論地鐵車站深基坑支撐體系優化問題工學論文
摘 要:主要闡述了劉家窯地鐵車站明挖基坑內支撐體系中的優化問題,通過對監測數據的分析,綜合考慮基坑施工因素,合理選擇內支撐形式,從而降低工程造價。
關鍵詞:地鐵車站;深基坑;支撐體系優化
北京地鐵五號線劉家窯車站在施工明挖結構基坑時,圍護結構采用護坡樁結合鋼支撐體系,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,同時采用可重復使用的鋼制內支撐配合鉆孔護坡樁,封閉內支撐體系與護坡樁擋土結構共同組成穩定空間結構體系,兩者共同承受土體約束及荷載作用,使基坑圍護結構保持穩定。通過對地鐵五號線已經施工完畢的劉家窯車站明挖基坑內支撐體系幾個問題的分析,力圖尋找合理布設內支撐體系的方式。
1 工程概況
劉家窯車站位于現況南三環路劉家窯立交橋,車站主體結構全長201m,本站南北兩端主體結構為地下二層,雙柱三跨島式結構,采用明挖法施工,其中南端長76.3m,北端長49.7m,車站南端設盾構端頭井。車站中部75m為單層雙柱三跨曲墻拱頂復合襯砌結構,采用暗挖法(CRD工法)施工。
本車站主體明挖結構分為兩段,南側基坑開挖深度為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+內支撐作圍護結構;北側基坑開挖深度為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+內支撐作圍護結構,基坑北側最下一道支撐為預應力錨桿。灌注樁直徑600,間距800~1000mm,樁長為19.54~23.82m,樁頂設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。樁間采用掛網噴射50mm厚的C20混凝土保持樁間穩定,混凝土噴層內設 6@150×150mm的鋼筋網片。
原設計采用沿基坑豎向設三道鋼圍檁及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θ600鋼支撐立柱。
2 支撐體系優化
支撐體系應該方便基坑結構施工,不但達到確保整個施工過程中基坑穩定的目的,還應該便于基坑開挖及后續結構施工作業。
內支撐位置的選擇對于結構施工影響加大。如果同一層支撐間距、上下層之間高差較小,或者設置豎向支撐,將直接造成現場無法展開大規模機械施工。現場采用機械施工,不可避免要發生與內支撐架設工序沖突的現象,內支撐架設不及時對于基坑安全影響勢必較大。內支撐形式合理與否,直接結果是基坑施工周期延長,工程組織難度加大,基坑風險程度提高。
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:護坡樁結合內支撐體系,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。各車站已經完成基坑支護和結構施工,支護均達到預期效果。對比兩類基坑施工操作中的問題可以發現。
內支撐體系嚴重干擾土建結構施工,并且存在諸多后續問題。作為臨時支護結構的內支撐對后續永久結構的施工有較大影響,尤其是防水卷材、鋼筋等的搭接空間,施工縫設置以及結構砼澆筑質量。
在目前采用內支撐體系的基坑開挖土方作業中,施工單位為達到機械施工目的,均有開挖土方與架設支撐沖突矛盾,按照設計的支撐間距、高度要求則無法滿足機械施工作業面,因此普遍出現施工中架設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,存在冒險施工的現象。另一方面,不得不說是內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,內支撐圍檁托架位置需要接近永久結構梁板位置,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留接駁器位置重合,卷材搭接長度及搭接施工質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。內支撐接近梁板,尤其是平面位置與結構柱重合,在梁柱施工中避讓支撐,結構鋼筋預留位置無法完全確保結構要求的鋼筋錨固長度,造成臨時結構體系影響永久結構物的質量。內支撐體系要求在基坑內部設置環狀圍檁,圍檁的設置與永久結構側墻位置重合,由于支撐位置限制施工縫,側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,離析現象難以避免,結構澆筑后的實體質量無法保障。對照錨桿支撐體系,上述問題完全可以避免。
如果設置內支撐,在確�；臃�定的前提下,各層支撐設在永久結構各層梁板的上方80cm以外較為合理,這樣能夠確保接縫各工序施工質量及操作空間。通過計算和研究分析,內支撐采用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量。
3 支撐體系施工
由于該基坑為明、暗挖結合車站,明挖基坑與暗挖車站之間結合部位處理非常關鍵,直接影響不同形式的防水、明暗挖結構處理等的施工。在本次施工中就出現內支撐及支撐托架與暗挖初支長管棚位置沖突、與結構側墻防水、鋼筋沖突等問題。
該車站采用I488作為支撐桿件和圍檁,通過統一支撐桿件與圍檁的材料形式,減少現場二次加工工作量,利于承包單位采購、加工。I488支撐結構斷面匹配較為合理,內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,截面抗壓模量等優于I字型鋼,但圍檁高度勢必加大,增大圍檁自身荷載,內支撐整體性降低。
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,統一按給定數值施加軸力,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面,確保斜向布置支撐兩側有頂進設備的工作面。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,千斤頂穩壓數據與最終鋼楔鎖定數據誤差范圍在10%�；颖O測數據表明,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。分析該現象是由于護坡樁受壓后產生不同變形,最終形成整體穩定。
由于受基坑內現況管線改移影響,基坑開挖至基坑底歷時3個月。土方開挖、基坑內支撐架設經歷了雨季的考驗,自2004年6~7月底北京市有幾場連續降雨,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內支撐,該基坑基本經歷了最不利的受力狀態,基坑施工順利完成。
4 監測數據分析
通過施工過程中各種監測數據分析、了解內支撐體系與基坑變形之間關系,順利完成結構施工,可以判斷該支撐體系穩定(見表1)。
根據各項數據變化趨勢可以判定:
(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,觀測結果表明部分數值變化出現反彈。當地表溫度升高時樁頂位移呈現暫時升高,但溫度對于基坑變形影響較小。結合氣候情況記錄,明顯發現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支撐,基坑變形較小;
(2) 內支撐對于圍護結構變形的約束作用明顯,通過觀察施工內支撐前后期現場θ600護坡樁變形,發現護坡樁受內支撐約束較大,前后期護坡樁變形明顯,對比θ600與內支撐體系對于基坑穩定作用,內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,4個測斜管數據表明,變形最大位置分別在7.5m、-10m、-11.5m、-11m,對照相應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、第三層均監測到較大軸力,并且出現第三層支撐軸力比第二層軸力大的情況�；佑嬎隳Ｐ驮诘诙䦟討摮霈F較大軸力。分析現場監測數據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。在護坡樁斜向基坑外側及內側時,變形程度不同時,相應位置的支撐所受壓力變化較大�，F場對照護坡樁垂直度、變形位置與軸力監測數據對比分析,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;
(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。
基坑監測實際數值與設計警戒值差距較大,一方面體現了支撐體系安全;另一方面說明該支撐體系與設計受力狀態有較大距離,沒有達到支撐體系經濟性目的,尚有較大的安全余量。
5 經濟分析
合理選擇內支撐與圍護結構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支撐的架設密度。
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,內支撐數量可以減少,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。
基坑圍護結構選定時,不但要考慮圍護結構的造價,還要考慮圍護結構相關工序的造價影響,確保整體圍護結構造價的降低。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�；臋C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。
在基坑與結構平面綜合時應該考慮的施工工藝、工法、結構縫等因素。劉家窯、張自忠等明挖結合暗挖的車站,明暗挖結合部位都設置在基坑護坡樁位置。由于暗挖斷面與明挖斷面不同,結構厚度、配筋位置等均不相同,在護坡樁狹小位置進行結構斷面、配筋等的轉換對于防水等地下工程的關鍵工序質量保障難度非常大。劉家窯預先在圍護結構中處理了附屬工程結構縫位置,事實效果非常明顯。如果將暗挖與明挖結合位置向明挖段延伸,在施工明挖結構時預先完成一段暗挖結構,對于不同防水結構形式、斷面形式的結構搭接具有明顯的意義,可以解決明挖、暗挖結合部的一系列設計、施工難題,避免了結合部位配筋等調整。并且投資造價基本沒有較大變化。
由于國內目前建設地鐵的地域差別,南北城市之間的基坑做法受到各自地質情況影響,均有一定的常規、經驗做法,內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,是否必要采用內支撐體系,可進一步研究,即使采用內支撐體系,也可結合錨桿等支撐形式進行優化。并且不同地區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有材料,對于總體造價的降低有一定的積極作用。內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 結束語
合理的支撐體系是影響深基坑安全性、經濟性的關鍵,通過該基坑圍護結構監測數據整理、分析,提出合理的基坑圍護結構選擇,在確保安全性的前提下,減少對結構施工影響,降低工程造價,還應注意地域差別,尊重不同地區的成熟工藝。針對北京市土層狀況,在條件允許的情況下,建議推廣錨桿結合護坡樁的深基坑圍護體系。
參考文獻:
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