軟土地基蓋挖逆作法地鐵車站組合式鋼沉箱施工技術(shù)探析

武峰，楊金尤，王洪磊，涂國(guó)坤，楊軍，薛淳芮

（1.中交一公局集團(tuán)有限公司，北京 100024；2.中交中南工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 前言

隨著蓋挖逆作法技術(shù)在城市軌道交通建設(shè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，尤其是在濱海軟土地區(qū)地鐵車站采用蓋挖逆作法施工較常見，車站圍護(hù)體系通常采用地連墻+內(nèi)支撐，其中地連墻與頂板連接部位以上墻體需鑿除，頂板局部嵌入地墻傳遞部分豎向荷載[1]。因蓋挖逆作法施工工藝特點(diǎn)，地連墻頂部位置進(jìn)行變截面設(shè)計(jì)，為解決地連墻鑿除問題進(jìn)行分析，對(duì)此研究出組合式鋼沉箱施工技術(shù)應(yīng)用，施工過程中優(yōu)化變截面的混凝土澆筑是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題[2～3]。以天津地鐵11 號(hào)線一期工程2 標(biāo)項(xiàng)目佟樓站和迎賓館站為背景，研究組合式鋼沉箱施工技術(shù)在蓋挖逆作法車站地連墻施工的應(yīng)用。

1 工程概況

天津地鐵11 號(hào)線一期工程2 標(biāo)項(xiàng)目共設(shè)2 站3 區(qū)間，項(xiàng)目總長(zhǎng)2700.055m，其中區(qū)間長(zhǎng)2181.315m。包括：吳家窯站-佟樓站區(qū)間、佟樓站、佟樓站-迎賓館站區(qū)間、迎賓館站、迎賓館站-文化中心站區(qū)間。其中佟樓站和迎賓館站主體結(jié)構(gòu)均采用蓋挖逆作法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用“地連墻+內(nèi)支撐”支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，地連墻厚為800mm，采用十字鋼板剛性接頭。墻深為33m～37.5m，兩車站共計(jì)220 幅地連墻，兩車站站臺(tái)中心處頂板覆土約3.2m。車站周邊環(huán)境敏感復(fù)雜、社會(huì)影響大、關(guān)注度高、環(huán)保要求高、協(xié)調(diào)難度大、施工場(chǎng)地狹小、工期緊等特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)安全文明揚(yáng)塵降噪控制非常關(guān)鍵。

車站場(chǎng)地所處地層主要為軟弱黏性土和粉砂粉土，地下水位高，具有軟土“三高一低”的特點(diǎn)，極易發(fā)生蠕動(dòng)和擾動(dòng)，且地層分層性差，交錯(cuò)性強(qiáng)，局部存在透水性較差的液化粉土、粉砂層和局部流砂層，車站施工和盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)極高。由地質(zhì)勘察報(bào)告可知，地質(zhì)土層主要為雜填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂粉砂。場(chǎng)地范圍內(nèi)主要液化土層為④2 黏質(zhì)粉土、⑥3 黏質(zhì)粉土，呈層狀或條帶狀分布，液化等級(jí)為輕微，如圖1所示。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

地連墻上部分從頂板板底至地面地連墻墻厚800mm 變截面為400mm，設(shè)計(jì)施工圖明確混凝土連續(xù)澆筑至地面后鑿除，如圖2 所示。若采用地連墻澆筑至地面完成后主體施工需鑿除，其鑿除量大，施工成本高，工期長(zhǎng)，環(huán)境影響大，混凝土外觀平整度差等不利因素。

圖2 地鐵車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)斷面圖

2 鋼沉箱設(shè)計(jì)及技術(shù)思路

2.1 技術(shù)思路

通過預(yù)制鋼沉箱模塊，結(jié)合地連墻分幅長(zhǎng)度為4m～6m 的特點(diǎn)，在不影響鋼筋籠吊裝定位和混凝土導(dǎo)管平臺(tái)澆筑的情況下，確保地下連續(xù)墻施工質(zhì)量不受影響，利用“組合式鋼沉箱”填充澆筑地下連續(xù)墻。混凝土澆筑完成后3h～4h，混凝土達(dá)到初凝條件后，用吊車?yán)瓌?dòng)鋼沉箱松動(dòng)混凝土面與鋼沉箱的接觸，保證混凝土不能因松動(dòng)鋼沉箱而產(chǎn)生混凝土流動(dòng)，造成地連墻出現(xiàn)質(zhì)量問題。

2.2 鋼沉箱設(shè)計(jì)

鋼沉箱定制多種規(guī)格的鋼箱模塊，為避免在澆筑過程中出現(xiàn)被混凝土側(cè)壓力擠壓凹陷變形影響連續(xù)澆筑質(zhì)量，確保鋼沉箱的強(qiáng)度和剛度，鋼箱外部、10#槽鋼材質(zhì)均采用Q235B 鋼。鋼箱內(nèi)部采用10#槽鋼做框架，4 個(gè)角各1 根，上、中、下各3 道。鋼箱外部采用10mm 厚鋼板，圍繞框架做包裹。吊環(huán)采用16mm 厚鋼板，每個(gè)鋼箱4 個(gè)吊環(huán)均勻分布，搭接長(zhǎng)度20cm。以地連墻幅寬6m 規(guī)格為例，如圖3-圖7 所示。同時(shí)考慮到空腹封閉式鋼沉箱自重較小，需要對(duì)鋼沉箱進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)，在鋼沉箱側(cè)壁開設(shè)幾個(gè)小孔，避免封閉的鋼沉箱在混凝土中上浮，達(dá)不到預(yù)想的效果。

圖3 幅寬6m規(guī)格鋼沉箱模塊平面圖

圖4 幅寬6m規(guī)格鋼沉箱模塊立面圖

圖5 幅寬6m規(guī)格鋼沉箱模塊內(nèi)部立面圖

圖6 幅寬6m規(guī)格鋼沉箱模塊內(nèi)部平面圖

圖7 鋼沉箱吊環(huán)示意圖

3 鋼沉箱設(shè)計(jì)驗(yàn)算

鋼沉箱吊裝、下沉槽段完成后，先承受泥漿的浮力和側(cè)壓力，隨著混凝土澆筑升高至鋼沉箱底時(shí)，逐漸承受混凝土的浮力和側(cè)壓力。因此，鋼沉箱在地連墻填充澆筑過程中，需考慮兩種工況下兩種不利情況：①鋼沉箱的側(cè)壁因混凝土澆筑側(cè)壓力產(chǎn)出的撓度變形過大；②空腹式鋼沉箱箱體出現(xiàn)上浮。

3.1 鋼沉箱變形驗(yàn)算

3.1.1泥漿對(duì)鋼沉箱的作用

由抗浮計(jì)算理論[4～5]可知，對(duì)于液體,阿基米德定律指出，浮力大小等于物體所排開液體的重力(F浮=G排=ρgV),式中ρ為液體的密度，g為重力加速度,V 為物體所排開液體體積。鋼沉箱浸在膨潤(rùn)土泥漿中，受到泥漿的浮力和側(cè)壓力，鋼沉箱底板的變形按單跨均布荷載受力模型進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算單元寬度D 取1m，鋼沉箱底板受力如圖8 所示。同時(shí)，鋼沉箱側(cè)壁壓力隨深度增加，按二等跨三角荷載受力模型進(jìn)行驗(yàn)算，受力如圖9 所示。

圖8 鋼沉箱底板受力示圖

圖9 鋼沉箱側(cè)壁受力示圖

鋼沉箱浸在膨潤(rùn)土泥漿中，受到泥漿的浮力和側(cè)壓力，膨潤(rùn)土泥漿相對(duì)密度為1.05～1.15，取ρ=1.1×103kg/m3，g=10N/kg，E=206GPa，Ι=83.33×104mm4。

①鋼沉箱底板變形驗(yàn)算

3.1.2混凝土對(duì)鋼沉箱的作用

混凝土具有特殊性：①混凝土不是全流態(tài),不是純液體；②混凝土內(nèi)部相互之間具有粘結(jié)力,可以抵抗一部分浮力；③混凝土初凝時(shí)間在3h～4h，超過這段時(shí)間,部分混凝土已無(wú)浮力。

圖10 鋼沉箱側(cè)壁受力示圖

3.2 鋼沉箱抗浮驗(yàn)算

鋼沉箱的抗浮驗(yàn)算即驗(yàn)算鋼沉箱在下沉后所承受的最大浮力。取鋼沉箱最大模塊3.8×2.1×0.32m 的箱體，鋼沉箱自重為G=19.288kN。鋼沉箱所受最大的泥漿的浮力即為鋼沉箱在不開孔的情況下沉箱的排量：

得出：F浮≥G。

由此可知，鋼沉箱浸在槽段泥漿內(nèi)，浮力大于鋼沉箱自重，通過對(duì)鋼板進(jìn)行開孔，泥漿進(jìn)入箱內(nèi)填充空腹箱體，使箱體內(nèi)外的受力平衡，箱體保持穩(wěn)定，同時(shí)使箱體變形減少。

4 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

4.1 施工工藝流程

組合式鋼沉箱施工工藝流程，見圖11。

圖11 鋼沉箱施工工藝流程

4.2 操作要點(diǎn)

4.2.1安裝就位

鋼沉箱制作完成后，運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)地連墻幅寬和形式，安裝組合不同規(guī)格鋼沉箱，用吊車運(yùn)至地連墻位置就位，沉箱施工使箱頂定位軸線對(duì)齊，并通過箱體自重緩慢沉入坑底，然后適當(dāng)移動(dòng)精準(zhǔn)定位，如圖12所示。

圖12 鋼沉箱安裝圖

4.2.2松動(dòng)鋼沉箱

為了避免因鋼沉箱拔出拉力過大對(duì)地連墻混凝土施工質(zhì)量產(chǎn)生破壞，出現(xiàn)墻體裂縫等問題。在地連墻混凝土澆筑完成后3h～4h，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員確認(rèn)混凝土是否達(dá)到初凝狀態(tài)。若達(dá)到初凝后，用吊車?yán)瓌?dòng)鋼沉箱，使其松動(dòng)，拔出長(zhǎng)度不宜過大，減少因鋼沉箱拔出，空隙周邊混凝土在上部自重壓力下出現(xiàn)滑移而鼓包、空洞。

4.2.3拔出鋼沉箱

鋼沉箱拔出需待地連墻混凝土強(qiáng)度達(dá)到一定設(shè)計(jì)值時(shí)，滿足拔出強(qiáng)度要求，利用吊車緩緩拔出鋼沉箱，堆放至規(guī)定位置，如圖13所示。

圖13 鋼沉箱實(shí)體圖

5 結(jié)論

天津地鐵11 號(hào)線一期工程2 標(biāo)項(xiàng)目通過技術(shù)攻關(guān)，使用組合式鋼沉箱投入佟樓站和迎賓館站車站地連墻施工后，大幅度減少了地連墻混凝土澆筑量，節(jié)省了后期主體結(jié)構(gòu)基坑開挖頂板地連墻混凝土鑿除量，提高施工工效和地連墻平整度及外觀質(zhì)量。同時(shí)減少后續(xù)主體結(jié)構(gòu)施工過程中的鑿除引起的噪聲污染和揚(yáng)塵污染，降低了環(huán)保措施等費(fèi)用，并取得很好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。該項(xiàng)技術(shù)在行內(nèi)首次成功實(shí)施，推動(dòng)了蓋挖逆作法車站地連墻鋼沉箱施工的技術(shù)進(jìn)步，具有深遠(yuǎn)的意義，為同類工程施工提供了豐富的施工經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于越來越迅速化和標(biāo)準(zhǔn)化的城市軌道交通行業(yè)有著較好的推廣價(jià)值。