某換乘站混凝土支撐節(jié)點開裂處理措施

宗 晴，熊 竺

(中鐵四院集團(tuán)西南勘察設(shè)計有限公司，云南昆明 650206)

1 工程概況

該站為某市軌道交通工程2號線與3號線的十字換乘站，車站位于北京路與東風(fēng)東路十字路口下方。2號線車站沿北京路南北向布設(shè)，3號線車站沿東風(fēng)路東西向布設(shè)，2號線車站為地下兩層島式車站，3號線車站為地下三層島式車站，車站設(shè)置聯(lián)絡(luò)線。車站處于繁華的北京路與東風(fēng)路十字路口，兩側(cè)已建建筑物密集，主要建筑有西北側(cè)震莊賓館，東北側(cè)中國電信辦公大樓，東南側(cè)金格購物中心，西南側(cè)工人文化宮。北京路道路紅線寬度40 m，東風(fēng)東路道路紅線寬度50 m，道路狹窄，交通流量大，車站施工難度大(圖1、圖2)。

圖1 車站剖面效果圖(圖左為北)

圖2 車站總平面(圖上為北)

車站頂板以上覆土約為3.5 m，車站結(jié)構(gòu)從上至下穿越的地層依次為填土、粉質(zhì)黏土、圓礫、粉砂與粉土的互層，局部夾雜有泥炭質(zhì)土，2號線車站底板位于粉砂層，3號線車站底板位于粉土層。場地范圍內(nèi)的地下水位較高，根據(jù)地質(zhì)詳勘報告，地下水位位于地面以下約2 m，施工過程中采用坑內(nèi)降水井進(jìn)行降水。

2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于施工期間必須保證北京路南北向的通行，先期圍擋北京路東側(cè)半幅，施工2號線車站東側(cè)的蓋挖逆做頂板。之后，將施工區(qū)域東西向交通向東風(fēng)廣場導(dǎo)改，整個車站剩余部分采用明挖法施工。

車站主體基坑平面面積約為20 308 m2，基坑最大深度為25.2 m，寬度最大約為90 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用連續(xù)墻，其中2號線部分墻厚為800 mm，3號線及聯(lián)絡(luò)線部分墻厚為1 000 mm。由于基坑是一個較大的異形基坑［3，4］，基坑深度較深，且支撐體系的受力情況較復(fù)雜［1，2］，除2號線標(biāo)準(zhǔn)段、3號線位于北京路最東側(cè)和最西側(cè)的部分以及3號線負(fù)三層部分采用φ609 mm，t=16 mm鋼支撐外，其余部分均采用混凝土支撐［8］，混凝土支撐利用部分永臨結(jié)合φ609 mm，t=16 mm鋼管結(jié)構(gòu)柱(灌注混凝土)以及臨時設(shè)置的φ609 mm，t=16 mm鋼管柱(黃沙填充)節(jié)點進(jìn)行連接(圖3、圖4)。

支撐采用C30鋼筋混凝土現(xiàn)澆，第1道支撐截面為800 mm(寬)×800 mm(高)，第2道支撐截面為800 mm(寬)×1 000 mm(高)，第3道支撐截面為800 mm(高)×1 200 mm(高)，各支撐軸力設(shè)計值見表1(鋼支撐間距為3 m，混凝土支撐間距為8 m)。

圖3 第1道混凝土支撐平面布置圖(局部)

圖4 第2、3道混凝土支撐平面布置(局部)

表1 支撐軸力設(shè)計值kN

3 混凝土支撐節(jié)點設(shè)計

由于城市地下空間開發(fā)的原因，為避免對地下環(huán)境的污染，不適合采用連續(xù)墻+鋼絞線錨索或樁+鋼絞線錨索的支護(hù)方案，對于類似本站的大型不規(guī)則深基坑，基坑寬度較大，鋼支撐的使用受到限制，因此采用混凝土內(nèi)支撐支護(hù)是較為可行的支護(hù)方案，整個支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，基坑施工安全性較高。本車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土支撐節(jié)點根據(jù)受力情況以及支撐的布置情況設(shè)計了“一”字形、“十”字形(T字形)以及“*”形節(jié)點。“一”字形節(jié)點未對節(jié)點區(qū)進(jìn)行加腋處理;“十”字形以及“*”形節(jié)點在節(jié)點區(qū)均設(shè)置了加腋，如圖5所示。

圖5 “十”字、“*”字形節(jié)點

4 混凝土支撐節(jié)點開裂原因分析及處理措施

在先期完成位于北京路的2號線東側(cè)半幅蓋挖逆做工程以及位于東風(fēng)東路的3號線東側(cè)部分結(jié)構(gòu)之后，車站全面進(jìn)入全明挖施工。施工過程中，施工單位及第三方監(jiān)測單位均進(jìn)行了監(jiān)測。在土方開挖過程中，當(dāng)車站3號線部分開挖至基底時，監(jiān)測得到的第3道混凝土支撐(800 mm×1 200 mm)的最大軸力為8 800 kN，約為設(shè)計軸力最大值的73%，第2道混凝土支撐(800 mm×1 000 mm)的最大軸力為5 000 kN，約為設(shè)計軸力最大值的74%。通過監(jiān)測，連續(xù)墻的變形也在設(shè)計允許的范圍之內(nèi)，整個基坑的支撐系統(tǒng)是安全可靠的(圖6)。

圖6 施工中的車站深基坑(左上角為北)

到2012年5月底，該站3號線部分的負(fù)三層底板(采用鋼支撐)及負(fù)二層中板施工完畢后，整個明挖施工區(qū)域近似于一個兩層的地下車站，設(shè)置有3道混凝土支撐。按照施工單位的施工流水，此時從車站3號線部分的西側(cè)向東側(cè)((12)軸～○26軸方向)分段施工車站的負(fù)一層中板和頂板。由于車站的3號線部分從西向東，基坑的寬度越來越大，因此，混凝土支撐從(12)軸開始設(shè)置。施工負(fù)一層中板時，需鑿除第3道混凝土支撐。施工單位采用了大型機(jī)械(炮錘)進(jìn)行破除。2012年6月20日，當(dāng)?shù)?14)軸(該處的基坑寬度達(dá)到35.2 m)的第3道混凝土支撐被機(jī)械斷開卸載后，位于(12)軸兩側(cè)的2根混凝土支撐，在南端與鋼管柱的節(jié)點位置出現(xiàn)較大裂紋，節(jié)點位置混凝土保護(hù)層剝離，支撐鋼筋裸露。2012年6月21日晚，由于裂紋不斷發(fā)展，施工單位及時向業(yè)主及設(shè)計方進(jìn)行了通報，設(shè)計方趕赴現(xiàn)場進(jìn)行查驗。首先出現(xiàn)破壞的節(jié)點見圖4中標(biāo)注，破壞的結(jié)果如圖7所示。

圖7 第2道混凝土支撐“一”字形節(jié)點擠壓破壞

4.1 開裂原因分析

通過對施工方軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析［6，10］以及現(xiàn)場觀察，判定節(jié)點發(fā)生開裂是由于第3道支撐拆除后導(dǎo)致第2道支撐軸力增大，在瞬間增大的軸力作用下，第2道混凝土支撐與鋼管柱的連接節(jié)點發(fā)生擠壓，從而發(fā)生破壞(并非施工方起初認(rèn)為的由于機(jī)械振動導(dǎo)致的開裂)。

初次發(fā)現(xiàn)裂紋后，對第2道混凝土支撐進(jìn)行了軸力監(jiān)測，起初，軸力比第3道混凝土支撐拆除前增大了約1 500 kN，幾乎達(dá)到了最大設(shè)計軸力，隨后裂紋發(fā)展，節(jié)點位置幾乎出現(xiàn)了“骨折”的現(xiàn)象，支撐軸力降低到約3 500 kN，表明混凝土支撐發(fā)生了擠壓破壞并卸載。

第3道支撐拆除后，第2道支撐的軸力突然增大，但尚未超過設(shè)計軸力值，為什么仍然會發(fā)生破壞呢?原因在于，首先出現(xiàn)破壞的節(jié)點是一個最為薄弱的節(jié)點，這個“一”字形節(jié)點僅與1根混凝土支撐連接，與“T”字形、“十”字形及“*”字形節(jié)點相比，此處的節(jié)點連接顯得單薄，且“一”字形節(jié)點對施工的軸線誤差反映較為強(qiáng)烈，當(dāng)混凝土支撐出現(xiàn)偏離軸線的誤差后，在軸壓力作用下，容易引起附加彎矩，導(dǎo)致裂縫的開展，圖7即表明了由于存在施工軸線誤差，混凝土支撐的鋼筋被壓彎。其次，由于第2道混凝土支撐的截面寬度為800 mm，而鋼管柱的外徑為609 mm，因此，混凝土支撐在節(jié)點位置的混凝土有效截面很小，支撐的受壓截面被大幅削弱，從而大大降低了混凝土支撐的抗壓能力，導(dǎo)致破壞。

另外，在混凝土支撐發(fā)生破壞的整個過程中，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)連續(xù)墻向基坑內(nèi)發(fā)生了5～6 mm的位移［5］，出現(xiàn)了“鼓肚子”的現(xiàn)象，表明第3道支撐拆除時，整個支撐系統(tǒng)發(fā)生了較大的卸載，連續(xù)墻背后的土壓力占據(jù)了優(yōu)勢。

4.2 加固處理措施

針對現(xiàn)場出現(xiàn)的開裂情況，設(shè)計方提出了相應(yīng)的加固處理應(yīng)對措施。位于(12)軸兩側(cè)的2根混凝土支撐開裂后，承載力大幅降低，此時，為確保施工的安全，施工方立即停止了混凝土支撐的鑿除，并迅速組裝φ609 mm，t=16 mm鋼管撐，架設(shè)于第2道混凝土支撐上方，并施加一定的預(yù)加軸力。由于(12)軸基坑寬度約為32 m，此時具備架設(shè)鋼支撐的條件。架設(shè)鋼管撐并施加一定的預(yù)加軸力后，通過監(jiān)測，連續(xù)墻向基坑外側(cè)發(fā)生了2 mm的位移，發(fā)生擠壓破壞的混凝土支撐軸力變化量不大［7］，減小約300 kN，見圖8。經(jīng)過1周左右的時間，施工方完成了此段負(fù)一層中板的施工，且在此期間，未繼續(xù)進(jìn)行其余第3道混凝土支撐的破除作業(yè)。

圖8 臨時架設(shè)鋼支撐處理措施

在順利處理完以上開裂之后，施工方繼續(xù)進(jìn)行第3道混凝土支撐的破除，同時加強(qiáng)了基坑中所有“一”字形節(jié)點的觀察與監(jiān)測。由于車站3號線部分往東的基坑寬度越來越大，且支撐系統(tǒng)存在較多的“一”字形節(jié)點，因此，為確保施工安全，提出了具體的預(yù)處理措施:對可能會出現(xiàn)開裂的“一”字形節(jié)點提前進(jìn)行加固，在節(jié)點位置兩側(cè)各1 m的平面范圍，沿著混凝土支撐的梁高方向，在梁的兩個側(cè)面各幫貼一塊40 mm厚鋼板，鋼板高度同梁高，然后用φ12 mm@100 mm鋼筋在鋼板表面進(jìn)行焊接抱箍，形成一個加固區(qū)，從(15)軸到○26軸，共計12個節(jié)點，節(jié)點處理后的效果如圖9所示。經(jīng)過后續(xù)的施工檢驗，通過監(jiān)測，第2道混凝土支撐軸力在第3道混凝土支撐拆除后亦明顯增大，不再出現(xiàn)“骨折”從而導(dǎo)致監(jiān)測軸力再次下降的現(xiàn)象，表明加固處理達(dá)到了預(yù)期的效果，施工的安全得到了保證。2012年8月下旬，該站全部負(fù)一層中板澆筑完畢，進(jìn)入第2道混凝土支撐的鑿除作業(yè)階段，至此，該站的混凝土支撐節(jié)點開裂的風(fēng)險已順利化解。

圖9 “一”字形節(jié)點的預(yù)處理措施

5 結(jié)語

實踐是檢驗真理的標(biāo)準(zhǔn)，施工現(xiàn)場是對設(shè)計合理性的一種檢驗。通過對本站結(jié)構(gòu)回筑過程中的混凝土支撐節(jié)點開裂的處理，得出如下結(jié)論，并可作為今后同類基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［9］的參考。

富水地區(qū)位于城市繁華區(qū)段的地鐵超大超深異形基坑，圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)先采用連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護(hù)形式，并采用混凝土支撐。由于基坑寬度較大，混凝土支撐應(yīng)設(shè)置中間臨時立柱。在不增大混凝土支撐截面的前提下，混凝土支撐與臨時立柱的節(jié)點設(shè)計應(yīng)避免出現(xiàn)“一”字形節(jié)點，需按照“十”字形(T字形)、“*”字形節(jié)點進(jìn)行設(shè)計，同時，應(yīng)采取加腋措施增大節(jié)點區(qū)受壓混凝土的面積，以提高混凝土支撐在節(jié)點區(qū)的抗壓能力，避免在回筑過程中出現(xiàn)節(jié)點開裂，確保施工的安全。

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