地鐵車站逆作法施工中鋼支撐設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化分析

尉勝偉

(蘇州軌道交通有限公司,江蘇蘇州 215006)

1 工程概況

新蘇州站是一座集鐵路、城市軌道、城市道路交通換乘功能于一體的現(xiàn)代化大型交通樞紐,位于蘇州市平江新城,地上2層、地下3層,建筑面積85 717 m2。地鐵換乘車站位于火車站站房與高架候車廳正下方,要求同期建設(shè)完成。地上兩層及地下一層為站房使用,地下二層、負(fù)三層為地鐵車站,地鐵站采取暗挖逆作法施工,開挖面積為3 278 m2,自負(fù)一層地面開挖深度為13 m左右,兩端局部端頭井深度為15 m,地鐵站基坑四周的800 mm厚地下連續(xù)墻不僅作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),還作為站房主體基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

本工程施工內(nèi)容多,涵蓋了“鐵路橋梁、車站房建、市政地鐵”三大類,施工任務(wù)重,專業(yè)工種多,工序交叉紛繁復(fù)雜,施工總工期為29個(gè)月,工期較緊。此外,周邊環(huán)境復(fù)雜,多單位施工,有線路、路基、四電、雨棚、站前廣場(chǎng)、市政高架橋梁、配套房屋等工程同時(shí)施工,作業(yè)面緊密相連且相互交叉,存在相互間的干擾和制約。

本工程軟土地質(zhì)土方開挖難度大,安全事故易發(fā)點(diǎn)多。地下一層基坑開挖面積近4萬 m2,根據(jù)國鐵站房和地鐵站的功能要求,基坑深淺不一,負(fù)一層基坑深約10.5 m,且在大基坑中還有地鐵站基坑的二次開挖,是典型的坑中坑施工。地下二層基坑深約17.5 m,地下三層基坑深約23.4 m。對(duì)開挖順序、分層、行車路線等均提出嚴(yán)格要求。

本工程的工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件如下。

(1)工程地質(zhì)條件

基坑開挖深度范圍內(nèi)的土層主要為人工填土、③1層硬～可塑黏土、③2層軟～可塑粉質(zhì)黏土、④2層軟～流塑粉質(zhì)黏土、④3層稍～中密粉砂夾粉質(zhì)黏土、④5層軟～流塑粉質(zhì)黏土及⑤1層黏土；圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入土層為⑥3a層粉質(zhì)黏土或⑥3c層粉質(zhì)黏土。

(2)水文地質(zhì)條件

微承壓水：主要為④3粉土夾粉質(zhì)黏土,局部夾較多粉質(zhì)黏土,其透水性及賦水性一般～中等。該含水層埋深及厚度均有一定變化,埋深在6.80～12.20 m,厚度在1.30～6.50 m。據(jù)區(qū)域資料[1],蘇州市歷年最高微承壓水頭高程為1.74 m,最低承壓水頭高程為0.62 m。

承壓水：主要為⑥2粉土夾粉質(zhì)黏土,局部夾較多粉質(zhì)黏土,其透水性及賦水性一般～中等。該含水層埋深及厚度均有一定變化,埋深在29.00～34.90 m,厚度在3.90～10.50 m,為對(duì)車站施工影響較大的含水層。該含水層的補(bǔ)給來源主要為承壓水的越流補(bǔ)給及地下徑流補(bǔ)給。承壓水頭埋深在2.80 m左右,承壓水頭相應(yīng)高程在-1.32 m左右,據(jù)區(qū)域資料,年變幅為1 m左右。

2 原設(shè)計(jì)方案分析

2.1 設(shè)計(jì)方案

地鐵站采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),并與內(nèi)襯墻形成疊合結(jié)構(gòu),且是火車站站房柱的基礎(chǔ),設(shè)計(jì)地下連續(xù)墻厚800 mm。根據(jù)工期安排,為盡可能縮短施工周期,兩層地鐵站采用逆作法施工,利用負(fù)一層板、負(fù)二層板作為基坑開挖期間的支撐系統(tǒng),并在負(fù)三層內(nèi)土方開挖時(shí)設(shè)臨時(shí)鋼支撐,間距3 m,地鐵車站剖面如圖1所示。

圖1 地鐵站剖面及地質(zhì)分布(單位：mm)

2.2 原方案中制約工期的節(jié)點(diǎn)

本工程采用逆作法施工的目的是在要求工期內(nèi)同時(shí)完成站房和地鐵車站的結(jié)構(gòu)工程[2],原設(shè)計(jì)中,為保障施工中基坑的安全,在負(fù)三層設(shè)置了間距3 m的鋼支撐。在逆作土方開挖時(shí),需采用長臂挖機(jī)與小挖機(jī)配合作業(yè),施工操作空間因支撐間距過密而嚴(yán)重不足,機(jī)械臂不能自由旋轉(zhuǎn),制約了挖土工效,且所用鋼支撐僅能從出土口吊放入坑內(nèi),然后水平運(yùn)輸進(jìn)行安裝和拆卸,對(duì)施工工期也存在很大制約,如圖2所示。

圖2 逆作法基坑開挖示意(高程為絕對(duì)高程)

3 逆作法施工中支撐參數(shù)優(yōu)化的依據(jù)

要優(yōu)化逆作施工條件,加快施工進(jìn)度,需在保質(zhì)保安全的前提下,對(duì)外部及內(nèi)部工況進(jìn)行分析,掌握合理充分的依據(jù),經(jīng)過科學(xué)的模擬驗(yàn)算,才可實(shí)施支撐的增減。因此,在負(fù)二層逆作施工過程中,加強(qiáng)對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的收集整理并進(jìn)行分析,然后進(jìn)行優(yōu)化完善。

3.1 承壓水對(duì)基坑影響的分析

根據(jù)地下連續(xù)墻基底高程為-50.3～-56 m,理論上已將場(chǎng)地周邊與基坑內(nèi)的微承壓水和承壓水層隔斷,無外部承壓水向內(nèi)補(bǔ)給的工況。為驗(yàn)證承壓水是否存在因連續(xù)墻的墻體質(zhì)量缺陷而有繞流現(xiàn)象,避免造成基坑施工安全隱患。在前期地鐵站降水設(shè)計(jì)時(shí),均勻布設(shè)4口降壓井對(duì)承壓水進(jìn)行降排,通過觀測(cè)其水位回升速度從而判定承壓水層部位的連續(xù)墻質(zhì)量。降壓井于2008年12月進(jìn)行抽水試驗(yàn),水位下降至-23 m,后經(jīng)檢測(cè),水位基本未有回升,8個(gè)月后降壓井水位高程為-20 m左右。據(jù)此可確定承壓水層被地下連續(xù)墻有效隔斷。

3.2 地下連續(xù)墻體質(zhì)量確定

通過基坑負(fù)二層的開挖,對(duì)所有連續(xù)墻質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè),開挖完成后,所有外露的墻體混凝土密實(shí),鋼筋無外露現(xiàn)象,墻面平整度良好,觀感質(zhì)量優(yōu)；根據(jù)其28 d的試塊檢測(cè),其強(qiáng)度平均值為45.24 MPa,強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求；墻幅間采用的H型鋼接頭性能良好,整體性強(qiáng),無滲漏；墻體位置經(jīng)實(shí)測(cè)實(shí)量,與原成槽時(shí)定位基本一致,無侵限。

根據(jù)2008年地下連續(xù)墻施工時(shí)的記錄資料,初始幅連續(xù)墻成槽及澆筑混凝土?xí)r,槽壁發(fā)生坍塌,范圍在地面以下17 m的范圍之內(nèi),槽壁在17 m以下基本未有變形,后經(jīng)采取高壓旋噴樁進(jìn)行槽壁加固,成槽質(zhì)量獲得理想效果,因此結(jié)合目前已開挖部分的墻體質(zhì)量,可以基本確定在高程-15 m以下的墻體質(zhì)量會(huì)更有保障。經(jīng)第三方對(duì)地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè),墻體質(zhì)量均為Ⅰ類。

3.3 負(fù)二層施工過程中監(jiān)測(cè)情況

在負(fù)二層開挖過程中,委托第三方對(duì)地下連續(xù)墻在基坑土方開挖過程中的墻體變形進(jìn)行全過程監(jiān)測(cè)。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),監(jiān)測(cè)點(diǎn)墻體累計(jì)變形2～3 mm,遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)文件規(guī)定的最大水平位移≤0.14%H(H為基坑開挖深度,這里為7 m)的標(biāo)準(zhǔn),可判定連續(xù)墻自身剛度很大,質(zhì)量良好。

根據(jù)以上幾個(gè)方面的分析和結(jié)論,在負(fù)三層基坑施工中,支撐體系存在可優(yōu)化的空間。

4 鋼支撐設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化驗(yàn)算

4.1 計(jì)算模型及參數(shù)

結(jié)合地鐵車站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立平面應(yīng)變數(shù)值計(jì)算模型,并作以下幾個(gè)方面的考慮。

①連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)、各層底板采用板單元模擬,計(jì)算結(jié)構(gòu)單元的彎矩與軸力。②鋼支撐采用錨桿單元模擬,只計(jì)算軸力,不計(jì)算彎矩。③土體采用15節(jié)點(diǎn)的三角形實(shí)體單元模擬,并選用H-S本構(gòu)模型[3],即硬化塑性模型,該模型為能較好地模擬包括軟土和硬土在內(nèi)的不同類型土體行為的先進(jìn)模型。④結(jié)構(gòu)單元與實(shí)體單元間設(shè)置接觸單元,接觸面剛度用強(qiáng)度折減系數(shù)R來模擬,根據(jù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn),確定地下連續(xù)墻與土體之間的接觸剛度系數(shù)Rinter=0.6。

數(shù)值計(jì)算過程根據(jù)本工程逆作施工工序分為10步：①計(jì)算初始應(yīng)力狀態(tài)；②施作地下連續(xù)墻；③施作負(fù)一層板；④開挖負(fù)二層土體,每步開挖不超過3 m；⑤施作負(fù)二層板；⑥開挖負(fù)三層土體到鋼支撐位置；⑦施作鋼支撐；⑧繼續(xù)開挖負(fù)三層土體到底板位置；⑨施作負(fù)三層板；⑩拆除鋼支撐。

計(jì)算尺寸根據(jù)基坑開挖深度和寬度,并考慮邊界效應(yīng)的影響?；訉?8 m,連續(xù)墻最大深度44 m,考慮左右兩側(cè)邊界效應(yīng)各再取30 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部以下再取20 m。最終計(jì)算模型深度方向64 m,寬度方向88 m。模型底部x、y雙向約束,模型左右兩側(cè)x方向約束,模型頂部為自由邊界。計(jì)算示意如圖3所示。

圖3 計(jì)算示意(單位：m)

結(jié)構(gòu)和土體的數(shù)值計(jì)算參數(shù)列于表1、表2。土體的計(jì)算參數(shù)是將地層參數(shù)相近的相鄰亞層合并后的取值。土壓力計(jì)算時(shí),土體的側(cè)壓力系數(shù)按表1中靜止側(cè)壓力系數(shù)取值,為極大值,偏安全。

表1 土體材料的計(jì)算參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)

4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

為建立既能準(zhǔn)確模擬工程結(jié)構(gòu)條件,又適當(dāng)簡化的合理數(shù)值計(jì)算模型。計(jì)算分析前,首先對(duì)底板與立柱的連接方式、是否考慮連續(xù)墻上站房柱荷載的影響、以及是否考慮連續(xù)墻外側(cè)城際鐵路橋梁樁基的影響等因素進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明：上述各對(duì)比工況中連續(xù)墻的變形與內(nèi)力曲線規(guī)律相一致,板與立柱的連接關(guān)系對(duì)連續(xù)墻的變形和內(nèi)力規(guī)律影響較小；考慮連續(xù)墻上站房柱豎向荷載時(shí),連續(xù)墻的水平變形、最大負(fù)彎矩稍有減小,而最大正彎矩變化不大；考慮連續(xù)墻外側(cè)的樁基影響時(shí),連續(xù)墻的水平變形、最大負(fù)彎矩稍有減小。因此,從安全出發(fā),在計(jì)算模型中,將各層底板與立柱的連接當(dāng)成鉸接處理,且不計(jì)入連續(xù)墻上的豎向荷載作用和連續(xù)墻外側(cè)樁基的遮攔影響。

圖4～圖6對(duì)比了負(fù)三層鋼支撐間距為6、3 m及不設(shè)支撐時(shí),連續(xù)墻的變形與內(nèi)力圖。圖中第一步開挖為施工完負(fù)二層,第二步開挖為施工到鋼支撐位置,第三步開挖為施工到負(fù)三層底板。

從圖中可以看出,隨著基坑開挖深度加大,連續(xù)墻變形逐漸增大,且最大變形均發(fā)生在當(dāng)前開挖深度附近。隨著鋼支撐拆除,連續(xù)墻的最大變形位置有所上升,而變形量變化較小。此外,從彎矩圖可以看出,基坑開挖過程中,最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在負(fù)二層板所在位置,且隨著基坑開挖深度加大和拆除鋼支撐,負(fù)彎矩均有所增大?；娱_挖到坑底時(shí),最大正彎矩出現(xiàn)在坑底附近。隨著施工完負(fù)三層底板、拆除鋼支撐后,最大正彎矩位置有所上升,但正彎矩值增加較小。

圖4 鋼支撐間距為6 m時(shí)連續(xù)墻的變形、內(nèi)力曲線

圖5 鋼支撐間距為3 m時(shí)連續(xù)墻的變形、內(nèi)力曲線

圖6 無鋼支撐時(shí)連續(xù)墻的變形、內(nèi)力曲線

圖7給出了鋼支撐在不同間距條件下,連續(xù)墻在施工過程中的最大變形、彎矩對(duì)比曲線。

圖7 不同鋼支撐間距對(duì)連續(xù)墻的變形與內(nèi)力影響

從圖7中可以看出,隨著鋼支撐間距增加,連續(xù)墻的最大變形、最大負(fù)彎矩、最大正彎矩均有所增大。鋼支撐的間距從3 m增加到6 m,以及不設(shè)鋼支撐情況下,連續(xù)墻的最大水平變形從12.9 mm增加到14.6、19.7 mm；最大負(fù)彎矩從622.6 kN·m/m增加到689、985.5 kN·m/m；最大正彎矩從630.6 kN·m/m增加到700、953.3 kN·m/m。

此外,隨著鋼支撐間距增加,支撐的軸力也增大,支撐間距從3 m增加到6 m,鋼支撐的軸力從1 154.4 kN增大到1 746 kN。

根據(jù)該工程連續(xù)墻的配筋圖和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[4],計(jì)算得到連續(xù)墻正截面抗彎極限承載力為1 445 kN·m/m(開挖側(cè))、722.5 kN·m/m(迎土側(cè)),均大于鋼支撐間距為6 m時(shí)連續(xù)墻實(shí)際承受的最大正負(fù)彎矩值。另外,根據(jù)水平向配筋計(jì)算得到連續(xù)墻水平抗彎極限承載力為200.3 kN·m/m,大于鋼支撐間距為6 m時(shí)連續(xù)墻實(shí)際承受的最大水平彎矩值(160.3 kN·m/m)。而支撐間距取6 m時(shí)鋼支撐的軸力計(jì)算值均不超過2 000 kN,低于支撐軸力設(shè)計(jì)值。

5 施工過程的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

為了及時(shí)收集、反饋和分析周圍環(huán)境及圍護(hù)結(jié)構(gòu)在施工中的變形信息,實(shí)現(xiàn)信息化施工,確保施工安全。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件、設(shè)計(jì)單位確定的監(jiān)測(cè)內(nèi)容要求,確定以下幾方面監(jiān)測(cè)內(nèi)容。

支承軸力：采用鋼弦式軸力計(jì)及VW-1型頻率接收儀進(jìn)行監(jiān)測(cè),了解逆作法土方開挖及結(jié)構(gòu)施工中,支撐的軸力大小及其變化情況并進(jìn)行分析,對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否安全進(jìn)行判斷。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移：采用SINCO水平測(cè)斜儀與預(yù)埋于放入連續(xù)墻內(nèi)測(cè)斜管進(jìn)行監(jiān)測(cè),了解逆作法土方開挖及結(jié)構(gòu)施作中圍護(hù)結(jié)構(gòu)在不同深度處的水平位移情況并進(jìn)行分析,對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)是否安全進(jìn)行判斷。

經(jīng)對(duì)開挖及結(jié)構(gòu)施工中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,鋼支承軸力最大值為731.42 kN,遠(yuǎn)低于2 000 kN的支撐軸力設(shè)計(jì)值；連續(xù)墻的水平變形最大值為13.68 mm,均不超過設(shè)計(jì)文件規(guī)定的最大水平位移≤0.14%H(H為基坑開挖深度,這里為15 m)的標(biāo)準(zhǔn)。

6 綜合比較分析

(1)經(jīng)濟(jì)分析

鋼支撐由3 m間距合理優(yōu)化為6 m,可減少支撐35道,節(jié)約租賃、運(yùn)輸、安裝、拆卸等費(fèi)用約25.7萬元；

(2)工期分析

支撐間距增大1倍,方便機(jī)械化作業(yè),使機(jī)械的施工工效得到極大提高,同時(shí)減少了35道支撐安設(shè)拆卸時(shí)間,可提前工期28 d。

7 結(jié)論

針對(duì)火車站站房與地鐵車站同步實(shí)施以及地鐵車站采用逆作法施工的特點(diǎn),結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工量測(cè),對(duì)地鐵站的鋼支撐支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化分析。既保證了地鐵站逆作法施工與上部火車站建筑物的安全施工,又取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益并節(jié)約了建設(shè)工期。現(xiàn)場(chǎng)施工過程中連續(xù)墻的變形在21 mm之內(nèi),達(dá)到了預(yù)期分析的目標(biāo)。

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[2]夏明耀,曾進(jìn)倫.地下工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1999．

[3]李曉晶.淺析某蓋挖逆作地鐵車站的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(3)：81-82.

[4]P,B.J.Brinkgreve. PLAXIS 2D-Version 8 Reference Manual[M]. Netherlands: A.A.Balkema Pubfishem, 2002．

[5]GB50010—2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．