑圍護結構，然后分塊施作或利用夜間交通量少的時間進行臨時路面系統施工，在臨時路面系統保護下進行土方開挖及支撐架設，由下向上施作車站主體結構。

(2)蓋挖逆作法及半逆作法

先施作圍護結構及中間支撐結構柱，然后開挖覆土，做好結構頂板及防水，回填覆土并恢復路面交通。其余主體結構的施工按照由上而下的順序進行。當條件許可時，也可采用蓋挖半逆作法進行施工。

本地下車站所在場地地層分布均勻，地下水埋深大，基坑開挖過程中不需進行降水作業；車站為地下一層結構，埋深較淺，基坑開挖深度較小，但基坑平面形狀較為復雜且開挖寬度較大；周邊建筑物臨近基坑且道路交通繁忙，地面施工場地狹小。綜合上述條件，經分析比較后，推薦采用蓋挖半逆作法施工。

在完成地下車站圍護結構排樁施工后進行車站頂板結構施工，然后回填覆土進行路面恢復，再由上而下開挖土體及由下而上依次施工車站主體結構。該工法既可保證交通暢通，又可減少基坑開挖對周邊道路和建筑物的不利影響，節約投資并縮短工期。

結合蓋挖法施工工藝和本地下站結構埋深較淺的特點，決定采用圍護樁與主體結構相結合的設計方案，可以有效減小基坑面積，通過頂板替代臨時支撐體系為支護結構提供水平支撐，具有剛度大、變形小、施工便利性強等優點，有效地減小了基坑和臨近土體的變形[2]。

3.2 基坑開挖方案

由于地下車站基坑距離周邊建筑物較近，且基坑位于繁忙交通路口，施工場地有限，占地范圍狹小。如果基坑全部同時進行開挖，圍擋范圍內的施工場地面積過小，無法正常組織工程施工。且由于道路繁忙，運輸不便，所需的工程材料及施工機械、車輛均需要一定的存放場地，將對施工效率和施工成本造成不利影響。

結合站址場地周邊環境和道路交通條件，決定對車站主體圍護結構分兩期進行施工：①先進行車站東側圍護結構和車站頂板施工，利用西側未施工部分作為準備場地；②待東側施工部分完成覆土回填之后，將其作為車站施工準備場地，再進行西側圍護結構和車站頂板的施工。

本地下車站主體結構基坑工程劃分為兩期進行施工，既能夠充分利用有限的施工場地，減少對道路的占用，又能有效地提高施工作業效率并節約施工成本。車站主體基坑工程分期施工劃分如圖2所示。

圖2 車站主體基坑工程分期施工示意

4 結構模型數值計算

4.1 圍護結構模型數值計算

本地下車站圍護結構采用排樁形式(鉆孔灌注樁樁徑為1.0 m，采用C30混凝土、HRB400級鋼筋)。在具備施工條件后，先進行鉆孔灌注樁、鋼管柱基礎和鋼管柱的施工，然后進行土方開挖，頂板、頂梁和防水層的施作，最后進行土方回填。

對施工開挖、支撐、回筑的全過程進行受力分析：開挖期間灌注樁及頂板形成的結構體系作為支擋結構，承受全部的土壓力和施工荷載，灌注樁嵌固深度應考慮地下水位變化等因素的影響。圍護樁作為永久支護結構可有效減小主體結構側墻土壓力，基坑外側土壓力主要由支護樁承擔，排樁與主體結構頂板、側墻共同作為永久結構進行設計。

永久支護結構中圍護樁受力計算：應對其作為臨時結構和永久支護結構兩種工況進行分析[6]。

采用有限元法，根據施工過程將結構受力、變形過程劃分為若干相對獨立的階段，并考慮各階段結構受力及變形的繼承性及施工回筑階段內襯墻與灌注樁的相互作用(灌注樁與內襯墻的相互作用采用水平剛性連桿模擬，該鏈桿只能傳遞壓力，不能傳遞拉力、剪力和彎矩)。坑底以上按主動土壓力三角形分布，坑底以下土壓力按矩形分布，用水平、豎向彈簧模擬坑底地層對灌注樁的水平、豎向約束作用[7]。圍護結構計算見圖3。

圖3 圍護結構計算

基坑圍護結構位移及內力計算結果見圖4～圖6。

圖4 水平位移(單位：m)

圖5 彎矩(單位：kN·m)

圖6 剪力(單位：kN)

由有限元計算結果可知，圍護樁最大水平位移約為0.005 m，圍護樁彎矩最大值為632.1 kN·m，頂板處彎矩最大值為1 260.2 kN·m，圍護樁剪力最大值約為283 kN，頂板處剪力最大值為636.54 kN。

經計算，鉆孔灌注樁主筋應采用24根HRB400級φ25鋼筋，箍筋采用HPB300級φ10@100鋼筋，樁體配筋主要由施工階段工況控制，鉆孔灌注樁裂縫寬度為0.13 mm(滿足規范[8]要求的二類環境條件下小于0.2 mm的混凝土耐久性要求)。由于主體結構頂板自身剛度較大，對圍護樁變形有較強的約束作用。同時，由于固定約束的存在，導致圍護樁上部較常規“內支撐+冠梁”支護結構形式下彎矩有所增加，但未影響樁體的縱筋配筋根數和面積。

作為永久結構的圍護排樁成樁質量要求高于臨時圍護樁，在定位精度、垂直度和樁身質量等方面要求較高(圍護樁垂直度不超過1/200，中心與設計樁位偏差不大于10 mm[9])。本車站采用旋挖鉆機進行圍護樁施工，在減少泥漿排放量的同時可滿足成孔的精度和質量要求。

4.2 主體結構模型數值計算

除鋼管混凝土柱采用C50自密實混凝土以外，其它主體結構構件均采用C35鋼筋混凝土，防水等級為P8。主要結構構件尺寸：頂板厚1 000 mm，底板厚800 mm，側墻厚450 mm，鋼管柱直徑為1 220 mm(如圖7)。

圖7 車站主體結構標準斷面(單位：mm)

地下車站頂板與圍護樁通過頂板邊緣設置的框架梁進行連接，其整體剛度較大。側墻及底板與圍護樁之間不設置連接件，僅設置外包防水層。主體結構計算過程中，考慮到主體結構側墻與排樁的共同作用(在正常使用階段作為擋土結構)，側墻只分擔了較小的側土壓力及水壓力[10]。因此，采用樁墻合一的設計方式可以減小側墻厚度，減小基坑面積[11-12]。

按照《地鐵設計規范》[14]和《建筑結構荷載規范》[15]，對不同工況下荷載組合進行劃分，采用有限元軟件計算并提取車站主體結構板、墻、柱的內力值。計算結果見圖8～圖10。

圖8 標準組合彎矩(單位：kN·m)

圖9 標準組合軸力(單位：kN)

圖10 標準組合剪力(單位：kN)

由有限元計算結果可知，主體結構頂板，底板和側墻最大彎矩值分別為1 294.3 kN·m、1 489.8 kN·m和917.2 kN·m，軸力最大值分別為535.7 kN、166.2 kN和151.4 kN，最大剪力值分別為637.3 kN、573.7 kN和313.2 kN。對比施工階段和正常使用階段的計算結果，按照使用階段計算值，對頂板進行相應的強度、裂縫驗算。

經計算，車站頂板內外側主筋均采用HRB400級φ32鋼筋(間距200 mm)；底板上表面主筋采用HRB400級φ22鋼筋(間距200 mm)，下表面主筋采用HRB400級φ22鋼筋(間距150 mm)；側墻內外側縱筋采用HRB400級φ18鋼筋(間距150 mm)，水平鋼筋采用HRB400級φ18鋼筋(間距150 mm)。

側墻配筋主要由使用階段工況控制，在正常使用階段承擔全部水壓力和少部分土體側壓力，根據對比計算及參考文獻[10-12]，其側墻配筋率和彎矩明顯降低。在目前國內常規做法中，主體結構頂板與地連墻或圍護樁不發生連接關系，圍護結構和主體結構側墻主要通過剪力槽[3]或傳力板帶[11]連接，兩種方案可使側墻配筋率分別減少約30%和20%。本車站主體結構與圍護樁采用頂板處連接節點方案，其側墻配筋率較不考慮圍護結構共同作用工況減少約30%。

5 頂板處連接節點設計

5.1 結構連接

地下車站頂板在基坑圍護樁處設梁作為水平結合構件，圍護樁排樁縱筋和頂板鋼筋伸入梁內長度應滿足錨固長度的構造要求。(見圖11、圖12)。車站側墻采用順作法施工，側墻鋼筋采用后錨固植入，在與頂板連接處采用無收縮水泥砂漿注漿。

圖11 圍護樁與頂板連接節點大樣(單位：mm)

圖12 頂板與圍護樁及側墻連接節點配筋大樣

5.2 節點處防水設計

車站頂板采用1.5 mm厚HDPE防水膜作為外部防水層，混凝土結構陽角處以半徑100 mm平滑過渡，并鋪設不小于100 mm厚度的細石混凝土作為防水保護層。

圍護樁與側墻之間依次為HPB300級φ8@200鋼筋網片、水泥砂漿找平層、HDPE防水膜和防水保護層。

側墻與頂板間設置PVC止水帶、遇水膨脹止水條，與側墻外側防水膜搭接并壓實(預留PVC注漿管)，而后對側墻與頂板間接縫處進行無收縮水泥漿注漿。

6 結論與建議

(1)復合墻結構設計中，基坑圍護樁與車站主體結構相結合的永久支護體系由車站主體結構、圍護樁及其連接節點共同組成。既充分利用蓋挖法的施工工藝特點，同時可有效減小主體結構尺寸，具有較好的經濟效益。

(2)永久支護結構可以有效減小結構側墻所受土壓力，在正常使用條件下，車站側墻所承擔的土體側向壓力明顯較小，彎矩值較常規算法減少50%左右，結構設計只需滿足規范構造要求即可。

(3)僅在圍護樁與頂板連接處設置框架梁作為連接節點，可節省樁頂冠梁及臨時支撐的投入，有效地降低連接件的布置數量，避免了傳統“樁墻合一”做法中防水節點難以處理等問題。

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