地鐵車站附屬結(jié)構(gòu)支撐設(shè)計(jì)優(yōu)化及穩(wěn)定性分析

葛彩虹

摘要：隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，大運(yùn)輸量的地鐵作為有效解決城市交通擁堵的交通工具，是各地基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn) 。目前，我國標(biāo)準(zhǔn)島式地鐵車站多采用明挖順作法施工，為確保基坑的穩(wěn)定性，車站主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)需進(jìn)行分期施工，一期施工主體結(jié)構(gòu)，二期施工附屬結(jié)構(gòu)，最后破除二者之間地下連續(xù)墻實(shí)現(xiàn)貫通 。在工程建設(shè)領(lǐng)域，主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻破除一直是行業(yè)研究的熱點(diǎn)，主體結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻作為附屬結(jié)構(gòu)支撐的受力點(diǎn)，采用劃分多個(gè)單元幅“跳倉”破除的施工方法，施工速度慢且附屬結(jié)構(gòu)施工縫數(shù)量多，導(dǎo)致后期滲漏水問題明顯 。

關(guān)鍵詞：地鐵;附屬結(jié)構(gòu);支撐;優(yōu)化;穩(wěn)定性;差異沉降

引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，軌道交通事業(yè)也蒸蒸日上。地鐵作為軌道交通的最主要形式，工程多位于城市繁華區(qū)域，周邊建筑物林立，交通繁忙，管線密集，因此地鐵工程風(fēng)險(xiǎn)控制日益受到關(guān)注。地鐵車站主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)通常采用前后各自獨(dú)立基坑施工，主體結(jié)構(gòu)施工完成后，施工附屬基坑，待附屬結(jié)構(gòu)施工完成后，鑿除主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并完成主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)的連接。主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)連接是地鐵結(jié)構(gòu)施工重大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)之一，尤其當(dāng)主體側(cè)墻需大范圍打開，與附屬結(jié)構(gòu)連續(xù)多跨連接時(shí)，蓋挖逆作法就凸顯了很大的優(yōu)越性。首先，頂板施工完成以后即可恢復(fù)地面交通，對(duì)地面交通影響程度較小;其次，施工過程都在頂板下進(jìn)行，噪聲和粉塵對(duì)周邊環(huán)境影響大幅度減小;另外，車站的整體結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)移剛度大，能較好地控制開挖過程中基坑變形及周邊建筑和地面沉降。蓋挖逆作法的這些優(yōu)點(diǎn)為城市地鐵建設(shè)創(chuàng)造了很多有利的條件，成為地鐵建設(shè)中重要的施工方法。本文以某市軌道交通 2 號(hào)線某站為例，研究地鐵車站側(cè)墻大面積開洞設(shè)計(jì)方法，以期獲得指導(dǎo)后續(xù)工程實(shí)施。

1水文地質(zhì)概況

工程地處華北平原，屬?zèng)_積、海積低平原。勘察最大孔深100.0 m，在該深度范圍內(nèi)，所揭露的地層屬第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)底層。根據(jù)地質(zhì)年代、成因類型及DB/T 29-191—2009《某市地基土層序劃分技術(shù)規(guī)程》將場地土分為12個(gè)工程地質(zhì)層。在本次勘察場區(qū)內(nèi)古河道、洼、淀沖積和第陸相層湖沼相淀積層缺失，其他各成因土層在場區(qū)均有分布。根據(jù)各單元巖性組合特征，進(jìn)一步將其分為 29 個(gè)工程地質(zhì)亞層土層，開挖影響范圍內(nèi)的土層主要包括①1雜填土、①2素填土、④1粉質(zhì)黏土、④3黏土、⑥1粉質(zhì)黏土、⑥3黏質(zhì)粉土、⑦1粉質(zhì)黏土、⑧1 粉質(zhì)黏土、⑧2-1砂質(zhì)粉土、⑧2-2粉砂、⑨1粉質(zhì)黏土。根據(jù)地基土的巖性分層及現(xiàn)場抽水試驗(yàn)結(jié)果，與本工程有直接聯(lián)系的淺層地下水主要有以下三個(gè)含水層：潛水，初見埋深1.4～4.0 m;第一承壓水，根據(jù)此站的試驗(yàn)資料，該承壓水水頭埋深在3.8 m，相當(dāng)于大沽標(biāo)高-0.5 m;第二承壓水，經(jīng)實(shí)測該承壓水水頭埋深6.5 m，相當(dāng)于大沽標(biāo)高-3.2 m。

2附屬結(jié)構(gòu)支撐設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1原支撐設(shè)計(jì)方案

附屬及外掛區(qū)基坑標(biāo)準(zhǔn)段深9.3m，覆土厚度為3.5m，采用明挖法進(jìn)行施工，局部電纜夾層加深段坑深為10.045m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為SMW工法樁，采用?850mm@600mm三軸水泥攪拌樁，內(nèi)插700mm×300mm×13mm×24mmH型鋼，隔一插一形式布置，樁長為25m。樁頂設(shè)鋼筋混凝土冠梁，圍護(hù)結(jié)構(gòu)均設(shè)兩道?609mm×16mm鋼管撐，第一道撐于冠梁，第二道撐于鋼腰梁，鋼腰梁采用雙拼工45c熱軋型鋼。

2.2 優(yōu)化支撐設(shè)計(jì)方案

與其他地下結(jié)構(gòu)施工法選定時(shí)一樣，蓋挖逆作法的采用也必須考慮到地下結(jié)構(gòu)施工的各項(xiàng)內(nèi)容，即必須對(duì)周邊環(huán)境條件、地質(zhì)條件、工期、造價(jià)、安全性、建筑物規(guī)模形狀等多方面進(jìn)行探討研究。與順作法相比，蓋挖逆作法被采用的最適當(dāng)?shù)膱龊希饕獮橐韵铝c(diǎn)：1.大平面的地下工程;2.大深度的地下工程;3.復(fù)雜形狀的地下工程;4.狀況復(fù)雜、對(duì)環(huán)境要求較高;5.作業(yè)空間較小;6.工期要求緊迫。

相同基坑參數(shù)下，采用蓋挖逆作法進(jìn)行施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁+止水帷幕，鉆孔灌注樁采用?800mm@1000mm的型式，止水帷幕采用?850mm@600mm三軸水泥攪拌樁，樁長為25m。樁頂設(shè)鋼筋混凝土冠梁，圍護(hù)結(jié)構(gòu)均設(shè)兩道?609mm×16mm鋼管撐，第一道撐于冠梁，第二道撐于鋼腰梁，鋼腰梁采用雙拼工45c熱軋型鋼。此外，需設(shè)置頂板所需的臨時(shí)格構(gòu)柱。

優(yōu)化后方案首道支撐上移，無法支撐在既有主體結(jié)構(gòu)地連墻冠梁標(biāo)高處。需在主體結(jié)構(gòu)頂鄰近地下連續(xù)墻處設(shè)置寬400 mm、高2500 mm鋼筋混凝土擋土墻。待擋土墻后面的土體回填壓實(shí)，將附屬及外掛區(qū)首道鋼支撐上移，首道支撐分別撐在主體結(jié)構(gòu)頂板上方擋土墻和附屬結(jié)構(gòu)鉆孔灌注樁冠梁上。

2.3優(yōu)化后工序?qū)Ρ?/p>

原設(shè)計(jì)方案的地下連續(xù)墻破除工序：劃分破除單元段→澆筑底板混凝土→拆除首道撐→拆除第二道鋼支撐→破除單元段地下連續(xù)墻→澆筑底板后澆帶→澆筑頂板混凝土。優(yōu)化后的工序：澆筑頂板混凝土→劃分破除單元段→澆筑底板混凝土→拆除第二道鋼支撐→破除地下連續(xù)墻→澆筑底板后澆帶。

優(yōu)化后的施工工序相對(duì)優(yōu)化前的優(yōu)點(diǎn)在于：1）附屬結(jié)構(gòu)施工期間，太高首道鋼支撐并不拆除，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定受力狀態(tài)，既保證了基坑的穩(wěn)定性又增加了地下連續(xù)墻破除單元段長度，大大減少施工縫數(shù)量，降低薄弱部位質(zhì)量隱患。2）施作底板時(shí)，頂板已施工完成，對(duì)基坑的穩(wěn)定性起到?jīng)Q定性作用。3）破除地連墻的施工階段是整個(gè)基坑施工過程中風(fēng)險(xiǎn)最高的時(shí)期，故減少破除單元段的劃分?jǐn)?shù)量。在盡可能短的時(shí)間內(nèi)澆筑底板后澆帶，完成底板的閉合。

3方案優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

3.1模板支撐結(jié)構(gòu)有限元分析

應(yīng)用 ANSYS 有限元分析軟件，依據(jù)實(shí)際工程中梁、板尺寸和模板支架搭設(shè)方案，按照有無三角形穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)分別建立有限元中立桿和水平桿采用 BEAM188 梁單元，斜桿、梁側(cè)穩(wěn)定斜桿和水平附加穩(wěn)定桿采用 LINK8桿單元，混凝土梁板采用 SOLID45 實(shí)體單元。腳手架盤扣節(jié)點(diǎn)采用 COMBIN14 彈簧單元模擬盤扣節(jié)點(diǎn)的半剛性特性;腳手架與地面之間、腳手架與梁板之間以及其余桿件之間均采用鉸接連接。鋼材彈性模量取2.06 ×10 5 MPa，立桿屈服強(qiáng)度取300 MPa，其余鋼構(gòu)件屈服強(qiáng)度取 205 MPa。在板頂施加單位均布面荷載，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征值屈曲分析，估算出結(jié)構(gòu)屈曲荷載;然后將估算出的屈曲荷載施加到板頂，用 Newton-Raphson 求解方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性屈曲分析。

車站主體最大沉降值為5.32mm，小于報(bào)警值20mm。

3.2穩(wěn)定性分析

優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案鋼支撐上移2.5 m標(biāo)高，相對(duì)原設(shè)計(jì)方案受力點(diǎn)發(fā)生變化，為確保施工安全，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性和基坑整體穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。1）計(jì)算參數(shù)基坑設(shè)計(jì)最大深度 10.045 m，按二級(jí)基坑，根據(jù)DB 29-202—2010《某市建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。地下水埋深2.10 m。 第6層為承壓含水層，坑外承壓水水位 3.907 m;地面超載20.0 kPa。2）抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算鉆孔灌注樁抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算采用水土合算，墻后主動(dòng)側(cè)土壓力采用三角分布計(jì)算。抗傾覆安全系數(shù)Ka為1.43，因 Ka >1.2，故抗傾覆滿足要求。

3.3地下連續(xù)墻與中間樁柱及中間樁柱之間的差異沉降分析研究

蓋挖逆作法施工對(duì)差異沉降的控制相較明挖法施工有明顯優(yōu)勢，除了考慮到施工中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形和穩(wěn)定性，在軟土地區(qū)還要考慮施工過程中結(jié)構(gòu)差異沉降這一新問題。

1）地下土體的開挖卸載導(dǎo)致基坑內(nèi)底部土方因應(yīng)力釋放而向上隆起，從而產(chǎn)生向上的荷載。與此同時(shí)，上部結(jié)構(gòu)的施工陸續(xù)完成，使得中間樁柱和地下連續(xù)墻承受上部頂傳遞下來的豎向荷載，故而中間樁柱和地下連續(xù)墻之間的差異沉降必然存在。

2）通過對(duì)樁、柱、連續(xù)墻的差異沉降情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了在施工過程中差異沉降產(chǎn)生的最不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)?shù)叵碌耐馏w全部挖出，而基礎(chǔ)最底層樓板還沒有澆筑時(shí)，其差異沉降達(dá)到最大。同時(shí)并得到地下連續(xù)墻與中間立柱樁之間的差異沉降量比立柱之間的差異沉降量要大。先施做的結(jié)構(gòu)梁板可以對(duì)差異沉降起到一定的抑制作用，梁板結(jié)構(gòu)剛度越強(qiáng)，抑制作用越明顯，相鄰柱、墻差異沉降則較小。

3）施工中加快各層結(jié)構(gòu)板施工速度，也能有效減小相鄰柱、墻間差異沉降。通過對(duì)立柱的差異沉降的工程監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，蓋挖逆作過程中，板結(jié)構(gòu)對(duì)立柱的差異沉降有一定的抑制作用，實(shí)際上是相應(yīng)底板施工完成后，結(jié)構(gòu)形成封閉整體，趨向穩(wěn)定，差異沉降減小。

4）地下連續(xù)墻是縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)，樓板傳給地連墻的荷載是均布的;而立柱在縱向是非連續(xù)的，立柱需要承擔(dān)樓板傳來的附加集中力。正是在受力上的差異導(dǎo)致了二者的差異沉降，開挖深度增加差異沉降也增大，就是受力不均導(dǎo)致的差異沉降逐層累積。地下連續(xù)墻和中間柱的在基坑剛開挖時(shí)處于沉降狀態(tài)，隨著深度的增加，逐漸從沉降轉(zhuǎn)為抬升，中間柱抬升的幅度更大，導(dǎo)致中間柱和連續(xù)墻的差異沉降越來越大。

本工程在車站施工完畢后，地連墻和立柱最大沉降值為13.57 mm 和13.36 m，小于報(bào)警值20 mm，立柱與地連墻差異沉降為 3 mm，小于報(bào)警值 10 mm。在蓋挖逆作法施工過程中，主要的問題就是差異沉降以及差異沉降所引起的內(nèi)力重分布問題。因此如何控制差異沉降和在設(shè)計(jì)中如何考慮差異沉降將是以后差異沉降研究的重點(diǎn)問題。

結(jié)語

本文對(duì)地鐵車站主體結(jié)構(gòu)與附屬結(jié)構(gòu)連接存在連續(xù)多跨時(shí)，進(jìn)行了支撐設(shè)計(jì)優(yōu)化，即采用蓋挖逆作法施工，在主體結(jié)構(gòu)上增設(shè)擋土墻，提高附屬結(jié)構(gòu)首道支撐標(biāo)高與并撐于擋土墻上，先施作頂板穩(wěn)定基坑受力，解決了明挖法施工采用“跳倉”破除地下連續(xù)墻施工速度慢、施工縫數(shù)量增多，滲漏水隱患大等問題。并對(duì)對(duì)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性和基坑整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。此外，以此蓋挖逆作工程實(shí)例研究了差異沉降存在的原因以及發(fā)展趨勢，供類似工程借鑒。

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