蓋挖換乘站換乘節(jié)點(diǎn)樁柱預(yù)留設(shè)計(jì)及施工技術(shù)研究

楊世東，劉慶方

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

0 引言

伴隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷提升，越來(lái)越多的城市開始規(guī)劃或正在實(shí)施地鐵工程建設(shè)，出現(xiàn)了越來(lái)越多的換乘車站。以長(zhǎng)沙最先實(shí)施建設(shè)的長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線一期工程為例，全線共設(shè)置車站19座，其中，換乘車站10座，比例超過(guò)50%?？紤]到國(guó)內(nèi)大部分地鐵換乘站建設(shè)分階段實(shí)施的特點(diǎn)［1－6］，換乘站換乘節(jié)點(diǎn)的預(yù)留對(duì)地鐵工程的建設(shè)及施工尤為重要。目前國(guó)內(nèi)常用的換乘節(jié)點(diǎn)預(yù)留方式有2種:1)一次性將換乘節(jié)點(diǎn)做出來(lái)，即節(jié)點(diǎn)預(yù)留;2)考慮近期只預(yù)留圍護(hù)樁、永久結(jié)構(gòu)柱，僅為后期施工預(yù)留可實(shí)施條件，即樁柱預(yù)留。樁柱預(yù)留近期不需一次性將節(jié)點(diǎn)做出，具有近期投資少、遠(yuǎn)期站線路及建筑布置靈活、近期站施工工期短等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被越來(lái)越多地應(yīng)用在換乘節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中。

在國(guó)內(nèi)外關(guān)于換乘節(jié)點(diǎn)的預(yù)留設(shè)計(jì)研究中，研究對(duì)象主要集中在節(jié)點(diǎn)預(yù)留型式運(yùn)營(yíng)工況下的內(nèi)力分析部分，如利用總體模型及子模型研究移動(dòng)列車荷載作用下的地鐵換乘節(jié)點(diǎn)中板內(nèi)力狀況［7］;利用空間計(jì)算模型分析十字換乘車站換乘節(jié)點(diǎn)處板、梁、柱的受力特性［8］。上述研究考慮的工況較單一，且只適合節(jié)點(diǎn)預(yù)留的換乘車站，而樁柱預(yù)留的換乘車站不僅要考慮以上因素，還要考慮不同施工工況對(duì)換乘節(jié)點(diǎn)構(gòu)件所產(chǎn)生的影響。

本文結(jié)合近、遠(yuǎn)期車站各施工工況下的結(jié)構(gòu)受力形態(tài)，給出換乘節(jié)點(diǎn)構(gòu)件隨施工階段產(chǎn)生的內(nèi)力變化規(guī)律，提出構(gòu)件設(shè)計(jì)的控制工況;考慮到樁柱預(yù)留型式換乘節(jié)點(diǎn)的另一核心內(nèi)容為立柱樁的設(shè)計(jì)與施工，因此，結(jié)合已運(yùn)營(yíng)的成都地鐵某蓋挖換乘站樁柱預(yù)留的實(shí)施情況，說(shuō)明樁柱預(yù)留型式節(jié)點(diǎn)重點(diǎn)需要解決的技術(shù)難題;為節(jié)省投資、縮短工期及方便施工，探索了利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐換乘節(jié)點(diǎn)的方法;為保證近期站的正常運(yùn)營(yíng)、控制節(jié)點(diǎn)的沉降與變形，考慮工序轉(zhuǎn)換的影響，給出了遠(yuǎn)期站的施工方法。

1 換乘節(jié)點(diǎn)在不同工況下的受力形態(tài)分析

對(duì)于樁柱預(yù)留型式的換乘節(jié)點(diǎn)而言，以十字換乘車站為例，換乘節(jié)點(diǎn)隨近、遠(yuǎn)期施工工況的不同，其受力形態(tài)會(huì)發(fā)生較大變化。比較典型的主要有3種工況狀態(tài)(遠(yuǎn)期站建成后的運(yùn)營(yíng)工況不起控制作用，此處略去):1)近期站建成后運(yùn)營(yíng)，遠(yuǎn)期站尚未施工，換乘節(jié)點(diǎn)頂板承受水土壓力及超載作用，側(cè)墻承受水土壓力作用，底板承受水頭壓力及底部土體的彈抗作用;2)近期站處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，遠(yuǎn)期站施工開挖至近期站底板，換乘節(jié)點(diǎn)頂板承受地面超載及土壓力作用，側(cè)墻無(wú)荷載，底板承受立柱及土體彈抗作用;3)遠(yuǎn)期站開挖至基坑底部，換乘節(jié)點(diǎn)頂板承受地面超載及土荷載，側(cè)墻無(wú)荷載，近期站底板承受運(yùn)營(yíng)后的移動(dòng)列車荷載。3種工況的計(jì)算模型如圖1所示。

以近、遠(yuǎn)期均為12 m寬雙柱島式站臺(tái)十字換乘樁柱預(yù)留型式車站為例，車站覆土厚度考慮為3 m，利用有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件得到3種工況的內(nèi)力圖，如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可知，頂板邊支座、頂板中間支座及頂板跨中彎矩的變化趨勢(shì)如圖4所示，底板邊支座、底板中間支座及底板跨中彎矩的變化趨勢(shì)如圖5所示。

根據(jù)內(nèi)力分析可知，施工工況對(duì)構(gòu)件的受力形態(tài)影響較大，隨著施工工況的不同，構(gòu)件的內(nèi)力有明顯的重分配現(xiàn)象。

對(duì)于頂板而言，遠(yuǎn)期站施工時(shí)，頂板邊支座彎矩明顯減小，相對(duì)于遠(yuǎn)期站未施工時(shí)減小25% ～32%;頂板中間支座彎矩明顯增大，相對(duì)于遠(yuǎn)期站未施工時(shí)增大約10%;頂板邊跨跨中彎矩明顯增大，相對(duì)于遠(yuǎn)期站未施工時(shí)增大約23%。對(duì)于底板而言，支座彎矩及跨中彎矩隨著遠(yuǎn)期站施工內(nèi)力的降低而逐漸減小，當(dāng)遠(yuǎn)期站開挖至近期站底板以下時(shí)，底板受力狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換，底板受拉區(qū)變?yōu)槭軌簠^(qū)，受壓區(qū)變?yōu)槭芾瓍^(qū)。對(duì)于梁而言，由于換乘節(jié)點(diǎn)柱產(chǎn)生豎向位移，梁的計(jì)算模型可考慮為中間支座有一定剛度、可產(chǎn)生位移的彈性支座［9］，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)此原則進(jìn)行。

2 換乘節(jié)點(diǎn)處立柱樁設(shè)計(jì)及施工技術(shù)

以已建成運(yùn)營(yíng)的成都地鐵某蓋挖換乘站樁柱預(yù)留型式換乘節(jié)點(diǎn)為例，換乘節(jié)點(diǎn)處立柱樁的設(shè)計(jì)及施工技術(shù)如下。

2.1 立柱樁與梁(板)結(jié)構(gòu)體系的連接技術(shù)

樁柱預(yù)留換乘節(jié)點(diǎn)立柱一般采用鋼管混凝土柱，便于立柱與梁(板)結(jié)構(gòu)的連接［10］。由于采用逆作法施工，立柱頂面支撐頂部梁板結(jié)構(gòu)體系，立柱與頂梁鉸接，設(shè)置L型抗剪鍵防止立柱與頂梁(板)的水平滑移，立柱與頂梁(板)的連接構(gòu)造如圖6所示。

圖6 立柱與頂梁(板)連接大樣Fig.6 Details of connection between vertical columns and roof beam(slab)

圖7為立柱與中梁(板)連接大樣圖，施工中板前，將抗拉鋼板(含抗拉支撐鋼板)、抗剪鋼板、抗剪鋼牛腿等構(gòu)件焊接至事先預(yù)留好的抗拉鋼套箍上，將梁板受力鋼筋焊接在抗拉鋼板上，澆筑混凝土后即可使之成為整體結(jié)構(gòu)，從而保證梁柱節(jié)點(diǎn)的有效連接。

圖7 立柱與中梁(板)連接大樣Fig.7 Details of connection between vertical columns and intermediate beam(slab)

換乘節(jié)點(diǎn)處底梁(板)與立柱的連接可以參考立柱與中梁(板)的連接方式，不同的是支座負(fù)彎矩的方向，底梁支座的受拉鋼筋位于梁的下部，所以，連接受力鋼筋的抗拉鋼板應(yīng)設(shè)置于底梁的下側(cè)，抗剪鋼板設(shè)置在上側(cè)，底梁(板)與立柱的連接見圖8。

2.2 立柱基礎(chǔ)

立柱基礎(chǔ)的作用主要有2個(gè):1)承受施工期間上部換乘節(jié)點(diǎn)的荷載，2)運(yùn)營(yíng)期間作為抗拔樁使用。立柱基礎(chǔ)可設(shè)計(jì)為樁基礎(chǔ)或淺基礎(chǔ)，考慮到遠(yuǎn)期站施工時(shí)負(fù)3層結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)土體挖除的影響，立柱基礎(chǔ)可能會(huì)由樁基礎(chǔ)轉(zhuǎn)變?yōu)闇\基礎(chǔ)，基礎(chǔ)的承載能力明顯降低;因此，立柱基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)及施工時(shí)應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

2.3 鋼管柱的定位

鋼管柱的定位會(huì)對(duì)建筑功能及結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生較大影響，因此，需設(shè)計(jì)如圖9所示的定位裝置，從而保證定位的準(zhǔn)確性。利用定位錐保證其中心定位的準(zhǔn)確性，利用3個(gè)調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)其垂直度。

3 利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐換乘節(jié)點(diǎn)

對(duì)于樁柱預(yù)留的換乘節(jié)點(diǎn)，宜優(yōu)先考慮采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐換乘節(jié)點(diǎn)，以方便施工及節(jié)省投資。一般而言，可支撐換乘節(jié)點(diǎn)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要有2類，一類為連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，具有連續(xù)性、受力均勻的特點(diǎn);另一類為排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，為非連續(xù)結(jié)構(gòu)，需在樁頂設(shè)置冠梁使其成為連續(xù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)冠梁轉(zhuǎn)化支撐換乘節(jié)點(diǎn)。

對(duì)于十字換乘型式的節(jié)點(diǎn)，換乘節(jié)點(diǎn)由節(jié)點(diǎn)兩側(cè)預(yù)留半截墻(樁)及節(jié)點(diǎn)中間預(yù)留鋼管柱支撐。對(duì)于T型或L型換乘的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)端部圍護(hù)結(jié)構(gòu)不能直接支撐在近期站底板上，應(yīng)根據(jù)施工工況采取特殊處理，利用端部圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐換乘節(jié)點(diǎn)。圖10為典型的T型(L型)蓋挖換乘車站樁柱預(yù)留節(jié)點(diǎn)示意圖。

圖10 T型換乘節(jié)點(diǎn)樁柱預(yù)留示意圖Fig.10 Sketch of reservation of piles and columns of T-shaped interchange node

由圖10可知，節(jié)點(diǎn)端部圍護(hù)樁對(duì)節(jié)點(diǎn)的支撐作用主要分為2個(gè)階段。第1階段為近期站施工階段，將頂板結(jié)構(gòu)外伸搭在節(jié)點(diǎn)周邊樁頂冠梁上，近期站蓋挖施工時(shí)，頂板上部荷載傳遞至圍護(hù)樁及中部鋼管混凝土柱上，保證下部蓋挖施工的安全;第2階段為遠(yuǎn)期站站臺(tái)層施工階段，由于近期站的運(yùn)營(yíng)(端部圍護(hù)結(jié)構(gòu)盾構(gòu)穿越段圍護(hù)樁斷掉，失去支撐作用)及遠(yuǎn)期站的開挖，端部及兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)在該階段失去支撐作用，需在近期站端部底板與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間進(jìn)行界面劑處理，在底板與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間設(shè)置企口或錨固鋼筋［11－13］等，利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐換乘節(jié)點(diǎn)，由于錨固筋植筋會(huì)對(duì)防水層造成破壞，應(yīng)優(yōu)先采用企口連接形式。根據(jù)連續(xù)墻的特點(diǎn)，換乘節(jié)點(diǎn)蓋挖施工至底板時(shí)，可將底板標(biāo)高處連續(xù)墻保護(hù)層鑿除，在底板與連續(xù)墻間設(shè)置企口連接兩結(jié)構(gòu)，連接大樣如圖11所示。

圖11 利用連續(xù)墻支撐換乘節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖(單位:mm)Fig.11 Structure of interchange node supported by diaphragm wall(mm)

根據(jù)排樁的特點(diǎn)，由于其為非連續(xù)結(jié)構(gòu)，可將底板標(biāo)高處的圍護(hù)樁保護(hù)層鑿除，在底板與支護(hù)樁間設(shè)置企口連接兩結(jié)構(gòu)，連接大樣見圖12。

圖12 利用圍護(hù)樁支撐換乘節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖(單位:mm)Fig.12 Structure of interchange node supported by retaining piles(mm)

4 遠(yuǎn)期站施工方法及主要施工注意事項(xiàng)

車站分階段實(shí)施，后期車站實(shí)施時(shí)先期車站一般處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，施工對(duì)節(jié)點(diǎn)處構(gòu)件受力影響較大［3］，因此，應(yīng)選擇合適的施工方法控制施工造成的變形。遠(yuǎn)期站施工進(jìn)程與節(jié)點(diǎn)受力工況的轉(zhuǎn)換關(guān)系如表1所示。

表1 遠(yuǎn)期站施工進(jìn)程與換乘節(jié)點(diǎn)受力工況轉(zhuǎn)換關(guān)系Table 1 Construction procedure of long-term station VS stressing conditions of interchange node

由表1可知，遠(yuǎn)期站開挖至近期站底板下方時(shí)，換乘節(jié)點(diǎn)受力工況2瞬時(shí)轉(zhuǎn)換為工況3，不利于控制節(jié)點(diǎn)的沉降。為有效控制換乘節(jié)點(diǎn)梁板體系的變形，建議采取措施使節(jié)點(diǎn)從工況2向工況3逐漸轉(zhuǎn)換，因此，節(jié)點(diǎn)負(fù)3層土方開挖宜采用分塊開挖并支護(hù)的方式進(jìn)行施工。圖13為某已建成的蓋挖換乘站換乘節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)期施工方法圖。

遠(yuǎn)期站蓋挖節(jié)點(diǎn)施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)注意:1)由于負(fù)3層土方開挖的原因，臨時(shí)立柱的基礎(chǔ)承載力可能會(huì)大幅度降低，立柱基礎(chǔ)可能由原樁基礎(chǔ)轉(zhuǎn)變?yōu)闇\基礎(chǔ);因此，遠(yuǎn)期站開挖時(shí)應(yīng)盡量減少對(duì)遠(yuǎn)期站底板以下土體的擾動(dòng)，尤其是嚴(yán)禁超挖，保證臨時(shí)立柱基礎(chǔ)的承載力，確保上部結(jié)構(gòu)的安全。2)土方開挖應(yīng)盡量采用橫向分塊開挖形式，預(yù)留一定的核心土，縱向開挖應(yīng)控制進(jìn)尺長(zhǎng)度，建議開挖長(zhǎng)度不大于5 m即進(jìn)行支護(hù)，保證工況2向工況3的逐漸過(guò)渡，控制節(jié)點(diǎn)沉降，降低對(duì)近期站運(yùn)營(yíng)的影響。

圖13 換乘節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)期施工方法圖Fig.13 Construction program of interchange node in long term

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

1)根據(jù)換乘節(jié)點(diǎn)在不同施工工況下的受力形態(tài)可知，施工對(duì)節(jié)點(diǎn)受力有較大影響，隨著遠(yuǎn)期站施工的進(jìn)行，頂板邊支座彎矩相對(duì)于施工前減小25% ～32%，頂板中間支座彎矩相對(duì)于施工前增大約10%，頂板邊跨跨中彎矩相對(duì)于施工前增大約23%;底板彎矩由于受力方式的改變，受拉區(qū)與受壓區(qū)互換，彎矩反向，剪力也有較大變化?？梢?，換乘節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的受力不僅受使用情況的影響，還受施工受力體系轉(zhuǎn)換的影響，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

2)中立柱應(yīng)盡量選用鋼管混凝土柱，鋼管柱設(shè)置抗拉鋼板及抗剪鋼板，便于與梁(板)結(jié)構(gòu)體系連接。

3)應(yīng)盡可能利用既有圍護(hù)結(jié)構(gòu)及中立柱支撐換乘節(jié)點(diǎn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐換乘節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及施工應(yīng)考慮工序的轉(zhuǎn)換。T型(L型)換乘節(jié)點(diǎn)可在近期站底板與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間設(shè)置企口(齒槽)，使工況2向工況3轉(zhuǎn)換時(shí)端部圍護(hù)結(jié)構(gòu)可作為節(jié)點(diǎn)的支撐使用。

4)遠(yuǎn)期站施工時(shí)，節(jié)點(diǎn)蓋挖施工應(yīng)橫向分塊開挖，縱向開挖應(yīng)控制進(jìn)尺長(zhǎng)度，使換乘節(jié)點(diǎn)受力逐步由工況2向工況3轉(zhuǎn)換，減少節(jié)點(diǎn)的變形，保證運(yùn)營(yíng)安全。

5.2 建議

對(duì)于樁柱預(yù)留型式換乘節(jié)點(diǎn)尚有較多難以解決的技術(shù)難題，建議下一步通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)立柱樁與混凝土梁板結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)處的受力機(jī)制進(jìn)行研究，摸清鋼管柱與混凝土梁板節(jié)點(diǎn)處彎矩分配規(guī)律及剪力狀況。通過(guò)模型試驗(yàn)、動(dòng)力及疲勞試驗(yàn)等方法進(jìn)一步研究T型換乘車站，利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)與近期站底板間設(shè)置企口來(lái)支撐換乘節(jié)點(diǎn)，摸清圍護(hù)結(jié)構(gòu)與近期站底板間企口的抗滑移狀況，為后期設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

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