軟土地基蓋挖逆作法地鐵車站組合式鋼沉箱施工技術探析

武峰，楊金尤，王洪磊，涂國坤，楊軍，薛淳芮

（1.中交一公局集團有限公司，北京 100024；2.中交中南工程局有限公司，湖南 長沙 410000）

0 前言

隨著蓋挖逆作法技術在城市軌道交通建設領域的廣泛應用，尤其是在濱海軟土地區地鐵車站采用蓋挖逆作法施工較常見，車站圍護體系通常采用地連墻+內支撐，其中地連墻與頂板連接部位以上墻體需鑿除，頂板局部嵌入地墻傳遞部分豎向荷載[1]。因蓋挖逆作法施工工藝特點，地連墻頂部位置進行變截面設計，為解決地連墻鑿除問題進行分析，對此研究出組合式鋼沉箱施工技術應用，施工過程中優化變截面的混凝土澆筑是一個關鍵技術問題[2～3]。以天津地鐵11 號線一期工程2 標項目佟樓站和迎賓館站為背景，研究組合式鋼沉箱施工技術在蓋挖逆作法車站地連墻施工的應用。

1 工程概況

天津地鐵11 號線一期工程2 標項目共設2 站3 區間，項目總長2700.055m，其中區間長2181.315m。包括：吳家窯站-佟樓站區間、佟樓站、佟樓站-迎賓館站區間、迎賓館站、迎賓館站-文化中心站區間。其中佟樓站和迎賓館站主體結構均采用蓋挖逆作法施工，圍護結構采用“地連墻+內支撐”支護結構形式，地連墻厚為800mm，采用十字鋼板剛性接頭。墻深為33m～37.5m，兩車站共計220 幅地連墻，兩車站站臺中心處頂板覆土約3.2m。車站周邊環境敏感復雜、社會影響大、關注度高、環保要求高、協調難度大、施工場地狹小、工期緊等特點，現場安全文明揚塵降噪控制非常關鍵。

車站場地所處地層主要為軟弱黏性土和粉砂粉土，地下水位高，具有軟土“三高一低”的特點，極易發生蠕動和擾動，且地層分層性差，交錯性強，局部存在透水性較差的液化粉土、粉砂層和局部流砂層，車站施工和盾構掘進風險極高。由地質勘察報告可知，地質土層主要為雜填土、粉質黏土、細砂粉砂。場地范圍內主要液化土層為④2 黏質粉土、⑥3 黏質粉土，呈層狀或條帶狀分布，液化等級為輕微，如圖1所示。

圖1 工程地質剖面圖

地連墻上部分從頂板板底至地面地連墻墻厚800mm 變截面為400mm，設計施工圖明確混凝土連續澆筑至地面后鑿除，如圖2 所示。若采用地連墻澆筑至地面完成后主體施工需鑿除，其鑿除量大，施工成本高，工期長，環境影響大，混凝土外觀平整度差等不利因素。

圖2 地鐵車站主體圍護結構斷面圖

2 鋼沉箱設計及技術思路

2.1 技術思路

通過預制鋼沉箱模塊，結合地連墻分幅長度為4m～6m 的特點，在不影響鋼筋籠吊裝定位和混凝土導管平臺澆筑的情況下，確保地下連續墻施工質量不受影響，利用“組合式鋼沉箱”填充澆筑地下連續墻。混凝土澆筑完成后3h～4h，混凝土達到初凝條件后，用吊車拉動鋼沉箱松動混凝土面與鋼沉箱的接觸，保證混凝土不能因松動鋼沉箱而產生混凝土流動，造成地連墻出現質量問題。

2.2 鋼沉箱設計

鋼沉箱定制多種規格的鋼箱模塊，為避免在澆筑過程中出現被混凝土側壓力擠壓凹陷變形影響連續澆筑質量，確保鋼沉箱的強度和剛度，鋼箱外部、10#槽鋼材質均采用Q235B 鋼。鋼箱內部采用10#槽鋼做框架，4 個角各1 根，上、中、下各3 道。鋼箱外部采用10mm 厚鋼板，圍繞框架做包裹。吊環采用16mm 厚鋼板，每個鋼箱4 個吊環均勻分布，搭接長度20cm。以地連墻幅寬6m 規格為例，如圖3-圖7 所示。同時考慮到空腹封閉式鋼沉箱自重較小，需要對鋼沉箱進行抗浮設計，在鋼沉箱側壁開設幾個小孔，避免封閉的鋼沉箱在混凝土中上浮，達不到預想的效果。

圖3 幅寬6m規格鋼沉箱模塊平面圖

圖4 幅寬6m規格鋼沉箱模塊立面圖

圖5 幅寬6m規格鋼沉箱模塊內部立面圖

圖6 幅寬6m規格鋼沉箱模塊內部平面圖

圖7 鋼沉箱吊環示意圖

3 鋼沉箱設計驗算

鋼沉箱吊裝、下沉槽段完成后，先承受泥漿的浮力和側壓力，隨著混凝土澆筑升高至鋼沉箱底時，逐漸承受混凝土的浮力和側壓力。因此，鋼沉箱在地連墻填充澆筑過程中，需考慮兩種工況下兩種不利情況：①鋼沉箱的側壁因混凝土澆筑側壓力產出的撓度變形過大；②空腹式鋼沉箱箱體出現上浮。

3.1 鋼沉箱變形驗算

3.1.1泥漿對鋼沉箱的作用

由抗浮計算理論[4～5]可知，對于液體,阿基米德定律指出，浮力大小等于物體所排開液體的重力(F浮=G排=ρgV),式中ρ為液體的密度，g為重力加速度,V 為物體所排開液體體積。鋼沉箱浸在膨潤土泥漿中，受到泥漿的浮力和側壓力，鋼沉箱底板的變形按單跨均布荷載受力模型進行驗算，計算單元寬度D 取1m，鋼沉箱底板受力如圖8 所示。同時，鋼沉箱側壁壓力隨深度增加，按二等跨三角荷載受力模型進行驗算，受力如圖9 所示。

圖8 鋼沉箱底板受力示圖

圖9 鋼沉箱側壁受力示圖

鋼沉箱浸在膨潤土泥漿中，受到泥漿的浮力和側壓力，膨潤土泥漿相對密度為1.05～1.15，取ρ=1.1×103kg/m3，g=10N/kg，E=206GPa，Ι=83.33×104mm4。

①鋼沉箱底板變形驗算

3.1.2混凝土對鋼沉箱的作用

混凝土具有特殊性：①混凝土不是全流態,不是純液體；②混凝土內部相互之間具有粘結力,可以抵抗一部分浮力；③混凝土初凝時間在3h～4h，超過這段時間,部分混凝土已無浮力。

圖10 鋼沉箱側壁受力示圖

3.2 鋼沉箱抗浮驗算

鋼沉箱的抗浮驗算即驗算鋼沉箱在下沉后所承受的最大浮力。取鋼沉箱最大模塊3.8×2.1×0.32m 的箱體，鋼沉箱自重為G=19.288kN。鋼沉箱所受最大的泥漿的浮力即為鋼沉箱在不開孔的情況下沉箱的排量：

得出：F浮≥G。

由此可知，鋼沉箱浸在槽段泥漿內，浮力大于鋼沉箱自重，通過對鋼板進行開孔，泥漿進入箱內填充空腹箱體，使箱體內外的受力平衡，箱體保持穩定，同時使箱體變形減少。

4 施工工藝流程及操作要點

4.1 施工工藝流程

組合式鋼沉箱施工工藝流程，見圖11。

圖11 鋼沉箱施工工藝流程

4.2 操作要點

4.2.1安裝就位

鋼沉箱制作完成后，運輸至施工現場，根據地連墻幅寬和形式，安裝組合不同規格鋼沉箱，用吊車運至地連墻位置就位，沉箱施工使箱頂定位軸線對齊，并通過箱體自重緩慢沉入坑底，然后適當移動精準定位，如圖12所示。

圖12 鋼沉箱安裝圖

4.2.2松動鋼沉箱

為了避免因鋼沉箱拔出拉力過大對地連墻混凝土施工質量產生破壞，出現墻體裂縫等問題。在地連墻混凝土澆筑完成后3h～4h，現場技術人員確認混凝土是否達到初凝狀態。若達到初凝后，用吊車拉動鋼沉箱，使其松動，拔出長度不宜過大，減少因鋼沉箱拔出，空隙周邊混凝土在上部自重壓力下出現滑移而鼓包、空洞。

4.2.3拔出鋼沉箱

鋼沉箱拔出需待地連墻混凝土強度達到一定設計值時，滿足拔出強度要求，利用吊車緩緩拔出鋼沉箱，堆放至規定位置，如圖13所示。

圖13 鋼沉箱實體圖

5 結論

天津地鐵11 號線一期工程2 標項目通過技術攻關，使用組合式鋼沉箱投入佟樓站和迎賓館站車站地連墻施工后，大幅度減少了地連墻混凝土澆筑量，節省了后期主體結構基坑開挖頂板地連墻混凝土鑿除量，提高施工工效和地連墻平整度及外觀質量。同時減少后續主體結構施工過程中的鑿除引起的噪聲污染和揚塵污染，降低了環保措施等費用，并取得很好的經濟效益及社會效益。該項技術在行內首次成功實施，推動了蓋挖逆作法車站地連墻鋼沉箱施工的技術進步，具有深遠的意義，為同類工程施工提供了豐富的施工經驗。對于越來越迅速化和標準化的城市軌道交通行業有著較好的推廣價值。