某换乘站混凝土支撑节点开裂处理措施

宗 晴，熊 竺

(中铁四院集团西南勘察设计有限公司，云南昆明 650206)

1 工程概况

该站为某市轨道交通工程2号线与3号线的十字换乘站，车站位于北京路与东风东路十字路口下方。2号线车站沿北京路南北向布设，3号线车站沿东风路东西向布设，2号线车站为地下两层岛式车站，3号线车站为地下三层岛式车站，车站设置联络线。车站处于繁华的北京路与东风路十字路口，两侧已建建筑物密集，主要建筑有西北侧震庄宾馆，东北侧中国电信办公大楼，东南侧金格购物中心，西南侧工人文化宫。北京路道路红线宽度40 m，东风东路道路红线宽度50 m，道路狭窄，交通流量大，车站施工难度大(图1、图2)。

图1 车站剖面效果图(图左为北)

图2 车站总平面(图上为北)

车站顶板以上覆土约为3.5 m，车站结构从上至下穿越的地层依次为填土、粉质黏土、圆砾、粉砂与粉土的互层，局部夹杂有泥炭质土，2号线车站底板位于粉砂层，3号线车站底板位于粉土层。场地范围内的地下水位较高，根据地质详勘报告，地下水位位于地面以下约2 m，施工过程中采用坑内降水井进行降水。

2 围护结构设计

由于施工期间必须保证北京路南北向的通行，先期围挡北京路东侧半幅，施工2号线车站东侧的盖挖逆做顶板。之后，将施工区域东西向交通向东风广场导改，整个车站剩余部分采用明挖法施工。

车站主体基坑平面面积约为20 308 m2，基坑最大深度为25.2 m，宽度最大约为90 m，围护结构采用连续墙，其中2号线部分墙厚为800 mm，3号线及联络线部分墙厚为1 000 mm。由于基坑是一个较大的异形基坑［3，4］，基坑深度较深，且支撑体系的受力情况较复杂［1，2］，除2号线标准段、3号线位于北京路最东侧和最西侧的部分以及3号线负三层部分采用φ609 mm，t=16 mm钢支撑外，其余部分均采用混凝土支撑［8］，混凝土支撑利用部分永临结合φ609 mm，t=16 mm钢管结构柱(灌注混凝土)以及临时设置的φ609 mm，t=16 mm钢管柱(黄沙填充)节点进行连接(图3、图4)。

支撑采用C30钢筋混凝土现浇，第1道支撑截面为800 mm(宽)×800 mm(高)，第2道支撑截面为800 mm(宽)×1 000 mm(高)，第3道支撑截面为800 mm(高)×1 200 mm(高)，各支撑轴力设计值见表1(钢支撑间距为3 m，混凝土支撑间距为8 m)。

图3 第1道混凝土支撑平面布置图(局部)

图4 第2、3道混凝土支撑平面布置(局部)

表1 支撑轴力设计值kN

3 混凝土支撑节点设计

由于城市地下空间开发的原因，为避免对地下环境的污染，不适合采用连续墙+钢绞线锚索或桩+钢绞线锚索的支护方案，对于类似本站的大型不规则深基坑，基坑宽度较大，钢支撑的使用受到限制，因此采用混凝土内支撑支护是较为可行的支护方案，整个支撑系统的稳定性较好，基坑施工安全性较高。本车站主体围护结构混凝土支撑节点根据受力情况以及支撑的布置情况设计了“一”字形、“十”字形(T字形)以及“*”形节点。“一”字形节点未对节点区进行加腋处理;“十”字形以及“*”形节点在节点区均设置了加腋，如图5所示。

图5 “十”字、“*”字形节点

4 混凝土支撑节点开裂原因分析及处理措施

在先期完成位于北京路的2号线东侧半幅盖挖逆做工程以及位于东风东路的3号线东侧部分结构之后，车站全面进入全明挖施工。施工过程中，施工单位及第三方监测单位均进行了监测。在土方开挖过程中，当车站3号线部分开挖至基底时，监测得到的第3道混凝土支撑(800 mm×1 200 mm)的最大轴力为8 800 kN，约为设计轴力最大值的73%，第2道混凝土支撑(800 mm×1 000 mm)的最大轴力为5 000 kN，约为设计轴力最大值的74%。通过监测，连续墙的变形也在设计允许的范围之内，整个基坑的支撑系统是安全可靠的(图6)。

图6 施工中的车站深基坑(左上角为北)

到2012年5月底，该站3号线部分的负三层底板(采用钢支撑)及负二层中板施工完毕后，整个明挖施工区域近似于一个两层的地下车站，设置有3道混凝土支撑。按照施工单位的施工流水，此时从车站3号线部分的西侧向东侧((12)轴～○26轴方向)分段施工车站的负一层中板和顶板。由于车站的3号线部分从西向东，基坑的宽度越来越大，因此，混凝土支撑从(12)轴开始设置。施工负一层中板时，需凿除第3道混凝土支撑。施工单位采用了大型机械(炮锤)进行破除。2012年6月20日，当第(14)轴(该处的基坑宽度达到35.2 m)的第3道混凝土支撑被机械断开卸载后，位于(12)轴两侧的2根混凝土支撑，在南端与钢管柱的节点位置出现较大裂纹，节点位置混凝土保护层剥离，支撑钢筋裸露。2012年6月21日晚，由于裂纹不断发展，施工单位及时向业主及设计方进行了通报，设计方赶赴现场进行查验。首先出现破坏的节点见图4中标注，破坏的结果如图7所示。

图7 第2道混凝土支撑“一”字形节点挤压破坏

4.1 开裂原因分析

通过对施工方轴力监测数据的分析［6，10］以及现场观察，判定节点发生开裂是由于第3道支撑拆除后导致第2道支撑轴力增大，在瞬间增大的轴力作用下，第2道混凝土支撑与钢管柱的连接节点发生挤压，从而发生破坏(并非施工方起初认为的由于机械振动导致的开裂)。

初次发现裂纹后，对第2道混凝土支撑进行了轴力监测，起初，轴力比第3道混凝土支撑拆除前增大了约1 500 kN，几乎达到了最大设计轴力，随后裂纹发展，节点位置几乎出现了“骨折”的现象，支撑轴力降低到约3 500 kN，表明混凝土支撑发生了挤压破坏并卸载。

第3道支撑拆除后，第2道支撑的轴力突然增大，但尚未超过设计轴力值，为什么仍然会发生破坏呢?原因在于，首先出现破坏的节点是一个最为薄弱的节点，这个“一”字形节点仅与1根混凝土支撑连接，与“T”字形、“十”字形及“*”字形节点相比，此处的节点连接显得单薄，且“一”字形节点对施工的轴线误差反映较为强烈，当混凝土支撑出现偏离轴线的误差后，在轴压力作用下，容易引起附加弯矩，导致裂缝的开展，图7即表明了由于存在施工轴线误差，混凝土支撑的钢筋被压弯。其次，由于第2道混凝土支撑的截面宽度为800 mm，而钢管柱的外径为609 mm，因此，混凝土支撑在节点位置的混凝土有效截面很小，支撑的受压截面被大幅削弱，从而大大降低了混凝土支撑的抗压能力，导致破坏。

另外，在混凝土支撑发生破坏的整个过程中，通过监测发现连续墙向基坑内发生了5～6 mm的位移［5］，出现了“鼓肚子”的现象，表明第3道支撑拆除时，整个支撑系统发生了较大的卸载，连续墙背后的土压力占据了优势。

4.2 加固处理措施

针对现场出现的开裂情况，设计方提出了相应的加固处理应对措施。位于(12)轴两侧的2根混凝土支撑开裂后，承载力大幅降低，此时，为确保施工的安全，施工方立即停止了混凝土支撑的凿除，并迅速组装φ609 mm，t=16 mm钢管撑，架设于第2道混凝土支撑上方，并施加一定的预加轴力。由于(12)轴基坑宽度约为32 m，此时具备架设钢支撑的条件。架设钢管撑并施加一定的预加轴力后，通过监测，连续墙向基坑外侧发生了2 mm的位移，发生挤压破坏的混凝土支撑轴力变化量不大［7］，减小约300 kN，见图8。经过1周左右的时间，施工方完成了此段负一层中板的施工，且在此期间，未继续进行其余第3道混凝土支撑的破除作业。

图8 临时架设钢支撑处理措施

在顺利处理完以上开裂之后，施工方继续进行第3道混凝土支撑的破除，同时加强了基坑中所有“一”字形节点的观察与监测。由于车站3号线部分往东的基坑宽度越来越大，且支撑系统存在较多的“一”字形节点，因此，为确保施工安全，提出了具体的预处理措施:对可能会出现开裂的“一”字形节点提前进行加固，在节点位置两侧各1 m的平面范围，沿着混凝土支撑的梁高方向，在梁的两个侧面各帮贴一块40 mm厚钢板，钢板高度同梁高，然后用φ12 mm@100 mm钢筋在钢板表面进行焊接抱箍，形成一个加固区，从(15)轴到○26轴，共计12个节点，节点处理后的效果如图9所示。经过后续的施工检验，通过监测，第2道混凝土支撑轴力在第3道混凝土支撑拆除后亦明显增大，不再出现“骨折”从而导致监测轴力再次下降的现象，表明加固处理达到了预期的效果，施工的安全得到了保证。2012年8月下旬，该站全部负一层中板浇筑完毕，进入第2道混凝土支撑的凿除作业阶段，至此，该站的混凝土支撑节点开裂的风险已顺利化解。

图9 “一”字形节点的预处理措施

5 结语

实践是检验真理的标准，施工现场是对设计合理性的一种检验。通过对本站结构回筑过程中的混凝土支撑节点开裂的处理，得出如下结论，并可作为今后同类基坑围护结构优化设计［9］的参考。

富水地区位于城市繁华区段的地铁超大超深异形基坑，围护结构应优先采用连续墙+内支撑的支护形式，并采用混凝土支撑。由于基坑宽度较大，混凝土支撑应设置中间临时立柱。在不增大混凝土支撑截面的前提下，混凝土支撑与临时立柱的节点设计应避免出现“一”字形节点，需按照“十”字形(T字形)、“*”字形节点进行设计，同时，应采取加腋措施增大节点区受压混凝土的面积，以提高混凝土支撑在节点区的抗压能力，避免在回筑过程中出现节点开裂，确保施工的安全。

［1］刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］.2版.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［2］陈焘，张茜珍，周顺华，宫全美.异形基坑支撑体系刚度及受力分析［J］.地下空间与工程学报，2011(S1):122-127.

［3］田予东，李源潮.黄河东路站异形基坑支护设计［J］.铁道建筑技术，2010(S2):115-120.

［4］赵锡宏，杨国祥.大型超深基坑工程实践与理论［M］.北京:中国建筑工业出版社，1996.

［5］汤梅芳.地铁车站异形断面基坑的变形分析与控制［J］.现代隧道技术，2011，48(6):72-78.

［6］牟亚洲.深基坑围护结构内支撑轴力的监测及分析［J］.铁道标准设计，2012(1):87-90.

［7］姚燕明，周顺华，孙巍，陈绪禄.支撑刚度及预加轴力对基坑变形和内力的影响［J］.地下空间，2003(4):57-60.

［8］范炳杰.地铁车站深基坑支撑体系参数优化分析［D］.上海:同济大学，2008.

［9］袁庆利.某地铁车站深基坑围护结构的优化设计［J］.铁道标准设计，2012(2):88-91.

［10］陈子安.某信息楼深基坑支护及水平位移监测［J］.铁道标准设计，2006(4):91-92.