盖挖法地下车站围护结构及顶板节点设计

2018-07-03李辉

铁道勘察 2018年3期

李辉

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

目前，国内明挖地铁车站基坑工程中，典型的支护结构与主体结构相结合的形式有单一墙、复合墙和叠合墙三种。将基坑支护结构与主体结构共同考虑，可以优化结构尺寸、降低造价、节约成本、方便施工。国内除上海地区主要采用叠合墙体系外，其余地区多采用复合墙体系[1-2]。

传统的基坑支护结构多为临时性施工措施，在主体完工后遗弃，浪费资源且污染环境[3]。永久支护结构多见于超大面积深基坑工程，特别适用于基坑周边环境狭小、位移要求严[4]的工程环境。采用永久支护结构后，其水平构件支撑刚度增大，减小了围护结构和土体的变形，从而降低了对周边建筑物和道路的影响；同时，由于减小了结构断面尺寸、避免了采用临时支撑，具有较高的工程经济价值[5]。

以某在建盖挖法地下车站为工程背景，对围护结构排桩与主体结构侧墙结合的结构形式，以及围护桩、侧墙与顶板连接处的结构和防水节点设计进行探讨。

2 工程概况

2.1 工程简介

某地下站位于繁华地带道路交叉口，道路宽26 m，车站周边临近多栋5～8层建筑物(主要为钢筋混凝土框架结构，条形或独立基础，均无地下室)，施工期间需要保护。地下车站基坑范围内的大型管线管沟较少且易于改移，对基坑工程施工影响较小。

车站主体结构总长130.2 m，埋深10.7 m，顶板覆土最大厚度约为2 m。标准段为地下单层四柱五跨箱形框架结构(宽47.13 m)，车站两端设置两处风井，共设有4个出入口，其中一个出入口与风道合建。车站地下结构与地上附属建筑及周边建筑物之间距离均较为接近，虽满足施工建设条件但施工场地较为狭小。车站平面位置及周边道路、建筑物情况见图1。

图1 地下车站总平面

2.2 工程地质及水文地质情况

勘探深度范围内，地层主要为第四系全新统杂填土、黏土、粉质黏土、粉土、粉砂、细砂。物理力学参数建议值见表1。

表1 物理力学参数建议值

地下水类型为第四系孔隙潜水，地下水位埋深24.0～28.1 m，距车站主体结构底板距离较大，对地下结构影响较小。

该站所在场地地震基本烈度为7度，区域地质构造较稳定，场区地层上部3～7 m为黏性土，下部为粉、细砂层，地下水埋深较大，可不考虑地震液化的影响。

3 基坑围护结构形式选择及基坑开挖方案

3.1 围护结构形式的选择

该地下车站地处市中心繁华地带十字路口下方，道路交通繁忙，车站周边建筑物众多且距离较近。根据周边环境情况及道路交通条件，决定采用盖挖法施工。盖挖法的两种基本工法主要作业程序对比如下。

(1)盖挖顺作法

首先做好基坑围护结构，然后分块施作或利用夜间交通量少的时间进行临时路面系统施工，在临时路面系统保护下进行土方开挖及支撑架设，由下向上施作车站主体结构。

(2)盖挖逆作法及半逆作法

先施作围护结构及中间支撑结构柱，然后开挖覆土，做好结构顶板及防水，回填覆土并恢复路面交通。其余主体结构的施工按照由上而下的顺序进行。当条件许可时，也可采用盖挖半逆作法进行施工。

本地下车站所在场地地层分布均匀，地下水埋深大，基坑开挖过程中不需进行降水作业；车站为地下一层结构，埋深较浅，基坑开挖深度较小，但基坑平面形状较为复杂且开挖宽度较大；周边建筑物临近基坑且道路交通繁忙，地面施工场地狭小。综合上述条件，经分析比较后，推荐采用盖挖半逆作法施工。

在完成地下车站围护结构排桩施工后进行车站顶板结构施工，然后回填覆土进行路面恢复，再由上而下开挖土体及由下而上依次施工车站主体结构。该工法既可保证交通畅通，又可减少基坑开挖对周边道路和建筑物的不利影响，节约投资并缩短工期。

结合盖挖法施工工艺和本地下站结构埋深较浅的特点，决定采用围护桩与主体结构相结合的设计方案，可以有效减小基坑面积，通过顶板替代临时支撑体系为支护结构提供水平支撑，具有刚度大、变形小、施工便利性强等优点，有效地减小了基坑和临近土体的变形[2]。

3.2 基坑开挖方案

由于地下车站基坑距离周边建筑物较近，且基坑位于繁忙交通路口，施工场地有限，占地范围狭小。如果基坑全部同时进行开挖，围挡范围内的施工场地面积过小，无法正常组织工程施工。且由于道路繁忙，运输不便，所需的工程材料及施工机械、车辆均需要一定的存放场地，将对施工效率和施工成本造成不利影响。

结合站址场地周边环境和道路交通条件，决定对车站主体围护结构分两期进行施工：①先进行车站东侧围护结构和车站顶板施工，利用西侧未施工部分作为准备场地；②待东侧施工部分完成覆土回填之后，将其作为车站施工准备场地，再进行西侧围护结构和车站顶板的施工。

本地下车站主体结构基坑工程划分为两期进行施工，既能够充分利用有限的施工场地，减少对道路的占用，又能有效地提高施工作业效率并节约施工成本。车站主体基坑工程分期施工划分如图2所示。

图2 车站主体基坑工程分期施工示意

4 结构模型数值计算

4.1 围护结构模型数值计算

本地下车站围护结构采用排桩形式(钻孔灌注桩桩径为1.0 m，采用C30混凝土、HRB400级钢筋)。在具备施工条件后，先进行钻孔灌注桩、钢管柱基础和钢管柱的施工，然后进行土方开挖，顶板、顶梁和防水层的施作，最后进行土方回填。

对施工开挖、支撑、回筑的全过程进行受力分析：开挖期间灌注桩及顶板形成的结构体系作为支挡结构，承受全部的土压力和施工荷载，灌注桩嵌固深度应考虑地下水位变化等因素的影响。围护桩作为永久支护结构可有效减小主体结构侧墙土压力，基坑外侧土压力主要由支护桩承担，排桩与主体结构顶板、侧墙共同作为永久结构进行设计。

永久支护结构中围护桩受力计算：应对其作为临时结构和永久支护结构两种工况进行分析[6]。

采用有限元法，根据施工过程将结构受力、变形过程划分为若干相对独立的阶段，并考虑各阶段结构受力及变形的继承性及施工回筑阶段内衬墙与灌注桩的相互作用(灌注桩与内衬墙的相互作用采用水平刚性连杆模拟，该链杆只能传递压力，不能传递拉力、剪力和弯矩)。坑底以上按主动土压力三角形分布，坑底以下土压力按矩形分布，用水平、竖向弹簧模拟坑底地层对灌注桩的水平、竖向约束作用[7]。围护结构计算见图3。

图3 围护结构计算

基坑围护结构位移及内力计算结果见图4～图6。

图4 水平位移(单位：m)

图5 弯矩(单位：kN·m)

图6 剪力(单位：kN)

由有限元计算结果可知，围护桩最大水平位移约为0.005 m，围护桩弯矩最大值为632.1 kN·m，顶板处弯矩最大值为1 260.2 kN·m，围护桩剪力最大值约为283 kN，顶板处剪力最大值为636.54 kN。

经计算，钻孔灌注桩主筋应采用24根HRB400级φ25钢筋，箍筋采用HPB300级φ10@100钢筋，桩体配筋主要由施工阶段工况控制，钻孔灌注桩裂缝宽度为0.13 mm(满足规范[8]要求的二类环境条件下小于0.2 mm的混凝土耐久性要求)。由于主体结构顶板自身刚度较大，对围护桩变形有较强的约束作用。同时，由于固定约束的存在，导致围护桩上部较常规“内支撑+冠梁”支护结构形式下弯矩有所增加，但未影响桩体的纵筋配筋根数和面积。

作为永久结构的围护排桩成桩质量要求高于临时围护桩，在定位精度、垂直度和桩身质量等方面要求较高(围护桩垂直度不超过1/200，中心与设计桩位偏差不大于10 mm[9])。本车站采用旋挖钻机进行围护桩施工，在减少泥浆排放量的同时可满足成孔的精度和质量要求。

4.2 主体结构模型数值计算

除钢管混凝土柱采用C50自密实混凝土以外，其它主体结构构件均采用C35钢筋混凝土，防水等级为P8。主要结构构件尺寸：顶板厚1 000 mm，底板厚800 mm，侧墙厚450 mm，钢管柱直径为1 220 mm(如图7)。

图7 车站主体结构标准断面(单位：mm)

地下车站顶板与围护桩通过顶板边缘设置的框架梁进行连接，其整体刚度较大。侧墙及底板与围护桩之间不设置连接件，仅设置外包防水层。主体结构计算过程中，考虑到主体结构侧墙与排桩的共同作用(在正常使用阶段作为挡土结构)，侧墙只分担了较小的侧土压力及水压力[10]。因此，采用桩墙合一的设计方式可以减小侧墙厚度，减小基坑面积[11-12]。

按照《地铁设计规范》[14]和《建筑结构荷载规范》[15]，对不同工况下荷载组合进行划分，采用有限元软件计算并提取车站主体结构板、墙、柱的内力值。计算结果见图8～图10。

图8 标准组合弯矩(单位：kN·m)

图9 标准组合轴力(单位：kN)

图10 标准组合剪力(单位：kN)

由有限元计算结果可知，主体结构顶板，底板和侧墙最大弯矩值分别为1 294.3 kN·m、1 489.8 kN·m和917.2 kN·m，轴力最大值分别为535.7 kN、166.2 kN和151.4 kN，最大剪力值分别为637.3 kN、573.7 kN和313.2 kN。对比施工阶段和正常使用阶段的计算结果，按照使用阶段计算值，对顶板进行相应的强度、裂缝验算。

经计算，车站顶板内外侧主筋均采用HRB400级φ32钢筋(间距200 mm)；底板上表面主筋采用HRB400级φ22钢筋(间距200 mm)，下表面主筋采用HRB400级φ22钢筋(间距150 mm)；侧墙内外侧纵筋采用HRB400级φ18钢筋(间距150 mm)，水平钢筋采用HRB400级φ18钢筋(间距150 mm)。

侧墙配筋主要由使用阶段工况控制，在正常使用阶段承担全部水压力和少部分土体侧压力，根据对比计算及参考文献[10-12]，其侧墙配筋率和弯矩明显降低。在目前国内常规做法中，主体结构顶板与地连墙或围护桩不发生连接关系，围护结构和主体结构侧墙主要通过剪力槽[3]或传力板带[11]连接，两种方案可使侧墙配筋率分别减少约30%和20%。本车站主体结构与围护桩采用顶板处连接节点方案，其侧墙配筋率较不考虑围护结构共同作用工况减少约30%。