围护结构兼竖向支撑系统在盖挖逆作地下交通工程中的应用

吕宝伟,田巧焕

(铁道第三勘察设计院集团有限公司城交分院, 天津 300251)

1 工程概况

1.1 设计概述

某地下交通中心主体工程项目包含城际铁路车站、地铁车站、地下停车场、换乘通道，附属工程包括集散大厅及既有航站楼连接通道工程。

城际铁路车站与地铁车站大致呈东西向平行布置；地下停车场工程位于东西两侧；换乘通道工程位于城际铁路车站的南侧；集散大厅为连接交通中心换乘通道与正在建设的航站楼的通道工程。连接通道为连接地下停车场和既有航站楼的通道工程，各子项具体位置见图1。

图1 交通中心各子项平面位置示意

本地下交通中心主体工程的城际铁路车站、地铁车站及东侧地下停车场为地下双层多跨框架结构，双层结构基坑标准段深度为22.36 m；换乘通道、集散大厅及西侧地下停车场为地下单层多跨框架结构，单层结构基坑深度为12.65 m。交通中心主体工程基坑布置见图2。

图2 交通中心主体工程基坑平面(单位：mm)

为确保施工安全、环境安全，不影响机场正常运营，并将施工对机场环境影响程度降低到最小，将影响周期降低到最短，交通中心主体工程(城际铁路车站、地铁车站、地下停车场及换乘通道)均采用盖挖逆作法施工，围护结构采用刚度大止水效果好的地下连续墙。

1.2 工程及水文地质条件

本工程地基土在110 m深度范围内均为第四纪松散沉积物，主要由饱和黏性土、粉土、砂土组成，一般具有成层分布的特点。潜水含水层主要为全新统中组海相层⑥层及其以上土层，静止水位埋深一般0.50～4.90 m。工程及水文地质具有以下特点。

(1)浅部填土局部厚度较大，最厚处约5.3 m。

(2)⑥2淤泥质粉质黏土层分布不连续，厚度不均匀，最厚处达5.2 m。

(3)土质不均匀，特别是⑥4层，局部砂性大。

(4)自上而下分布多层承压含水层，⑧2为第一层承压水；⑨2为第二层承压水；(11)2、(11)4、(12)2、(13)1夹和(13)2为第三层承压水；(14)2为第四层承压水。

2 标准结构的竖向支撑系统

盖挖逆作地下结构，施工期间竖向力的传递有2种方法：(1)利用基坑两侧的挡墙传递竖向力，此时车站主体为一单跨结构；(2)设置中间竖向临时支撑系统，与基坑两侧挡墙共同传递竖向力[1]。中间竖向支撑系统的设计，其形式和纵向间距应综合考虑建筑、受力、地层条件和工期等要求，通过技术经济比较确定。宜优先采用临时支撑柱与永久柱合一的结构方案[3]。结构两侧边墙处利用地下连续墙作为施工阶段支护结构兼作竖向支撑，使用阶段作为抗浮措施；单一的双层结构与单层结构的立柱采用钢管混凝土柱，下设钻孔灌注桩基础兼作竖向支撑及抗浮措施，钢管混凝土结构适用于大跨、高层、重载和抗震抗爆结构的受压构件[5]；两侧地下连续墙支护结构及钻孔灌注桩基础兼作竖向支撑及抗浮措施方案，均具有结构一次完成、永久结构与临时结构结合、结构体系转换次数少、便于过程控制、节约工期、节省投资等优点，施工工艺成熟，在盖挖法施工的工程中已得到广泛应用。

3 围护结构和竖向支撑系统设计需要解决的关键问题

机场交通中心工程场地地下水水位高，基坑深，地下结构体量大，围护结构应起到截水防渗并承受周围水土的侧压力作用，为基坑开挖提供必要条件；竖向支撑系统在施工阶段承受结构自重和全部的施工荷载，还在使用阶段作为工程抗浮桩和永久结构立柱承受结构自重及水土压力等永久荷载；如何确保围护结构和竖向支撑系统的技术可靠，经济合理，是设计中需要解决的关键问题。

4 一级基坑与二级基坑交界处竖向支撑系统设计方案分析

中间竖向支撑系统的设置方法有3种：(1)在永久柱两侧单独设置临时柱；(2)临时柱与永久柱合一；(3)临时柱与永久柱合一，同时增设临时柱。立柱位置的设置，是逆作法设计的先导，应以经济性和合理性为宗旨，同时综合考虑材料、安全度、接口处理等多项因素[6]。

一级基坑内部的二级基坑地下连续墙，因为墙顶在负一层底板处，不能直接兼顾竖向支撑作用。常用的方法为在施作地下连续墙围护结构的同时，再设置工程桩及结构柱作为竖向支撑，即单独设置围护结构及工程桩方案。在地下连续墙上设置施工阶段临时柱，地下连续墙和临时型钢格构柱组成的结构体系兼顾了围护结构竖向支撑系统的功能，即围护结构兼竖向支撑方案。如图3所示。

4.1 单独设置围护结构及工程桩方案

该方案二级基坑地下连续墙支护结构与工程桩柱单独设置，主体结构钢管混凝土柱下设钻孔灌注桩，桩柱共同组成施工期间竖向支撑体系，施工期间承受各层结构板传递的竖向载荷，在使用阶段作为工程永久抗浮结构，见图3(a)。

工程桩如采用钻孔灌注直桩，桩长较长，受场地地质条件的限制，施作难度较大。为提高单桩承载力，减短桩长，降低造价，因此采用扩孔灌注桩，即将桩端底部或桩身中间扩大，形成的扩孔桩能有效提高单桩承载力和增加抗拔力，适应各种复杂的地质条件，且不受施工场地限制，并在其扩孔同时进行桩端及桩侧后注浆，以便更充分发挥扩孔桩提高承载力、减少沉降的作用。由于工程桩扩孔直径较大，综合考虑施工精度等因素，围护结构地下连续墙与工程桩之间需预留足够空间，以确保工程的可实施性，增加了部分土建工程量，增加了工程投资，而该部分空间利用效率极低。

图3 竖向支撑系统设计方案(单位：mm)

4.2 围护结构兼竖向支撑方案

该方案为合理利用地下连续墙竖向承载力，将一级基坑内部的二级基坑地下连续墙作为临时立柱竖向基础，地下连续墙结构上设置施工阶段临时立柱，地下连续墙与临时立柱组成竖向支撑体系，进行盖挖逆作施工，各层结构板施工完成后，实施主体结构永久柱，最后拆除临时立柱，见图3(b)。

作为支护结构时，地下墙上的荷载主要是土压力、水压力及地面荷载引起的附加荷载。当作为永久结构时，除以上荷载外，还有上部结构传来的竖直荷载、水平荷载及弯矩等[4]。地下连续墙作为基坑支护结构的计算按《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120—99)执行。

4.3 综合评价

单独设置围护结构及工程桩方案、围护结构兼竖向支撑方案综合评价见表1。

表1 方案综合评价

经过综合比较，将围护结构兼竖向支撑作为本工程实施方案。

4.4 变形沉降分析

本工程施工时，对一级基坑内部的二级基坑地下连续墙及周边桩柱均进行了沉降观测点布设，基坑开挖前至主体结构完成施工，全程对沉降观测点进行监测，见图4、图5。监测结果表明：

图4 地下连续墙顶隆沉曲线

(1)施工期间地下连续墙及中间桩柱隆沉量较大，最大达34 mm，并均以隆起为主要趋势；

(2)土体开挖期间地下连续墙及中间桩柱隆沉量增加明显；

(3)本着平衡对称开挖原则，地下连续墙与中间桩柱隆沉量差异值较小，相邻地下连续墙与中间桩柱差异沉降比均小于1/1 000。

图5 中间桩柱顶隆沉曲线

5 结语

当地下连续墙作为基础的一部分时，除了承受水平侧向荷载外，由于墙侧壁及墙底可分别提供侧摩阻力及端阻力，其竖向承载力仍相当可观，若合理地利用其竖向承载力，可使基础设计更加经济[4]。

竖向支撑系统是盖挖逆作法的关键构件，本文仅就盖挖逆作设计与施工的部分问题，提供一些个人看法，希望能为同类工程提供一些参考。目前，该工程主体结构已顺利竣工，笔者认为围护结构兼竖向支撑设计及施工可以改进的和需要注意的有以下几点：(1)地下连续墙上格构柱在条件允许情况下可以考虑永临结合，作为结构侧墙一部分或利用临时格构柱施作钢骨混凝土柱。可更有效减少工程量和简化施工工序，降低工程造价。(2)每幅地下墙中设置墙趾注浆管，对墙底土体进行注浆加固；每根工程桩的桩端及桩侧预埋注浆管并进行桩端及桩侧后注浆，可有效地控制其竖向隆沉量，并提高其竖向承载力。(3)富水软土地区地下连续墙及中间桩柱的隆沉量绝对值相对较大，控制相邻竖向支撑的差异沉降量是确保结构安全的关键。

[1] 施仲衡.地下铁道设计与施工[M].西安：陕西科学技术出版社，2002.

[2] JGJ94—2008，建筑桩基技术规范[S].

[3] GB50157—2003，地铁设计规范[S].

[4] 刘昌辉,时红莲.基础工程学[M].武汉:中国地质大学出版社，2005.

[5] 赵善同，陈志良.地下连续墙在杭州地铁车站深基坑支护中的应用[J].铁道标准设计，2009(9):94-97.

[6] 蔡绍怀.现代钢管混凝土结构(修订版)[M].北京:人民交通出版社，2007.

[7] 万清.石家庄六线隧道深基坑围护体系设计探讨[J].铁道标准设计，2012(10)：61-65.

[8] 夏明耀，曾进伦.地下工程设计施工手册[M].北京:中国建筑出版社，1999.