論地鐵車站深基坑支撐體系優(yōu)化問(wèn)題工學(xué)論文

　　摘 要:主要闡述了劉家窯地鐵車站明挖基坑內(nèi)支撐體系中的優(yōu)化問(wèn)題,通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,綜合考慮基坑施工因素,合理選擇內(nèi)支撐形式,從而降低工程造價(jià)。

　　關(guān)鍵詞:地鐵車站;深基坑;支撐體系優(yōu)化

　　北京地鐵五號(hào)線劉家窯車站在施工明挖結(jié)構(gòu)基坑時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用護(hù)坡樁結(jié)合鋼支撐體系,采用鋼支撐體系可普遍縮短護(hù)坡樁嵌入土層深度,減少整體護(hù)坡樁長(zhǎng)度,同時(shí)采用可重復(fù)使用的鋼制內(nèi)支撐配合鉆孔護(hù)坡樁,封閉內(nèi)支撐體系與護(hù)坡樁擋土結(jié)構(gòu)共同組成穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)體系,兩者共同承受土體約束及荷載作用,使基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)地鐵五號(hào)線已經(jīng)施工完畢的劉家窯車站明挖基坑內(nèi)支撐體系幾個(gè)問(wèn)題的分析,力圖尋找合理布設(shè)內(nèi)支撐體系的方式。

　　1 工程概況

　　劉家窯車站位于現(xiàn)況南三環(huán)路劉家窯立交橋,車站主體結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)201m,本站南北兩端主體結(jié)構(gòu)為地下二層,雙柱三跨島式結(jié)構(gòu),采用明挖法施工,其中南端長(zhǎng)76.3m,北端長(zhǎng)49.7m,車站南端設(shè)盾構(gòu)端頭井。車站中部75m為單層雙柱三跨曲墻拱頂復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu),采用暗挖法(CRD工法)施工。

　　本車站主體明挖結(jié)構(gòu)分為兩段,南側(cè)基坑開(kāi)挖深度為16.7~20.0m,開(kāi)挖寬度為20.3m,開(kāi)挖長(zhǎng)度為75.7m,采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐作圍護(hù)結(jié)構(gòu);北側(cè)基坑開(kāi)挖深度為17.5~20.6m,開(kāi)挖寬度為22.35m,開(kāi)挖長(zhǎng)度為49.8m,采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐作圍護(hù)結(jié)構(gòu),基坑北側(cè)最下一道支撐為預(yù)應(yīng)力錨桿。灌注樁直徑600,間距800~1000mm,樁長(zhǎng)為19.54~23.82m,樁頂設(shè)800×700帽梁,頂面標(biāo)高為39.0m。帽梁與原狀土之間高差部分以1∶1的角度放坡,表面用50mm混凝土抹面支護(hù)。樁間采用掛網(wǎng)噴射50mm厚的C20混凝土保持樁間穩(wěn)定,混凝土噴層內(nèi)設(shè) 6@150×150mm的鋼筋網(wǎng)片。

　　原設(shè)計(jì)采用沿基坑豎向設(shè)三道鋼圍檁及θ609×14mm的鋼支撐(局部深處為四道鋼支撐),在端部和角部采用斜撐,支撐較長(zhǎng)處中部設(shè)θ600鋼支撐立柱。

　　2 支撐體系優(yōu)化

　　支撐體系應(yīng)該方便基坑結(jié)構(gòu)施工,不但達(dá)到確保整個(gè)施工過(guò)程中基坑穩(wěn)定的目的,還應(yīng)該便于基坑開(kāi)挖及后續(xù)結(jié)構(gòu)施工作業(yè)。

　　內(nèi)支撐位置的選擇對(duì)于結(jié)構(gòu)施工影響加大。如果同一層支撐間距、上下層之間高差較小,或者設(shè)置豎向支撐,將直接造成現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法展開(kāi)大規(guī)模機(jī)械施工�，F(xiàn)場(chǎng)采用機(jī)械施工,不可避免要發(fā)生與內(nèi)支撐架設(shè)工序沖突的現(xiàn)象,內(nèi)支撐架設(shè)不及時(shí)對(duì)于基坑安全影響勢(shì)必較大。內(nèi)支撐形式合理與否,直接結(jié)果是基坑施工周期延長(zhǎng),工程組織難度加大,基坑風(fēng)險(xiǎn)程度提高。

　　目前地鐵五號(hào)線在施的明挖基坑支撐體系大體可以分為兩類。一類為:護(hù)坡樁結(jié)合內(nèi)支撐體系,如劉家窯車站、燈市口車站、張自忠車站、和平北街車站等;另一類為護(hù)坡樁結(jié)合錨桿支撐體系,如宋家莊車站、雍和宮車站、土城北路車站。各車站已經(jīng)完成基坑支護(hù)和結(jié)構(gòu)施工,支護(hù)均達(dá)到預(yù)期效果。對(duì)比兩類基坑施工操作中的問(wèn)題可以發(fā)現(xiàn)。

　　內(nèi)支撐體系嚴(yán)重干擾土建結(jié)構(gòu)施工,并且存在諸多后續(xù)問(wèn)題。作為臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)支撐對(duì)后續(xù)永久結(jié)構(gòu)的施工有較大影響,尤其是防水卷材、鋼筋等的搭接空間,施工縫設(shè)置以及結(jié)構(gòu)砼澆筑質(zhì)量。

　　在目前采用內(nèi)支撐體系的基坑開(kāi)挖土方作業(yè)中,施工單位為達(dá)到機(jī)械施工目的,均有開(kāi)挖土方與架設(shè)支撐沖突矛盾,按照設(shè)計(jì)的支撐間距、高度要求則無(wú)法滿足機(jī)械施工作業(yè)面,因此普遍出現(xiàn)施工中架設(shè)支撐時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于土方開(kāi)挖,事實(shí)上增大了基坑安全隱患,存在冒險(xiǎn)施工的現(xiàn)象。另一方面,不得不說(shuō)是內(nèi)支撐體系限制了機(jī)械施工。支撐位置在考慮基坑安全計(jì)算要求的前提下,內(nèi)支撐圍檁托架位置需要接近永久結(jié)構(gòu)梁板位置,限制住了施工縫位置,該部位集中布置防水、鋼筋等,造成防水卷材搭接長(zhǎng)度與鋼筋預(yù)留接駁器位置重合,卷材搭接長(zhǎng)度及搭接施工質(zhì)量保證難度大大加大,如果采用錨桿體系,可以確保防水接茬任意布置,遠(yuǎn)離鋼筋、施工縫,可以保證理想的防水效果。內(nèi)支撐接近梁板,尤其是平面位置與結(jié)構(gòu)柱重合,在梁柱施工中避讓支撐,結(jié)構(gòu)鋼筋預(yù)留位置無(wú)法完全確保結(jié)構(gòu)要求的鋼筋錨固長(zhǎng)度,造成臨時(shí)結(jié)構(gòu)體系影響永久結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量。內(nèi)支撐體系要求在基坑內(nèi)部設(shè)置環(huán)狀圍檁,圍檁的設(shè)置與永久結(jié)構(gòu)側(cè)墻位置重合,由于支撐位置限制施工縫,側(cè)墻澆筑高度一般在支撐下方1m左右,在滿足鋼筋連接要求下,砼澆筑時(shí),由于鋼筋頂在支撐下方,操作人員無(wú)法下到墻體內(nèi)部進(jìn)行振搗,砼的灌注位置只能在模板上端,砼澆筑落差大,離析現(xiàn)象難以避免,結(jié)構(gòu)澆筑后的實(shí)體質(zhì)量無(wú)法保障。對(duì)照錨桿支撐體系,上述問(wèn)題完全可以避免。

　　如果設(shè)置內(nèi)支撐,在確�；�坑穩(wěn)定的前提下,各層支撐設(shè)在永久結(jié)構(gòu)各層梁板的上方80cm以外較為合理,這樣能夠確保接縫各工序施工質(zhì)量及操作空間。通過(guò)計(jì)算和研究分析,內(nèi)支撐采用I488型鋼作為支撐桿件,支撐位置在基坑-1m、-8m、-11m處,局部在-14m增了第四支撐,同層支撐間距3m,從而保證了施工操作空間和各工序的施工質(zhì)量。

　　3 支撐體系施工

　　由于該基坑為明、暗挖結(jié)合車站,明挖基坑與暗挖車站之間結(jié)合部位處理非常關(guān)鍵,直接影響不同形式的防水、明暗挖結(jié)構(gòu)處理等的施工。在本次施工中就出現(xiàn)內(nèi)支撐及支撐托架與暗挖初支長(zhǎng)管棚位置沖突、與結(jié)構(gòu)側(cè)墻防水、鋼筋沖突等問(wèn)題。

　　該車站采用I488作為支撐桿件和圍檁,通過(guò)統(tǒng)一支撐桿件與圍檁的材料形式,減少現(xiàn)場(chǎng)二次加工工作量,利于承包單位采購(gòu)、加工。I488支撐結(jié)構(gòu)斷面匹配較為合理,內(nèi)支撐體系整體性得到加強(qiáng)。部分地鐵車站選擇鋼管作為支撐桿件,截面抗壓模量等優(yōu)于I字型鋼,但圍檁高度勢(shì)必加大,增大圍檁自身荷載,內(nèi)支撐整體性降低。

　　為加大I字型鋼的抗壓模量,該車站通過(guò)在支撐桿件增設(shè)I字型鋼之間的連接角鋼,將兩個(gè)I字型鋼組裝成單一桿件,加大了支撐的截面面積,通過(guò)計(jì)算也滿足了壓桿穩(wěn)定的要求。

　　基坑土方開(kāi)挖前通過(guò)千斤頂施加支撐軸力,千斤頂對(duì)稱布置在桿件兩側(cè),統(tǒng)一按給定數(shù)值施加軸力,避免桿件偏壓造成扭曲。角部支撐的牛腿施工時(shí)必須考慮施加軸力的作業(yè)面,確保斜向布置支撐兩側(cè)有頂進(jìn)設(shè)備的工作面。該基坑鎖定支撐軸力采用特制鋼楔,鋼楔與支撐、牛腿相互焊接固定。但由于鋼楔采用捶擊,人員的操作力度差別較大,千斤頂穩(wěn)壓數(shù)據(jù)與最終鋼楔鎖定數(shù)據(jù)誤差范圍在10%�；�坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明,雖然開(kāi)始軸力有一定偏差,但最終同一層支撐軸力之間差距不大。分析該現(xiàn)象是由于護(hù)坡樁受壓后產(chǎn)生不同變形,最終形成整體穩(wěn)定。

　　由于受基坑內(nèi)現(xiàn)況管線改移影響,基坑開(kāi)挖至基坑底歷時(shí)3個(gè)月。土方開(kāi)挖、基坑內(nèi)支撐架設(shè)經(jīng)歷了雨季的考驗(yàn),自2004年6~7月底北京市有幾場(chǎng)連續(xù)降雨,降雨量較大,造成土方開(kāi)挖幾次中斷,并且受到場(chǎng)地條件限制無(wú)法及時(shí)架設(shè)內(nèi)支撐,該基坑基本經(jīng)歷了最不利的受力狀態(tài),基坑施工順利完成。

　　4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

　　通過(guò)施工過(guò)程中各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、了解內(nèi)支撐體系與基坑變形之間關(guān)系,順利完成結(jié)構(gòu)施工,可以判斷該支撐體系穩(wěn)定(見(jiàn)表1)。

　　根據(jù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)可以判定:

　　(1) 地表沉降、樁頂位移等變化不僅僅受土方開(kāi)挖深度影響,并且受地表溫度、土體含水量等影響,觀測(cè)結(jié)果表明部分?jǐn)?shù)值變化出現(xiàn)反彈。當(dāng)?shù)乇頊囟壬�高時(shí)樁頂位移呈現(xiàn)暫時(shí)升高,但溫度對(duì)于基坑變形影響較小。結(jié)合氣候情況記錄,明顯發(fā)現(xiàn)降雨對(duì)于基坑變形影響非常明顯,降雨前后基坑變形普遍變化約1.0~1.6mm。由于該基坑在雨季采用分塊局部開(kāi)挖,縮小單獨(dú)施工段的面積,做到了可以較為及時(shí)的完成內(nèi)支撐,基坑變形較小;

　　(2) 內(nèi)支撐對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的約束作用明顯,通過(guò)觀察施工內(nèi)支撐前后期現(xiàn)場(chǎng)θ600護(hù)坡樁變形,發(fā)現(xiàn)護(hù)坡樁受內(nèi)支撐約束較大,前后期護(hù)坡樁變形明顯,對(duì)比θ600與內(nèi)支撐體系對(duì)于基坑穩(wěn)定作用,內(nèi)支撐體系相對(duì)作用較為重要;

　　(3) 孔護(hù)坡樁變形最大位置不完全與埋深對(duì)應(yīng),4個(gè)測(cè)斜管數(shù)據(jù)表明,變形最大位置分別在7.5m、-10m、-11.5m、-11m,對(duì)照相應(yīng)位置三層鋼支撐軸力分別為54.87t、208.8t、105.5t;13.69t、70.63t、59.81t;66.03t、29.21t、59.81t;29.06t、111.1t、128.37t。由于施工中支撐頂加軸力的施工損耗衰減,鎖定支撐時(shí)軸力相差較小,但基坑穩(wěn)定后軸力均存在較大變化,同一軸線位置的三層支撐在第二層、第三層均監(jiān)測(cè)到較大軸力,并且出現(xiàn)第三層支撐軸力比第二層軸力大的情況�；�坑計(jì)算模型在第二層應(yīng)該出現(xiàn)較大軸力。分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算模型不完全一致的原因與護(hù)坡樁的垂直度施工偏差有關(guān)。在護(hù)坡樁斜向基坑外側(cè)及內(nèi)側(cè)時(shí),變形程度不同時(shí),相應(yīng)位置的支撐所受壓力變化較大�，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)照護(hù)坡樁垂直度、變形位置與軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析,能夠判定同一層軸力較大處與護(hù)坡樁變形突出的位置基本對(duì)應(yīng);

　　(4) 角部支撐軸力要遠(yuǎn)大于直線段對(duì)撐,驗(yàn)證了基坑角度受力較大的計(jì)算模型,符合基坑計(jì)算模型。

　　基坑監(jiān)測(cè)實(shí)際數(shù)值與設(shè)計(jì)警戒值差距較大,一方面體現(xiàn)了支撐體系安全;另一方面說(shuō)明該支撐體系與設(shè)計(jì)受力狀態(tài)有較大距離,沒(méi)有達(dá)到支撐體系經(jīng)濟(jì)性目的,尚有較大的安全余量。

　　5 經(jīng)濟(jì)分析

　　合理選擇內(nèi)支撐與圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式可以達(dá)到降低工程造價(jià)的目的。作為擋土的護(hù)坡樁截面選擇直接影響內(nèi)支撐的架設(shè)密度。

　　該車站采用 θ600護(hù)坡樁,間距0.8~1.0m。由于樁身長(zhǎng)細(xì)比過(guò)大,采用均勻配筋。通過(guò)對(duì)比相同長(zhǎng)度 θ800護(hù)坡樁的造價(jià)分析,兩者造價(jià)差距較小。而且θ800護(hù)坡樁設(shè)計(jì)較為合理, θ800護(hù)坡樁間距一般控制在1.2m,樁距加大,并且通過(guò)配筋調(diào)整完全可以將造價(jià)控制在同一水平。但由于θ800樁體自身剛度增大,內(nèi)支撐數(shù)量可以減少,實(shí)際情況將降低工程造價(jià)。并且θ800護(hù)坡樁的施工誤差較θ600護(hù)坡樁好控制。

　　基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選定時(shí),不但要考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的造價(jià),還要考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)工序的造價(jià)影響,確保整體圍護(hù)結(jié)構(gòu)造價(jià)的降低。地鐵五號(hào)線部分車站采用錨桿配合護(hù)坡樁的形式,實(shí)際證明由于可以采用規(guī)�；�的機(jī)械化施工,方便了承包單位施工組織,普遍加快了施工進(jìn)度,通過(guò)雍和宮車站等基坑的實(shí)際測(cè)算,工程總體造價(jià)得到了較好的控制。

　　在基坑與結(jié)構(gòu)平面綜合時(shí)應(yīng)該考慮的施工工藝、工法、結(jié)構(gòu)縫等因素。劉家窯、張自忠等明挖結(jié)合暗挖的車站,明暗挖結(jié)合部位都設(shè)置在基坑護(hù)坡樁位置。由于暗挖斷面與明挖斷面不同,結(jié)構(gòu)厚度、配筋位置等均不相同,在護(hù)坡樁狹小位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)斷面、配筋等的轉(zhuǎn)換對(duì)于防水等地下工程的關(guān)鍵工序質(zhì)量保障難度非常大。劉家窯預(yù)先在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中處理了附屬工程結(jié)構(gòu)縫位置,事實(shí)效果非常明顯。如果將暗挖與明挖結(jié)合位置向明挖段延伸,在施工明挖結(jié)構(gòu)時(shí)預(yù)先完成一段暗挖結(jié)構(gòu),對(duì)于不同防水結(jié)構(gòu)形式、斷面形式的結(jié)構(gòu)搭接具有明顯的意義,可以解決明挖、暗挖結(jié)合部的一系列設(shè)計(jì)、施工難題,避免了結(jié)合部位配筋等調(diào)整。并且投資造價(jià)基本沒(méi)有較大變化。

　　由于國(guó)內(nèi)目前建設(shè)地鐵的地域差別,南北城市之間的基坑做法受到各自地質(zhì)情況影響,均有一定的常規(guī)、經(jīng)驗(yàn)做法,內(nèi)支撐體系對(duì)于含水量較大土層有其必要性,對(duì)于北方普遍土層含水量較小、地下水位較低的基坑支護(hù),是否必要采用內(nèi)支撐體系,可進(jìn)一步研究,即使采用內(nèi)支撐體系,也可結(jié)合錨桿等支撐形式進(jìn)行優(yōu)化。并且不同地區(qū)承包單位也積累了一定支撐材料,施工中選擇利用承包單位現(xiàn)有材料,對(duì)于總體造價(jià)的降低有一定的積極作用。內(nèi)支撐體系對(duì)于土建施工干擾較大,且材料形式變化對(duì)于承包單位一次性投入較大。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　合理的支撐體系是影響深基坑安全性、經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵,通過(guò)該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理、分析,提出合理的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選擇,在確保安全性的前提下,減少對(duì)結(jié)構(gòu)施工影響,降低工程造價(jià),還應(yīng)注意地域差別,尊重不同地區(qū)的成熟工藝。針對(duì)北京市土層狀況,在條件允許的情況下,建議推廣錨桿結(jié)合護(hù)坡樁的深基坑圍護(hù)體系。

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