地铁车站附属结构支撑设计优化及稳定性分析

□文/朱亚坤

随着城市规模不断扩大，大运输量的地铁作为有效解决城市交通拥堵的交通工具，是各地基础设施建设的重点[1]。目前，我国标准岛式地铁车站多采用明挖顺作法施工，为确保基坑的稳定性，车站主体结构与附属结构需进行分期施工，一期施工主体结构，二期施工附属结构，最后破除二者之间地下连续墙实现贯通[2]。在工程建设领域，主体结构与附属结构地下连续墙破除一直是行业研究的热点，主体结构地下连续墙作为附属结构支撑的受力点，采用划分多个单元幅“跳仓”破除的施工方法，施工速度慢且附属结构施工缝数量多，导致后期渗漏水问题明显[3]。为解决上述问题，本文以天津地铁4 号线航双路站附属围护结构施工为例，对附属结构首道支撑进行了设计优化并分析了优化后的结构稳定性，为类似工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

天津地铁4 号线航双路站为地下二层岛式车站，主体结构总长190.4 m、宽20.7 m、高13.51 m、底板埋深16.71 m，车站中心顶板覆土厚3.2 m。标准段为现浇钢筋混凝土地下二层三跨箱型框架结构，车站两侧共设三个出入口及两个风道。

车站主体采用明挖顺作法施工，主体结构负一层顶板、负二层顶板预留钢筋接驳器，待二者之间地下连续墙破除后，分别与附属结构顶板、底板连接，实现结构贯通。见图1。

图1 车站总平面

2 水文地质概况

工程地处华北平原，属冲积、海积低平原。勘察最大孔深100.0 m，在该深度范围内，所揭露的地层属第四系全新统及上更新统底层。根据地质年代、成因类型及DB/T 29-191—2009《天津市地基土层序划分技术规程》将场地土分为12个工程地质层。在本次勘察场区内古河道、洼、淀冲积和第陆相层湖沼相淀积层缺失，其他各成因土层在场区均有分布。根据各单元岩性组合特征，进一步将其分为29 个工程地质亚层土层，开挖影响范围内的土层主要包括①1杂填土、①2素填土、④1粉质黏土、④3黏土、⑥1粉质黏土、⑥3黏质粉土、⑦1粉质黏土、⑧1粉质黏土、⑧21砂质粉土、⑧22粉砂、⑨1粉质黏土。

根据地基土的岩性分层及现场抽水试验结果，与本工程有直接联系的浅层地下水主要有以下三个含水层：潜水，初见埋深1.4～4.0 m；第一承压水，根据在航双路站抽水试验资料，该承压水水头埋深在3.8 m，相当于大沽标高-0.5 m；第二承压水，经实测该承压水水头埋深6.5 m，相当于大沽标高-3.2 m。

3 附属结构支撑设计优化

3.1 原支撑设计方案

附属及外挂区基坑标准段深9.3 m，局部电缆夹层加深段坑深为10.045 m，围护结构为SMW 工法桩，采用ϕ850 mm@600 mm三轴水泥搅拌桩，内插700 mm×300 mm×13 mm×24 mmH型钢，隔一插一形式布置，桩长为25 m。桩顶设钢筋混凝土冠梁，围护结构均设两道ϕ609 mm×16 mm钢管撑，第一道撑于冠梁，第二道撑于钢腰梁，钢腰梁采用双拼工45c热轧型钢。见图2。

图2 支撑剖面

3.2 原支撑设计对施工的影响

附属及外挂区首道钢支撑撑于冠梁侧部，采用常规施工方案需留设多个后浇带进行小范围“跳仓”破除地下连续墙，然后分块对应施工附属及外挂区结构顶板，耗费大量时间，同时附属及外挂区顶板连接处施工缝数量增多，成为结构薄弱部位，存在渗漏水隐患。

3.3 支撑设计优化

在主体结构顶邻近地下连续墙处设置宽400 mm、高2 500 mm 钢筋混凝土挡土墙。待挡土墙后面的土体回填压实，将附属及外挂区首道钢支撑上移，首道支撑与主体结构地下连续墙冠梁净空20 cm，支撑两端分别撑在北侧主体结构顶板上方挡土墙和附属结构工法桩冠梁上，见图3。

图3 首道支撑优化

3.4 优化后工序对比

原设计方案的地下连续墙破除工序：划分破除单元段→浇筑底板混凝土→拆除首道撑→拆除第二道钢支撑→破除单元段地下连续墙→浇筑底板后浇带→浇筑顶板混凝土。

优化后的工序：划分破除单元段→浇筑底板混凝土→破除地下连续墙→浇筑底板后浇带→拆除第二道钢支撑→浇筑顶板混凝土。

优化后的施工工序相对优化前的优点在于：附属结构施工期间，首道钢支撑不拆除，使围护结构处于稳定受力状态，既保证了基坑的稳定性又增加了地下连续墙破除单元段长度。按照优化后的施工方案，外挂区与主站区同步施工，仅留设9个施工段，大大减少施工缝数量，降低薄弱部位质量隐患。

4 稳定性分析

优化后的设计方案钢支撑上移2.41 m 标高，相对原设计方案受力点发生变化，为确保施工安全，对围护结构的抗倾覆稳定性和基坑整体稳定性进行验算。

4.1 计算参数

基坑设计最大深度10.045 m，按二级基坑，根据DB 29-202—2010《天津市建筑基坑工程技术规程》进行设计计算。地下水埋深2.10 m。第6层为承压含水层，坑外承压水水位3.907 m；坑内承压水水位3.907 m，地面超载20.0 kPa。见表1。

表1 土层参数

计算模型见图4。

图4 平面弹性地基量计算模型

4.2 抗倾覆稳定性计算

SMW工法桩抗倾覆稳定验算采用水土合算，墙后主动侧土压力采用三角分布计算，水土压力与深度的关系见图5。

图5 水土压力与深度关系

抗倾覆安全系数

式中：Mak——作用在桩墙外侧的主动土压力对桩墙底端的倾覆力矩标准值；

Mpk——作用在桩墙内侧嵌固段上的被动土压力对桩墙底端的倾覆力矩标准值。

因Ka＞1.2，故抗倾覆满足要求。

4.3 整体稳定性计算

基坑整体稳定性采用瑞典条分法计算，应力状态采用总应力法。计算滑动面见图6。

图6 开挖至10.04 m滑动面位置

整体稳定性安全系数

式中：MR——滑动面上土体的抗滑力矩标准值；

MT——各支锚对滑动体的抗滑力矩标准值之和；

Ms——滑动土体的滑动力矩标准值。

因Kz＞1.3，故整体稳定性满足要求。

5 结语

本文对地铁车站附属围护结构首道支撑进行了优化，即在主体结构上增设挡土墙，上提附属结构首道支撑标高并撑于挡土墙上，解决了采用“跳仓”破除地下连续墙施工速度慢、施工缝数量增多，渗漏水隐患大等问题。对优化后的设计方案进行抗倾覆稳定性和基坑整体稳定性验算，结果表明：优化方案稳定性满足要求，具有可实施性，可为相关类似工程提供借鉴和参考。