武漢Ⅰ級(jí)階地地區(qū)進(jìn)行地鐵車站深基坑施工的換撐優(yōu)化分析

朱海軍 葉亦盛 龔 杰

中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司 湖北 武漢 430064

近年來，武漢地區(qū)大規(guī)模進(jìn)行軌道交通建設(shè)，市中心大量基坑降水也導(dǎo)致地下水位普遍下降，最大降幅可達(dá)10 m。

目前基坑設(shè)計(jì)中通常按最高觀測水位進(jìn)行設(shè)計(jì)，而施工期間坑外實(shí)際水位會(huì)比設(shè)計(jì)水位低很多，造成原設(shè)計(jì)偏于保守。

若在施工過程中對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，則能在保證工程安全的前提下加快建設(shè)進(jìn)度、降低成本。

本文以武漢地鐵21號(hào)線百步亭花園路站車站基坑工程為背景，通過基坑數(shù)值模擬和實(shí)測數(shù)據(jù)分析，研究換撐優(yōu)化方案的可行性，并通過跟蹤監(jiān)測進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

百步亭花園路站為武漢市軌道交通21號(hào)線工程的第2個(gè)車站，位于長江Ⅰ級(jí)階地的后湖大道。

本站為地下2層島式站臺(tái)車站，采用明挖法施工，車站全長206 m，標(biāo)準(zhǔn)段外包寬22.3 m，端頭寬30.3 m。標(biāo)準(zhǔn)段深度約18.1 m，大里程端盾構(gòu)段深度約19.5 m，采用明挖法施工。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚800 mm地下連續(xù)墻＋4道內(nèi)支撐，標(biāo)準(zhǔn)段為800 mm×1 000 mm混凝土支撐＋2道φ800 mm鋼支撐＋1道φ609 mm鋼支撐＋1道φ609 mm鋼換撐，端頭為800 mm× 1 000 mm混凝土支撐＋1 000 mm×1 200 mm混凝土支撐＋1道φ800 mm鋼支撐＋1道φ609 mm鋼支撐＋1道φ609 mm鋼換撐（圖1、圖2）。

圖1 百步亭花園路站基坑平面示意

圖2 標(biāo)準(zhǔn)段及端頭井段斷面示意

1.2 工程地質(zhì)

車站地處長江北岸（左岸）Ⅰ級(jí)階地，屬?zèng)_積平原區(qū)，地質(zhì)從上到下依次為：雜填土、素填土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層、粉砂、粉細(xì)砂、砂礫卵石、粉細(xì)砂、黏土夾礫卵石、灰?guī)r。車站基坑開挖范圍主要為④1粉砂和④2粉細(xì)砂，地下連續(xù)墻全部入灰?guī)r。場區(qū)內(nèi)地下水主要為上層滯水和孔隙承壓水，上層滯水主要賦存于人工填土層中，含水率與透水性不一，地下水位不連續(xù)，無統(tǒng)一的自由水面，水位埋深為0.5～2.0 m。承壓水主要賦存于④1粉砂、④2粉細(xì)砂、④3含礫中粗砂、⑤礫卵石、⑤a粉細(xì)砂層中，實(shí)測水位11.9～14.4 m。

1.3 工程背景

本工程設(shè)計(jì)采用1道鋼換撐保證基坑與側(cè)墻的穩(wěn)定。然而實(shí)際施工中采用鋼換撐存在以下問題：

1）工程量大，車站長度206 m，換撐間距1.7～3.0 m，換撐數(shù)量達(dá)到80根。

2）施工工序復(fù)雜、難度大，換撐前需要先將滿堂架拆除落低，并鋪設(shè)木方模板，將支撐卸力、重新配管，在滿堂架體上進(jìn)行換撐操作，操作困難且過程易碰撞架體，導(dǎo)致整體架體失穩(wěn)。

3）對工期影響大，若采取換撐，結(jié)構(gòu)地下2層側(cè)墻只能用木模分2次澆筑，第1次澆筑到換撐以上位置，等側(cè)墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后才能降架體、拆模，然后安裝換撐。由于拆裝操作難度大，導(dǎo)致工效十分低下，且影響下一步施工。

(1)對于低壓缸本體各結(jié)合面，小汽輪機(jī)本體結(jié)合面，與真空泵連接處各法蘭及各系統(tǒng)閥門閥桿密封處等中、小漏點(diǎn)，這些微正壓或負(fù)壓系統(tǒng)的泄漏原因大多是因?yàn)槠涿芊饷嫣幍膲|片老化、開裂等原因造成的，對其使用“硅酮平面密封膠”進(jìn)行臨時(shí)封堵處理，最終處理方法為在機(jī)組檢修時(shí)更換密封件。

4）后期拆除困難，鋼換撐需要在主體結(jié)構(gòu)封頂后才進(jìn)行拆除，每根鋼換撐質(zhì)量達(dá)6.5 t，拆除在地下2層中進(jìn)行，此時(shí)大型吊機(jī)無法使用，只能采用手拉葫蘆進(jìn)行拆除，再使用架子車水平運(yùn)輸至預(yù)留洞口吊出，施工費(fèi)時(shí)費(fèi)力且易造成安全事故。

根據(jù)工程整體籌劃，百步亭花園路站為區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)站，4臺(tái)盾構(gòu)機(jī)分別從車站兩端始發(fā)，需及時(shí)提供始發(fā)條件，主體結(jié)構(gòu)施工工期緊張。

2 工程實(shí)施過程監(jiān)測反分析情況

百步亭花園路站主體基坑面積約5 048 m2，挖土量約92 300 m3，工程于2016年4月12日開始基坑開挖，先開挖基坑寬度和深度均為最大的大里程端頭，于2016年5月1日大里程端開挖至基底，5月12日該段底板澆筑完成。采用監(jiān)測數(shù)據(jù)對工程進(jìn)行實(shí)時(shí)反分析。

2.1 基坑外水位監(jiān)測

選取大里程端頭南北兩側(cè)的坑外觀測井G5和G6，統(tǒng)計(jì)基坑正式開挖時(shí)至底板澆筑完成時(shí)間段的坑外靜水位情況（圖3）。

圖3 坑外靜水位監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可以看出，基坑開挖前，坑外初始水位在地面以下8.5～9.5 m，隨著坑內(nèi)持續(xù)降水，受其聯(lián)動(dòng)作用，坑外靜水位逐漸降低至地面以下13 m左右。

2.2 地下連續(xù)墻墻體位移監(jiān)測

選取大里程端頭的南北兩側(cè)監(jiān)測點(diǎn)BX04和BX08的5月1日—5月13日最大墻體位移進(jìn)行分析（圖4）。

2.3 支撐軸力監(jiān)測

對大里程端頭的4道支撐的軸力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（圖5）。監(jiān)測結(jié)果與警戒值對比如表1所示。

圖4 墻體位移監(jiān)測結(jié)果

表1 支撐軸力監(jiān)測結(jié)果分析

由表1可知，底板澆筑前后，支撐軸力變化較小，且遠(yuǎn)小于警戒值?；娱_挖的整個(gè)過程中，地下連續(xù)墻施工尤其是接縫處質(zhì)量較好，基坑基本無滲漏。由于開挖范圍主要是滲透性強(qiáng)的粉砂和粉細(xì)砂層，降水效果好，被動(dòng)土壓力得到有效發(fā)揮，有利于基坑變形控制，圍護(hù)體位移比較穩(wěn)定，變形速率和累計(jì)變形量均小于警戒值，支撐軸力也遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)軸力，且變化穩(wěn)定。加之圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏于保守，設(shè)計(jì)時(shí)坑外水位取值0 m，現(xiàn)場實(shí)測水位為地下8.5～9.5 m，實(shí)際主動(dòng)土壓力會(huì)比設(shè)計(jì)計(jì)算土壓力小。基于以上有利條件，本工程提出了對換撐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-4]。

3 換撐優(yōu)化方案安全性計(jì)算及驗(yàn)證

3.1 優(yōu)化方案計(jì)算

采用天漢基坑工程設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算分析：基坑開挖深度19.5 m，共6層土層，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為厚0.8 m地下連續(xù)墻＋4道支撐，土壓力按照朗肯理論計(jì)算，極限平衡按等值梁法計(jì)算，彈性抗力按“m”法計(jì)算，考慮地面超載30kPa，坑外水位采用實(shí)測坑外水位8.5 m，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)并調(diào)整基坑土層參數(shù)（圖6）。

有換撐情況下，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。若取消換撐，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。換撐取消驗(yàn)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，若取消換撐，地下連續(xù)墻受到的彎矩和支撐軸力均小于承載力值，但背土面的地下連續(xù)墻彎矩安全系數(shù)1.07偏低。

為保證基坑安全，增加安全儲(chǔ)備，本工程提出采用φ48 mm鋼管對頂撐代替大直徑鋼換撐，即搭設(shè)滿堂架體時(shí)使用直角扣件將φ48 mm×3.6 mm的鋼管連接在碗扣支架立桿上，支撐于兩面?zhèn)葔χg，對頂撐水平間距0.9 m，豎向間距1.2 m（圖9）。計(jì)算中采用Midas軟件計(jì)算滿堂架對撐結(jié)構(gòu)剛度，剛度值計(jì)算為69 336 kN/m，將該計(jì)算剛度進(jìn)行0.8倍折減代入天漢軟件代替換撐后圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面計(jì)算模型中，再計(jì)算產(chǎn)生的對滿堂架對撐鋼管的軸力值，復(fù)核計(jì)算滿堂支撐架代替換撐的安全性。驗(yàn)算結(jié)果如表3所示。

由表3可知，若采取對頂撐代替換撐，地下連續(xù)墻受到的彎矩和支撐軸力均小于承載力值，且安全系數(shù)在1.42～3.76之間，安全儲(chǔ)備充足，滿足基坑安全要求。

圖6 計(jì)算模型示意

圖7 有換撐計(jì)算結(jié)果

圖8 無換撐計(jì)算結(jié)果

表2 換撐取消驗(yàn)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，附加對頂撐單根鋼管受壓承受軸力為39.56 kN，鋼管壁厚按2.8 mm考慮。經(jīng)計(jì)算，對撐鋼管穩(wěn)定性滿足要求。

表3 附加對頂撐代替大直徑鋼換撐驗(yàn)算結(jié)果

經(jīng)過以上監(jiān)測結(jié)果反分析及數(shù)值模擬計(jì)算，可證明采用附加對頂撐優(yōu)化第4道鋼換撐的方案是可行的，圍護(hù)結(jié)構(gòu)是安全的，基坑是穩(wěn)定的。本工程經(jīng)過多次專家咨詢論證，確定了附加對頂撐代替鋼換撐優(yōu)化方案的可行性，在拆除第4道撐之后迅速搭設(shè)附加對頂撐的滿堂架體，并盡快完成地下2層側(cè)墻及中板施工，同時(shí)做好應(yīng)急預(yù)案，在施工中加強(qiáng)監(jiān)測，密切關(guān)注分析監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)跟蹤驗(yàn)證

在后續(xù)施工中，取BX04、BX08、ZL1-1、ZL2-1、GZL3-1和GZL4-1這6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行地下連續(xù)墻墻體和支撐軸力的跟蹤監(jiān)測分析（圖10、圖11）。

圖10 墻體位移監(jiān)測結(jié)果

通過對拆除第4道支撐（5月14日）至中板澆筑完成（6月13日）后的時(shí)間段的基坑監(jiān)測情況進(jìn)行分析，墻體位移最大值25.68 mm，小于警戒值40 mm，日變化＜3 mm，支撐軸力最大值548.9 kN，墻體位移和支撐軸力比拆撐之前均略有增大，但仍然都遠(yuǎn)小于警戒值，仍有較大的安全儲(chǔ)備，證明本支撐優(yōu)化方案在本工程中應(yīng)用效果良好。

圖11 支撐軸力監(jiān)測結(jié)果

4 工期、經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 工期效益分析

按照同類車站的施工經(jīng)驗(yàn)及在武漢I級(jí)階地同類項(xiàng)目的調(diào)研結(jié)果可知，吊換1根鋼換撐的工序需要1～2 d時(shí)間，按照1 d時(shí)間計(jì)算，本工程鋼換撐80根，車站基坑分2個(gè)作業(yè)面從兩端向中間流水施工，鋼換撐需要工期40 d。而采用附加對頂撐，由于是和滿堂架同時(shí)搭設(shè)，操作簡單，只需增加1～2名操作工，不需額外占用施工時(shí)間。經(jīng)比較分析，可節(jié)省約40 d工期。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)計(jì)算，80根鋼換撐（包含鋼連梁、鋼剪刀撐）的安拆、租賃、吊車增加費(fèi)為48.9萬元，而采用附加對頂撐，由于是和滿堂架同時(shí)搭設(shè)，不增加計(jì)量架體體積，基本不增加施工費(fèi)用。經(jīng)比較分析，可節(jié)省約48.9萬元施工成本。

5 結(jié)語

通過將軟件建模分析與實(shí)際監(jiān)測相結(jié)合，可得出結(jié)論：利用在滿堂支架上增加臨時(shí)水平對頂撐的方式取代傳統(tǒng)的大直徑鋼管換撐的方式是安全可行的[5-6]。

該方法在本工程中應(yīng)用效果較好，既節(jié)約了工期，又減少了施工成本，獲得了成功，可為相似工程提供借鑒和參考。