鄰近地鐵車站配套地下結(jié)構(gòu)建造方案研究

弓廣輝，盧艷偉，陳振溢，胡少斌，鄒溫勝

(1.北京城鄉(xiāng)建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100079；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

1 概述

地鐵車站與配套的商業(yè)建筑實(shí)施一體化建設(shè)，并且采用無縫銜接的連接方式，能夠吸引客流，并顯著提高地鐵車站周邊的地下空間綜合利用價(jià)值。這就要求配套的地下商業(yè)設(shè)施與地鐵車站采用統(tǒng)一規(guī)劃、分期施工的建造模式[1-7]，為此需要考慮地鐵車站結(jié)構(gòu)和配套地下結(jié)構(gòu)施工之間的相互影響，并采取相應(yīng)的控制措施。

北京地鐵16號(hào)線稻香湖站為兩層雙柱三跨箱形結(jié)構(gòu)地下車站，采用明挖法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為φ800 mm鉆孔灌注樁。與該站配套的地下結(jié)構(gòu)(商業(yè)設(shè)施)位于車站北側(cè)，緊鄰車站布置，也采用了兩層雙柱三跨箱形結(jié)構(gòu)，明挖法施工，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為φ800 mm鉆孔灌注樁，鄰近車站一側(cè)與車站共用圍護(hù)樁。內(nèi)支撐為3道鋼支撐。第1道支撐在冠梁上，第2道設(shè)置在結(jié)構(gòu)中板以上1.5 m，第3道設(shè)置在結(jié)構(gòu)底板以上1.5 m。稻香湖站與配套地下結(jié)構(gòu)位置關(guān)系見圖1。

圖1 配套地下結(jié)構(gòu)與地鐵車站位置關(guān)系示意

由于配套地下結(jié)構(gòu)與地鐵車站之間在負(fù)一層設(shè)置人防門及連通口，需要將兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間的負(fù)一層共用圍護(hù)樁大部分截除，并且為避免對(duì)地鐵車站的運(yùn)營(yíng)干擾，要求在地鐵車站投入運(yùn)營(yíng)之前完成共用圍護(hù)樁的截除施工。因此本車站配套的地下結(jié)構(gòu)建造方案必須以共用圍護(hù)樁的截除作為關(guān)鍵工序。

2 原設(shè)計(jì)的配套地下結(jié)構(gòu)建造方案

原設(shè)計(jì)方案是：配套地下結(jié)構(gòu)為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，采用順作法施工，待建造完成后，從地面向下分段逐層截除共用圍護(hù)樁。這種建造方案的思路是：先進(jìn)行配套地下結(jié)構(gòu)的施工，再截除共用圍護(hù)樁。其存在的最主要問題是：由于共用圍護(hù)樁兩側(cè)的車站側(cè)墻和配套地下結(jié)構(gòu)側(cè)墻已經(jīng)形成，因此截樁施工作業(yè)空間的寬度只有1.17 m(樁徑800 mm+車站側(cè)墻外側(cè)的砌塊370 mm)，機(jī)械設(shè)備難以進(jìn)入截樁作業(yè)面，主要依靠人工截除圍護(hù)樁，施工效率低，截樁作業(yè)工期長(zhǎng)。根據(jù)測(cè)算，在地鐵車站投入運(yùn)營(yíng)之前，不可能完成配套地下結(jié)構(gòu)的建造和共用圍護(hù)樁的截除。因此配套地下結(jié)構(gòu)建造必須與共用圍護(hù)樁截除統(tǒng)籌考慮。

3 以提高共用圍護(hù)樁截除效率為關(guān)鍵工序，提出的配套地下結(jié)構(gòu)建造方案

如前所述，在配套地下結(jié)構(gòu)建造過程中，對(duì)地鐵車站運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響的工序主要是共用圍護(hù)樁的截除，因此必須以共用圍護(hù)樁的截除為關(guān)鍵工序調(diào)整配套地下結(jié)構(gòu)建造方案。為此，在充分利用了基坑開挖與支護(hù)的時(shí)空效應(yīng)基礎(chǔ)上[8-12]，提出如下的優(yōu)化方案：先完成配套地下結(jié)構(gòu)的負(fù)二層結(jié)構(gòu)澆筑，然后將配套地下結(jié)構(gòu)的負(fù)一層分3個(gè)單元建造：結(jié)構(gòu)中段33 m寬的通風(fēng)口部位作為一個(gè)獨(dú)立單元，按下述的方案1先行施工；通風(fēng)口兩側(cè)分別作為一個(gè)獨(dú)立單元(圖2)，按下述的方案2分段施工。

圖2 配套地下結(jié)構(gòu)的分段建造方案示意

3.1 配套結(jié)構(gòu)通風(fēng)口部位建造方案(采用方案1)

將與地鐵車站相鄰的配套地下結(jié)構(gòu)負(fù)一層側(cè)墻由剪力墻結(jié)構(gòu)改為臨時(shí)框架柱結(jié)構(gòu)，另一側(cè)負(fù)一層仍為框架剪力墻，主梁下設(shè)600 mm×1 200 mm框架柱，次梁下設(shè)600 mm×800 mm框架柱(圖3)。

圖3 通風(fēng)口位置的一體化結(jié)構(gòu)側(cè)墻由框架剪力墻結(jié)構(gòu)改為臨時(shí)框架柱結(jié)構(gòu)(單位：mm)

(1)完成配套地下結(jié)構(gòu)負(fù)一層的臨時(shí)框架柱結(jié)構(gòu)施工以后，先從地面截除共用圍護(hù)樁部位的冠梁(圖4)。

圖4 從地面截除共用圍護(hù)樁部位的冠梁

(2)然后在配套地下結(jié)構(gòu)的負(fù)一層臨時(shí)框架柱之間截除共用圍護(hù)樁(圖5)。

圖5 在配套地下結(jié)構(gòu)負(fù)一層臨時(shí)框架柱之間進(jìn)行共用圍護(hù)樁的截除

(3)待所有的共用圍護(hù)樁截除后，再將負(fù)一層的臨時(shí)框架柱結(jié)構(gòu)恢復(fù)成框架剪力墻結(jié)構(gòu)(圖6)。

圖6 待負(fù)一層的共用圍護(hù)樁截除完成后，恢復(fù)配套地下結(jié)構(gòu)的剪力墻

3.2 配套地下結(jié)構(gòu)通風(fēng)口兩側(cè)建造方案(采用方案2)

配套地下結(jié)構(gòu)通風(fēng)口兩側(cè)基坑開挖完成后，先完成負(fù)二層結(jié)構(gòu)澆筑，然后分段拆除第1道、第2道鋼支撐，并分段截除共用圍護(hù)樁(圖7)，共用圍護(hù)樁截除后施作其負(fù)一層結(jié)構(gòu)。

4 配套地下結(jié)構(gòu)建造方案的施工力學(xué)機(jī)理分析

采用本文提出的配套地下結(jié)構(gòu)建造方案，在實(shí)施過程中，將會(huì)造成中板結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)改變，為此，采用荷載-結(jié)構(gòu)模型對(duì)不同方案的中板關(guān)鍵工況下受力情況進(jìn)行對(duì)比分析。

數(shù)值模擬計(jì)算模型如圖8所示。

圖7 配套結(jié)構(gòu)通風(fēng)口兩側(cè)建造方案

圖8 數(shù)值模擬計(jì)算模型

通風(fēng)口部位的配套地下結(jié)構(gòu)中板受力關(guān)鍵工況是：負(fù)二層結(jié)構(gòu)施工完畢，并拆除第2道鋼支撐后。

通風(fēng)口部位兩側(cè)的配套地下結(jié)構(gòu)中板受力關(guān)鍵工況是：負(fù)二層結(jié)構(gòu)施工完畢，并拆除第1道、第2道鋼支撐后。

[17] 杰里·布羅頓 林盛譯，《十二幅地圖中的世界史》[M]，杭州：浙江人民出版社,2016年，P48.

計(jì)算結(jié)果及分析如下。

(1)配套地下結(jié)構(gòu)中板彎矩比較

圖9分別為原設(shè)計(jì)方案和本文方案的中板典型截面彎矩分布。

(2)配套地下結(jié)構(gòu)中板上緣應(yīng)力比較

圖10分別為原設(shè)計(jì)方案和本文方案的中板典型截面上緣應(yīng)力分布。

圖9 不同建造方案的中板彎矩比較

圖10 不同建造方案的中板上緣應(yīng)力比較

(3)配套地下結(jié)構(gòu)中板下緣應(yīng)力比較

圖11分別為原設(shè)計(jì)方案和本文方案的中板典型截面下緣應(yīng)力分布。

圖11 不同建造方案的中板下緣應(yīng)力比較比較

計(jì)算結(jié)果表明：

(1)不同建造方案下，配套地下結(jié)構(gòu)的中板截面彎矩均分布在20～-10 kN·m；

(2)原設(shè)計(jì)的建造方案下，配套地下結(jié)構(gòu)的中板截面上緣均處于受壓狀態(tài)。采用本文的建造方案，配套地下結(jié)構(gòu)的中板截面上緣局部處于受拉狀態(tài)，其中通風(fēng)口兩側(cè)的建造單元由于在負(fù)一層結(jié)構(gòu)澆筑之前，為了截樁需要，拆除了第1、第2道鋼支撐，導(dǎo)致中板上緣承受的拉應(yīng)力最大值達(dá)到1.4 MPa，但并未超出鋼筋混凝土的整體抗拉強(qiáng)度；

(3)原設(shè)計(jì)的建造方案下，配套地下結(jié)構(gòu)的中板截面下緣均處于受壓狀態(tài)；采用本文的建造方案，在通風(fēng)口部位，配套地下結(jié)構(gòu)的中板截面下緣也均處于受壓狀態(tài)，但在通風(fēng)口兩側(cè)，配套地下結(jié)構(gòu)的中板截面下緣局部處于受拉狀態(tài)，最大拉應(yīng)力值達(dá)到3.8 MPa，并未超出鋼筋混凝土的整體抗拉強(qiáng)度。

5 配套地下結(jié)構(gòu)建造過程中基坑北側(cè)圍護(hù)樁變形

在討論截樁方案時(shí)，曾考慮整個(gè)配套地下結(jié)構(gòu)與地鐵車站的共用圍護(hù)樁截除都采用方案2實(shí)施。但數(shù)值模擬計(jì)算表明：將整個(gè)基坑的第1、第2道鋼支撐拆除后，圍護(hù)樁變形將達(dá)到5.5 cm。為此，先拆除中段的第1、第2道鋼支撐，然后施作負(fù)一層的框架柱結(jié)構(gòu)，由于框架柱的約束作用，通風(fēng)口兩側(cè)的基坑鋼支撐拆除及共用圍護(hù)樁截除后，基坑北側(cè)圍護(hù)樁向坑內(nèi)的變形受到約束；基坑南側(cè)的車站結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)的變形也受到約束。圖12為鋼支撐拆除后，基坑北側(cè)的圍護(hù)樁變形實(shí)測(cè)曲線，圍護(hù)樁累計(jì)最大水平變形值為27 mm。

圖12 通風(fēng)口兩側(cè)典型斷面圍護(hù)樁變形曲線

工程實(shí)踐表明：采用本文提出的分單元建造方案，由于充分利用了基坑開挖與支護(hù)的空間效應(yīng)，從而使得配套地下結(jié)構(gòu)基坑北側(cè)的圍護(hù)樁水平變形得到有效約束，確保了基坑安全。

6 結(jié)論

(1)對(duì)地鐵車站運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響的工序主要是共用圍護(hù)樁的截除，因此必須以共用圍護(hù)樁的截除為關(guān)鍵工序調(diào)整配套地下結(jié)構(gòu)建造方案，本課題通過研究提出：先完成配套地下結(jié)構(gòu)的負(fù)二層結(jié)構(gòu)澆筑，然后將配套地下結(jié)構(gòu)的負(fù)一層分3個(gè)建造單元，分別采用不同的建造方案。

(2)結(jié)構(gòu)中段33 m寬的通風(fēng)口部位作為一個(gè)獨(dú)立單元，將該段與地鐵車站相鄰的負(fù)一層側(cè)墻由框架剪力墻結(jié)構(gòu)改為框架柱結(jié)構(gòu)(另一側(cè)負(fù)一層仍為框架剪力墻結(jié)構(gòu))，主梁下設(shè)600 mm×1 200 mm框架柱，次梁下設(shè)600 mm×800 mm框架柱，并與負(fù)一層梁形成框架結(jié)構(gòu)，這樣可直接在框架柱之間進(jìn)行共用圍護(hù)樁的截除，完成截樁作業(yè)后，再將鄰近地鐵車站一側(cè)的配套地下結(jié)構(gòu)的框架柱轉(zhuǎn)化為框架剪力墻。

(3)對(duì)于通風(fēng)口兩側(cè)的配套地下結(jié)構(gòu)，作為2個(gè)獨(dú)立的建造單元，待配套地下結(jié)構(gòu)的負(fù)二層施工完成且中板強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除基坑的第1道、第2道鋼支撐，從地面往下依次分段進(jìn)行截樁。由于此時(shí)配套地下結(jié)構(gòu)的負(fù)一層尚未施作，因此可以使用大型的截樁設(shè)備，作業(yè)面多，施工效率高。待共用的圍護(hù)樁全部截除后，再進(jìn)行配套地下結(jié)構(gòu)負(fù)一層的施工。

(4)對(duì)原設(shè)計(jì)建造方案和本文建造方案的配套地下結(jié)構(gòu)中板受力分析表明：采用本文的分單元建造方案對(duì)中板彎矩、中板截面上緣應(yīng)力、中板截面下緣應(yīng)力等并沒有產(chǎn)生明顯的不利影響。圍護(hù)樁的變形結(jié)果也表明：采用本文的建造方案能夠滿足圍護(hù)樁的安全要求。

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