緊鄰既有線超大基坑工程支撐受力體系轉(zhuǎn)換研究

莫成

中鐵五局集團第四工程有限責(zé)任公司 廣東 韶關(guān) 512000

1 引言

隨著城市發(fā)展，各地城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)需不斷完善，后續(xù)新建地鐵及城際鐵路受制于地鐵線路規(guī)劃影響，后建的地鐵工程大多位于既有線周邊，地鐵的施工過程中難免會對周邊的既有線路運營造成影響。同時對于樞紐臨近既有線超大深基坑施工時，支撐受力體系轉(zhuǎn)換確保既有線及建筑物變形與沉降控制是本工程的施工難點及重點。本文以深圳地鐵14號線大運樞紐在既有3號線高架橋下超大基坑施工為例，在需要絕對確?；影踩凹扔芯€、周邊構(gòu)筑物安全的情況下，根據(jù)主體結(jié)構(gòu)施工進度，對支撐受力體系轉(zhuǎn)換進行研究，可為后續(xù)類似工程提供參考[1]。

2 工程概況

2.1 工程簡介

大運城市綜合樞紐車站部分基坑?xùn)|側(cè)全長372m，緊鄰既有3號線高架線，距既有高架線樁基礎(chǔ)凈距為2.1-4.1m。主要工程量有圍護結(jié)構(gòu)樁1978根，地下連續(xù)墻67幅，工程樁1165根，鋼管柱95根，土石方總計142萬m3，混凝土總量50萬m3，概算總投資57.7億，工程體量是標準地鐵車站17倍，是目前國內(nèi)少有的大型城市軌道綜合交通樞紐工程，如圖1所示。

圖1 大運樞紐工程布置圖

2.2 設(shè)計概況

14及16號線車站基坑明挖段長305m，寬度為62.6-7 6.8 5 m，開挖深度為2 6.3 m-2 7.5 m，圍護結(jié)構(gòu)采用φ1500@1800+φ1000@1800葷素咬合樁、φ1200@1500鉆孔樁、φ1500@1800/2100鉆孔樁、φ1500@1150全葷咬合樁以及1000mm地下連續(xù)墻，共設(shè)置四道鋼筋混凝土桁架支撐，采取坑內(nèi)降水的方式。

圖2 大運車站支撐體系布置圖

圖3 大運車站主體結(jié)構(gòu)布置圖

大運樞紐與既有3號線平行布置，車站基坑涉及既有3號線荷坳—大運高架區(qū)間HT39—HT43承臺及既有3號線大運站AT01—AT12承臺，距既有線樁基礎(chǔ)凈距為2.1-4.1m。根據(jù)既有3號線高架區(qū)間竣工圖資料，本段荷坳—大運高架區(qū)間為簡支梁橋，橋跨約30m，樁長為23.0-44.9m。

圖4 既有3號線高架地質(zhì)縱剖圖

圖5 既有3號線與14、16號線車站位置關(guān)系圖

3 大運車站支撐受力體系轉(zhuǎn)換方案研究

3.1 第四道支撐拆除方案比選

3.1.1 施工工況

在支撐體系的建設(shè)方面，所采取的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)型式為咬合樁+四道混凝土桁架。車站自2020年9月開始基坑開挖，2021年2月底板全部完成時，圍護結(jié)構(gòu)10-22m左右均出現(xiàn)明顯變形，樁體水平位移在基坑深度2/3處位置發(fā)生最大水平位移，最大水平位移量約56mm。第三道支撐1、2、5號檢測點均已出現(xiàn)軸力預(yù)警（設(shè)計支撐軸力控制值為16000KN），且第三、四道支撐內(nèi)應(yīng)力仍有持續(xù)變大趨勢。

圖6 基坑?xùn)|側(cè)圍護樁監(jiān)測點位布置圖

圖7 支撐軸力監(jiān)測點位布置圖

圖8 基坑?xùn)|側(cè)圍護樁水平位移光纖傳感監(jiān)測

圖9 基坑第三道支撐內(nèi)應(yīng)力變化圖

圖10 基坑第四道支撐內(nèi)應(yīng)力變化圖

3.1.2 設(shè)計換撐方案

根據(jù)大運站施工藍圖，主體結(jié)構(gòu)施工時，支撐受力體系轉(zhuǎn)換采用下層結(jié)構(gòu)板達到設(shè)計強度的100%后，拆除上一層支撐的方式。

表1 大運車站設(shè)計支撐受力體系轉(zhuǎn)換流程圖

在基坑總深度2/3的地方，樁體水平位移數(shù)值最大，為56mm。第三道支撐1、2、5號檢測點均已出現(xiàn)軸力預(yù)警（設(shè)計支撐軸力控制值為16000KN），且第三、四道支撐內(nèi)應(yīng)力仍有持續(xù)變大趨勢。若按照設(shè)計直接拆除第四道桁架支撐，墻體水平位移及支撐軸力繼續(xù)加大，導(dǎo)致支撐崩裂、基坑變形及既有3號線沉降等次生災(zāi)害，且無補強措施（基坑跨度大無法架設(shè)鋼支撐），只能進行基坑砼回填確保既有3號線運營安全。經(jīng)過充分研究，為確保萬無一失，做以下方案研究進行加強處理[2]。

3.1.3 水平支撐換撐方案

建設(shè)工程中，為安全保證支撐體系轉(zhuǎn)換，通常在底板與局部側(cè)墻施工完成后，通過在側(cè)墻預(yù)埋鋼板，安裝鋼倒撐置換圍護體系中混凝土支撐，在倒撐達到設(shè)計強度之后，切除第四道砼桁架支撐。但是大運站基坑跨度62.6-76.85m之間，鋼支撐抗壓強度與抗彎強度無法滿足要求。若采用臨時砼支撐進行換撐，工期無法保證且造成成本巨大浪費。

3.1.4 斜撐換撐方案

在拆除第四道砼桁架撐的時候，依據(jù)以前其他地鐵深基坑施工的經(jīng)驗，可用鋼斜撐進行換撐。在施工的過程中，首先要把鋼板預(yù)埋在側(cè)墻和底板上，采用鋼斜撐將底板及側(cè)墻相連。等斜撐施做完成且預(yù)應(yīng)力施加后，再拆除第四道砼桁架支撐。但本工程設(shè)計支撐軸力控制值為11420KN，采用鋼斜撐方案所需鋼材市場上無成品，需鋼構(gòu)廠筑模進行特制。特制鋼材基本無后續(xù)利用價值，造成成本浪費，且特制鋼材加工工期亦不可控。

圖11 短斜鋼支撐換撐示意

3.1.5 支撐保留，負三層側(cè)墻順做

由于大運站西側(cè)順接大運樞紐交通核，故西側(cè)無側(cè)墻，東側(cè)部分為下沉隧道底板素混凝土回填，故側(cè)墻與第四道砼桁架支撐腰梁無沖突，即可以采用支撐不拆除，直接施做側(cè)墻及中板的方式進行施工。確保安全的同時，也為方便施工，在施工側(cè)墻前先將第四道砼桁架撐的琵琶撐處斜撐進行切除，只保留支撐及腰梁。

將支撐穿過側(cè)墻部分進行隔離，側(cè)墻在支撐處預(yù)留比支撐外徑大30cm的環(huán)向洞口作為后澆帶，環(huán)向洞口設(shè)置止水帶，最后拆除第四道支撐，鑿除側(cè)墻處支撐進行預(yù)留洞口砼后澆[3]。

采用此法，側(cè)墻穿越支撐施工時，模板開洞封堵難度較大，后期側(cè)墻內(nèi)支撐鑿除難度大，后澆帶施工困難且存在后期漏水風(fēng)險，額外增加堵漏成本及破除砼成本（側(cè)墻內(nèi)無法切割）。

3.1.6 支撐保留，負三層側(cè)墻逆做

綜合考慮安全、質(zhì)量、工期、成本等因素后，第四道支撐受力體系轉(zhuǎn)換采用第四道支撐保留，負三層側(cè)墻逆做的方式。也就是在底板做完之后，保留第四道支撐，不進行側(cè)墻的施工，直接進行中板和中柱的施工。主體結(jié)構(gòu)封頂后，拆除預(yù)留支撐，施工剩余側(cè)墻。

表2 優(yōu)化后支撐受力體系轉(zhuǎn)換流程圖

由于大運站大部分出入口及風(fēng)亭采用頂板頂出的結(jié)構(gòu)型式，主體結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)留孔洞較多，支撐后期拆除及側(cè)墻逆做施工時無需增加材料倒運費用。后續(xù)負三層?xùn)|側(cè)墻也可與內(nèi)部結(jié)構(gòu)同期施工，對工程總體工期無影響。負二層中板施工時，可在側(cè)墻位置預(yù)埋PVC管作為后續(xù)側(cè)墻澆筑孔，解決了模板開洞封堵困難的問題，也確保了側(cè)墻澆筑質(zhì)量[4]。

3.1.7 對比分析

表3 第四道支撐拆除方案對比

對于第四道支撐換撐，采用支撐保留，負三層側(cè)墻逆做的方式在確保質(zhì)量的情況下，成本及工期均未增加，且基坑安全性也最大化地得到了保障。

3.2 后續(xù)支撐體系受力轉(zhuǎn)換

主體結(jié)構(gòu)施工形成流水作業(yè)后，后續(xù)支撐體系拆除時，根據(jù)桁架式支撐型式，采取分段拆除的方式進行。先將支撐斜梁拆除，然后施工斜梁跨度內(nèi)的結(jié)構(gòu)板，再將支撐主梁拆除，施做主梁跨度內(nèi)結(jié)構(gòu)板。整個作業(yè)過程采用流水施工，不僅不會對現(xiàn)場施工造成影響，還保障了作業(yè)過程中的基坑及既有線安全。

表4 后續(xù)支撐受力體系轉(zhuǎn)換流程圖

4 綜合對比分析

根據(jù)實際工況，底板施做完成后，圍護結(jié)構(gòu)變形已接近預(yù)警值，第三、四道支撐軸力仍存在變大趨勢。在施工底板及負三層側(cè)墻期間，如果圍護結(jié)構(gòu)持續(xù)變形或支撐軸力預(yù)警，勢必會對既有3號線安全造成影響。如果采用設(shè)計方案施工，唯一解決方案為將基坑回填至第三道支撐（出現(xiàn)緊急險情時，已來不及加工鋼斜撐）[5]。

工程在進行主體結(jié)構(gòu)施工的時候采取的方式是：保留第四道支撐，不進行側(cè)墻的施工，等到結(jié)構(gòu)頂板達到設(shè)計強度后，拆除預(yù)留支撐，逆做底層側(cè)墻。合理規(guī)避了施工風(fēng)險，且相較于上述傳統(tǒng)換撐方案，節(jié)約了工期與成本。至2021年3月，負二層中板施做完成后，第四道支撐軸力明顯降低、第二、三道支撐軸力趨于平穩(wěn)。

圖12 第二道支撐軸力變化圖

圖13 第三道支撐軸力變化圖

圖14 第四道支撐軸力變化圖

5 結(jié)論

本文以大運樞紐14、16號線車站明挖部分施工為依托，在總結(jié)緊鄰既有線超大基坑工程受力體系轉(zhuǎn)換方式優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，結(jié)合大運樞紐實際工程特點，通過方案對比分析，優(yōu)化支撐拆除及結(jié)構(gòu)施工時序、細化實施組織、跟蹤現(xiàn)場實際施工情況、總結(jié)糾偏實施效果，得出結(jié)論如下：

(1) 對于緊鄰既有線超大基坑工程施工，應(yīng)靈活選擇基坑受力體系轉(zhuǎn)換方式。

(2) 對明挖深基坑根據(jù)現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，局部采取逆做法可有效減少圍護結(jié)構(gòu)變形及支撐軸力，有效保證了深基坑施工及周邊既有線安全。

(3) 對桁架式支撐，采取先拆除琵琶撐，后拆除主桁架的方式分段拆除，有利于周邊建構(gòu)筑物沉降及基坑變形控制，確保周邊既有線的安全。