論地鐵車站深基坑支撐體系優(yōu)化問題工學(xué)論文

　　摘 要:主要闡述了劉家窯地鐵車站明挖基坑內(nèi)支撐體系中的優(yōu)化問題,通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,綜合考慮基坑施工因素,合理選擇內(nèi)支撐形式,從而降低工程造價。

　　關(guān)鍵詞:地鐵車站;深基坑;支撐體系優(yōu)化

　　北京地鐵五號線劉家窯車站在施工明挖結(jié)構(gòu)基坑時,圍護結(jié)構(gòu)采用護坡樁結(jié)合鋼支撐體系,采用鋼支撐體系可普遍縮短護坡樁嵌入土層深度,減少整體護坡樁長度,同時采用可重復(fù)使用的鋼制內(nèi)支撐配合鉆孔護坡樁,封閉內(nèi)支撐體系與護坡樁擋土結(jié)構(gòu)共同組成穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)體系,兩者共同承受土體約束及荷載作用,使基坑圍護結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。通過對地鐵五號線已經(jīng)施工完畢的劉家窯車站明挖基坑內(nèi)支撐體系幾個問題的分析,力圖尋找合理布設(shè)內(nèi)支撐體系的方式。

　　1 工程概況

　　劉家窯車站位于現(xiàn)況南三環(huán)路劉家窯立交橋,車站主體結(jié)構(gòu)全長201m,本站南北兩端主體結(jié)構(gòu)為地下二層,雙柱三跨島式結(jié)構(gòu),采用明挖法施工,其中南端長76.3m,北端長49.7m,車站南端設(shè)盾構(gòu)端頭井。車站中部75m為單層雙柱三跨曲墻拱頂復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu),采用暗挖法(CRD工法)施工。

　　本車站主體明挖結(jié)構(gòu)分為兩段,南側(cè)基坑開挖深度為16.7~20.0m,開挖寬度為20.3m,開挖長度為75.7m,采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐作圍護結(jié)構(gòu);北側(cè)基坑開挖深度為17.5~20.6m,開挖寬度為22.35m,開挖長度為49.8m,采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐作圍護結(jié)構(gòu),基坑北側(cè)最下一道支撐為預(yù)應(yīng)力錨桿。灌注樁直徑600,間距800~1000mm,樁長為19.54~23.82m,樁頂設(shè)800×700帽梁,頂面標高為39.0m。帽梁與原狀土之間高差部分以1∶1的角度放坡,表面用50mm混凝土抹面支護。樁間采用掛網(wǎng)噴射50mm厚的C20混凝土保持樁間穩(wěn)定,混凝土噴層內(nèi)設(shè) 6@150×150mm的鋼筋網(wǎng)片。

　　原設(shè)計采用沿基坑豎向設(shè)三道鋼圍檁及θ609×14mm的鋼支撐(局部深處為四道鋼支撐),在端部和角部采用斜撐,支撐較長處中部設(shè)θ600鋼支撐立柱。

　　2 支撐體系優(yōu)化

　　支撐體系應(yīng)該方便基坑結(jié)構(gòu)施工,不但達到確保整個施工過程中基坑穩(wěn)定的目的,還應(yīng)該便于基坑開挖及后續(xù)結(jié)構(gòu)施工作業(yè)。

　　內(nèi)支撐位置的選擇對于結(jié)構(gòu)施工影響加大。如果同一層支撐間距、上下層之間高差較小,或者設(shè)置豎向支撐,將直接造成現(xiàn)場無法展開大規(guī)模機械施工。現(xiàn)場采用機械施工,不可避免要發(fā)生與內(nèi)支撐架設(shè)工序沖突的現(xiàn)象,內(nèi)支撐架設(shè)不及時對于基坑安全影響勢必較大。內(nèi)支撐形式合理與否,直接結(jié)果是基坑施工周期延長,工程組織難度加大,基坑風(fēng)險程度提高。

　　目前地鐵五號線在施的明挖基坑支撐體系大體可以分為兩類。一類為:護坡樁結(jié)合內(nèi)支撐體系,如劉家窯車站、燈市口車站、張自忠車站、和平北街車站等;另一類為護坡樁結(jié)合錨桿支撐體系,如宋家莊車站、雍和宮車站、土城北路車站。各車站已經(jīng)完成基坑支護和結(jié)構(gòu)施工,支護均達到預(yù)期效果。對比兩類基坑施工操作中的問題可以發(fā)現(xiàn)。

　　內(nèi)支撐體系嚴重干擾土建結(jié)構(gòu)施工,并且存在諸多后續(xù)問題。作為臨時支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)支撐對后續(xù)永久結(jié)構(gòu)的施工有較大影響,尤其是防水卷材、鋼筋等的搭接空間,施工縫設(shè)置以及結(jié)構(gòu)砼澆筑質(zhì)量。

　　在目前采用內(nèi)支撐體系的基坑開挖土方作業(yè)中,施工單位為達到機械施工目的,均有開挖土方與架設(shè)支撐沖突矛盾,按照設(shè)計的支撐間距、高度要求則無法滿足機械施工作業(yè)面,因此普遍出現(xiàn)施工中架設(shè)支撐時間遠遠滯后于土方開挖,事實上增大了基坑安全隱患,存在冒險施工的現(xiàn)象。另一方面,不得不說是內(nèi)支撐體系限制了機械施工。支撐位置在考慮基坑安全計算要求的前提下,內(nèi)支撐圍檁托架位置需要接近永久結(jié)構(gòu)梁板位置,限制住了施工縫位置,該部位集中布置防水、鋼筋等,造成防水卷材搭接長度與鋼筋預(yù)留接駁器位置重合,卷材搭接長度及搭接施工質(zhì)量保證難度大大加大,如果采用錨桿體系,可以確保防水接茬任意布置,遠離鋼筋、施工縫,可以保證理想的防水效果。內(nèi)支撐接近梁板,尤其是平面位置與結(jié)構(gòu)柱重合,在梁柱施工中避讓支撐,結(jié)構(gòu)鋼筋預(yù)留位置無法完全確保結(jié)構(gòu)要求的鋼筋錨固長度,造成臨時結(jié)構(gòu)體系影響永久結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量。內(nèi)支撐體系要求在基坑內(nèi)部設(shè)置環(huán)狀圍檁,圍檁的設(shè)置與永久結(jié)構(gòu)側(cè)墻位置重合,由于支撐位置限制施工縫,側(cè)墻澆筑高度一般在支撐下方1m左右,在滿足鋼筋連接要求下,砼澆筑時,由于鋼筋頂在支撐下方,操作人員無法下到墻體內(nèi)部進行振搗,砼的灌注位置只能在模板上端,砼澆筑落差大,離析現(xiàn)象難以避免,結(jié)構(gòu)澆筑后的實體質(zhì)量無法保障。對照錨桿支撐體系,上述問題完全可以避免。

　　如果設(shè)置內(nèi)支撐,在確�；�坑穩(wěn)定的前提下,各層支撐設(shè)在永久結(jié)構(gòu)各層梁板的上方80cm以外較為合理,這樣能夠確保接縫各工序施工質(zhì)量及操作空間。通過計算和研究分析,內(nèi)支撐采用I488型鋼作為支撐桿件,支撐位置在基坑-1m、-8m、-11m處,局部在-14m增了第四支撐,同層支撐間距3m,從而保證了施工操作空間和各工序的施工質(zhì)量。

　　3 支撐體系施工

　　由于該基坑為明、暗挖結(jié)合車站,明挖基坑與暗挖車站之間結(jié)合部位處理非常關(guān)鍵,直接影響不同形式的防水、明暗挖結(jié)構(gòu)處理等的施工。在本次施工中就出現(xiàn)內(nèi)支撐及支撐托架與暗挖初支長管棚位置沖突、與結(jié)構(gòu)側(cè)墻防水、鋼筋沖突等問題。

　　該車站采用I488作為支撐桿件和圍檁,通過統(tǒng)一支撐桿件與圍檁的材料形式,減少現(xiàn)場二次加工工作量,利于承包單位采購、加工。I488支撐結(jié)構(gòu)斷面匹配較為合理,內(nèi)支撐體系整體性得到加強。部分地鐵車站選擇鋼管作為支撐桿件,截面抗壓模量等優(yōu)于I字型鋼,但圍檁高度勢必加大,增大圍檁自身荷載,內(nèi)支撐整體性降低。

　　為加大I字型鋼的抗壓模量,該車站通過在支撐桿件增設(shè)I字型鋼之間的連接角鋼,將兩個I字型鋼組裝成單一桿件,加大了支撐的截面面積,通過計算也滿足了壓桿穩(wěn)定的要求。

　　基坑土方開挖前通過千斤頂施加支撐軸力,千斤頂對稱布置在桿件兩側(cè),統(tǒng)一按給定數(shù)值施加軸力,避免桿件偏壓造成扭曲。角部支撐的牛腿施工時必須考慮施加軸力的作業(yè)面,確保斜向布置支撐兩側(cè)有頂進設(shè)備的工作面。該基坑鎖定支撐軸力采用特制鋼楔,鋼楔與支撐、牛腿相互焊接固定。但由于鋼楔采用捶擊,人員的操作力度差別較大,千斤頂穩(wěn)壓數(shù)據(jù)與最終鋼楔鎖定數(shù)據(jù)誤差范圍在10%�；�坑監(jiān)測數(shù)據(jù)表明,雖然開始軸力有一定偏差,但最終同一層支撐軸力之間差距不大。分析該現(xiàn)象是由于護坡樁受壓后產(chǎn)生不同變形,最終形成整體穩(wěn)定。

　　由于受基坑內(nèi)現(xiàn)況管線改移影響,基坑開挖至基坑底歷時3個月。土方開挖、基坑內(nèi)支撐架設(shè)經(jīng)歷了雨季的考驗,自2004年6~7月底北京市有幾場連續(xù)降雨,降雨量較大,造成土方開挖幾次中斷,并且受到場地條件限制無法及時架設(shè)內(nèi)支撐,該基坑基本經(jīng)歷了最不利的受力狀態(tài),基坑施工順利完成。

　　4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

　　通過施工過程中各種監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、了解內(nèi)支撐體系與基坑變形之間關(guān)系,順利完成結(jié)構(gòu)施工,可以判斷該支撐體系穩(wěn)定(見表1)。

　　根據(jù)各項數(shù)據(jù)變化趨勢可以判定:

　　(1) 地表沉降、樁頂位移等變化不僅僅受土方開挖深度影響,并且受地表溫度、土體含水量等影響,觀測結(jié)果表明部分數(shù)值變化出現(xiàn)反彈。當?shù)乇頊囟壬�高時樁頂位移呈現(xiàn)暫時升高,但溫度對于基坑變形影響較小。結(jié)合氣候情況記錄,明顯發(fā)現(xiàn)降雨對于基坑變形影響非常明顯,降雨前后基坑變形普遍變化約1.0~1.6mm。由于該基坑在雨季采用分塊局部開挖,縮小單獨施工段的面積,做到了可以較為及時的完成內(nèi)支撐,基坑變形較小;

　　(2) 內(nèi)支撐對于圍護結(jié)構(gòu)變形的約束作用明顯,通過觀察施工內(nèi)支撐前后期現(xiàn)場θ600護坡樁變形,發(fā)現(xiàn)護坡樁受內(nèi)支撐約束較大,前后期護坡樁變形明顯,對比θ600與內(nèi)支撐體系對于基坑穩(wěn)定作用,內(nèi)支撐體系相對作用較為重要;

　　(3) 孔護坡樁變形最大位置不完全與埋深對應(yīng),4個測斜管數(shù)據(jù)表明,變形最大位置分別在7.5m、-10m、-11.5m、-11m,對照相應(yīng)位置三層鋼支撐軸力分別為54.87t、208.8t、105.5t;13.69t、70.63t、59.81t;66.03t、29.21t、59.81t;29.06t、111.1t、128.37t。由于施工中支撐頂加軸力的施工損耗衰減,鎖定支撐時軸力相差較小,但基坑穩(wěn)定后軸力均存在較大變化,同一軸線位置的三層支撐在第二層、第三層均監(jiān)測到較大軸力,并且出現(xiàn)第三層支撐軸力比第二層軸力大的情況�；�坑計算模型在第二層應(yīng)該出現(xiàn)較大軸力。分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與計算模型不完全一致的原因與護坡樁的垂直度施工偏差有關(guān)。在護坡樁斜向基坑外側(cè)及內(nèi)側(cè)時,變形程度不同時,相應(yīng)位置的支撐所受壓力變化較大�，F(xiàn)場對照護坡樁垂直度、變形位置與軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析,能夠判定同一層軸力較大處與護坡樁變形突出的位置基本對應(yīng);

　　(4) 角部支撐軸力要遠大于直線段對撐,驗證了基坑角度受力較大的計算模型,符合基坑計算模型。

　　基坑監(jiān)測實際數(shù)值與設(shè)計警戒值差距較大,一方面體現(xiàn)了支撐體系安全;另一方面說明該支撐體系與設(shè)計受力狀態(tài)有較大距離,沒有達到支撐體系經(jīng)濟性目的,尚有較大的安全余量。

　　5 經(jīng)濟分析

　　合理選擇內(nèi)支撐與圍護結(jié)構(gòu)形式可以達到降低工程造價的目的。作為擋土的護坡樁截面選擇直接影響內(nèi)支撐的架設(shè)密度。

　　該車站采用 θ600護坡樁,間距0.8~1.0m。由于樁身長細比過大,采用均勻配筋。通過對比相同長度 θ800護坡樁的造價分析,兩者造價差距較小。而且θ800護坡樁設(shè)計較為合理, θ800護坡樁間距一般控制在1.2m,樁距加大,并且通過配筋調(diào)整完全可以將造價控制在同一水平。但由于θ800樁體自身剛度增大,內(nèi)支撐數(shù)量可以減少,實際情況將降低工程造價。并且θ800護坡樁的施工誤差較θ600護坡樁好控制。

　　基坑圍護結(jié)構(gòu)選定時,不但要考慮圍護結(jié)構(gòu)的造價,還要考慮圍護結(jié)構(gòu)相關(guān)工序的造價影響,確保整體圍護結(jié)構(gòu)造價的降低。地鐵五號線部分車站采用錨桿配合護坡樁的形式,實際證明由于可以采用規(guī)�；�的機械化施工,方便了承包單位施工組織,普遍加快了施工進度,通過雍和宮車站等基坑的實際測算,工程總體造價得到了較好的控制。

　　在基坑與結(jié)構(gòu)平面綜合時應(yīng)該考慮的施工工藝、工法、結(jié)構(gòu)縫等因素。劉家窯、張自忠等明挖結(jié)合暗挖的車站,明暗挖結(jié)合部位都設(shè)置在基坑護坡樁位置。由于暗挖斷面與明挖斷面不同,結(jié)構(gòu)厚度、配筋位置等均不相同,在護坡樁狹小位置進行結(jié)構(gòu)斷面、配筋等的轉(zhuǎn)換對于防水等地下工程的關(guān)鍵工序質(zhì)量保障難度非常大。劉家窯預(yù)先在圍護結(jié)構(gòu)中處理了附屬工程結(jié)構(gòu)縫位置,事實效果非常明顯。如果將暗挖與明挖結(jié)合位置向明挖段延伸,在施工明挖結(jié)構(gòu)時預(yù)先完成一段暗挖結(jié)構(gòu),對于不同防水結(jié)構(gòu)形式、斷面形式的結(jié)構(gòu)搭接具有明顯的意義,可以解決明挖、暗挖結(jié)合部的一系列設(shè)計、施工難題,避免了結(jié)合部位配筋等調(diào)整。并且投資造價基本沒有較大變化。

　　由于國內(nèi)目前建設(shè)地鐵的地域差別,南北城市之間的基坑做法受到各自地質(zhì)情況影響,均有一定的常規(guī)、經(jīng)驗做法,內(nèi)支撐體系對于含水量較大土層有其必要性,對于北方普遍土層含水量較小、地下水位較低的基坑支護,是否必要采用內(nèi)支撐體系,可進一步研究,即使采用內(nèi)支撐體系,也可結(jié)合錨桿等支撐形式進行優(yōu)化。并且不同地區(qū)承包單位也積累了一定支撐材料,施工中選擇利用承包單位現(xiàn)有材料,對于總體造價的降低有一定的積極作用。內(nèi)支撐體系對于土建施工干擾較大,且材料形式變化對于承包單位一次性投入較大。

　　6 結(jié)束語

　　合理的支撐體系是影響深基坑安全性、經(jīng)濟性的關(guān)鍵,通過該基坑圍護結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)整理、分析,提出合理的基坑圍護結(jié)構(gòu)選擇,在確保安全性的前提下,減少對結(jié)構(gòu)施工影響,降低工程造價,還應(yīng)注意地域差別,尊重不同地區(qū)的成熟工藝。針對北京市土層狀況,在條件允許的情況下,建議推廣錨桿結(jié)合護坡樁的深基坑圍護體系。

　　參考文獻:

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