成都地铁16号线锦城广场站深基坑施工换撑优化分析

何 凤, 苏 波, 张俊彦

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川成都 610072)

1 工程概况

锦城广场综合换乘服务中心项目位于成都市高新南区大魔方南侧，绕城高速北侧，西临环球中心，东临科华南路，是目前成都市体现中优战略思想建设规模最大的城市地下空间开发项目。

项目占地面积约1.9×105m2，总建筑面积约27万m2(含代建地铁部分约5.5万m2)，涵盖轨道交通16、18、29号线三线换乘车站、社会车辆停车场、电动公交停车场、政务服务分中心、城市候机厅、地面配套景观绿化、配套服务设施，为在建的地铁18号线天府国际机场专线，待建的地铁16、29号线提供综合换乘配套服务。其中16号线锦城广场站区间段为项目公共交通预留设施工程的一部分，位于地下停车场和下沉广场下方地下三层，左右两线均位于曲线段上，标准段宽度15～25m，区间段采用两跨闭合框架结构，车站范围采用两柱三跨闭合框架结构，底板埋深24～28m。

1.1 地质情况

基坑开挖深度范围内主要有<3-8-3>卵石土、<5-1-2>强风化泥岩、<5-1-3>中风化泥岩。P+R基底位于卵石层、16号线基底位于中风化泥岩，泥质结构，中厚层状构造，产状平缓，节理、裂隙较发育，岩体较完整～完整，岩体属含石膏地层，岩面可见灰绿色斑点或条带，岩体中夹斑点状、条带状及团块状石膏，局部夹芒硝，局部岩体在地下水的作用下差异风化夹层比较发育，岩体呈碎裂结构，碎块状、角砾状构造，岩体风化呈碎块状、局部风化呈半岩半土状，岩芯遇水易软化，失水崩解，岩质软～较软，岩土施工工程分级为Ⅳ级软质岩。

1.2 设计概况

本区间为16号线锦城广场站至心岛站明挖区间的南半段。区间上部停车场等为地下二层框架结构，其底板为16号线区间顶板，框架柱采用1.5m厚板转换。本段围护结构采用桩+内支撑的支护形式。围护桩设计长度约12.5～17.9m，直径1.2m，桩身混凝土强度C45(水下混凝土，抗渗等级P12)。钢支撑采用壁厚16mm，直径609mm的钢管，钢支撑及换撑间距为3m。其中，16-1～16-4轴第一道钢支撑中心标高为474.5m，16-4～16-20轴第一道钢支撑中心标高为475.8m,钢支撑换撑中心标高为473.0m钢围檩采用双拼普通热轧45c工字钢焊接而成。图1为16号线明挖区间典型断面。

格构柱采用4根等边角钢与钢板焊接而成，边长640mm，以抗浮桩作为格构柱基础，并插入抗浮桩3.5m。水平联系梁采用2根40c槽钢与钢缀板焊接于格构柱两侧，作为钢支撑的竖向支撑。

2 优化原因

2.1 原换撑方案工况

(1)施工基坑围护桩、抗浮桩、立柱桩。

(2)施工桩顶冠梁、场平地面硬化、截水沟、排水沟等，开挖基坑至第一道支撑处。

(3)架设第一道钢支撑，后分层、分段开挖至坑底。

(4)施做底板垫层、防水层，分层施做底板、侧墙及中隔墙。

(5)待结构达到设计强度后，架设钢支撑对位换撑。

(6)拆除第一道钢支撑，敷设侧墙防水层，施工剩余结构。待区间顶板结构达到设计强度后拆除钢支撑换撑。如图2所示。

2.2 原换撑方案缺点

2.2.1 施工工期长

以16号线明挖区间施工缝划分的一段为例，考虑换撑，则需要待侧墙及中隔墙的混凝土强度达到75 %后，方才可进行换撑工作，混凝土凝期内无法施做后续工序，等待工期约14d；待凝期达到后，先拆除部分换撑区域原有已升起的支撑架体后再进行换撑施工，拆除时间3～5d，换撑时间为5d，施加预应力为1天，总计换撑时间约11d，换撑完毕后方可进行下部架管的搭设，考虑穿插施工，架管施工工期5d，因此每段施工工期可节省14+11+5=30d。

图1 16号线明挖区间典型断面

(a)第一层土石方开挖

2.2.2 施工难度大

后期顶板封闭后方可进行换撑拆除，现场拆除施工较为困难。需在换撑前，在顶板预留换撑挂件，下放换撑钢管精度控制要求高，一旦前期预留工作未精确定位，后期调整较困难[1]。

2.2.3 存在安全隐患

钢支撑直径609mm的钢管，换撑后的满堂支撑架需避让钢支撑，因此在有钢支撑换撑的地方部分架体存在不连续的情况，为顶板浇筑混凝土留下安全隐患[2]。

3 换撑优化及安全性验证

3.1 换撑优化方案

原则上，综合考虑在原支撑体系布置形式上进行加密。采用盘扣式满堂支撑架与扣件式对顶钢管组合形成的支撑体系替换φ609×16mm钢支撑换撑，将扣件式对顶钢管采用60转48直角扣件锁定于盘扣式满堂支撑架立杆上，确保侧墙混凝土浇筑安全及基坑安全。详细搭设参数表如表1所示。

表1 搭设参数

3.2 换撑优化数值模拟

3.2.1MidasCivil数值模拟

采用MidasCivil建立空间有限元模型，模型中均为梁单元，围护桩用D1.2m截面模拟，支撑架立杆用φ60×3.2mm钢管，水平杆用φ48×3.0mm，材质为Q235。计算中认为侧墙压力由所有水平支撑架杆件承受，单根围护桩对应纵向3排杆(立杆间距60cm)承受，模型纵向建立3m范围，对应6排杆件，两根围护桩，模型共1 646个节点，3 355个单元。

本报告采用MidasCivil建立空间有限元模型，模型中均为梁单元，围护桩用D=1.2m截面模拟，支撑架立杆用φ60×3.2mm钢管，水平杆用φ48×3.0mm，材质为Q235。计算中认为侧墙压力由所有水平支撑架杆件承受，单根围护桩对应纵向3排杆(立杆间距60cm)承受，模型纵向建立3m范围，对应6排杆件，两根围护桩，模型共1 646个节点，3 355个单元。

图3 Midas Civil 整体计算模型

3.2.2 计算结果分析

(1)结构的位移。结构在活载作用下水平杆轴向压缩位移1.8mm。

(2)水平杆的内力。在最不利基本组合作用下，水平杆最大轴力为38.4kN。

(3)水平杆件稳定性验算(表2)。恒载+活载作用下水平杆轴心受压最大轴力为38.4kN(发生在中部)。

安全系数K=1.34>1，水平杆件的受压稳定性满足要求。

(4)换撑的稳定验算(表3)。原设计采用φ609×16钢管，钢管长度约10m，计算长度系数可近似按两端铰接考虑。

按设计反力计算，安全系数K=2.77>1，结构处于安全。

3.3 监测反馈

3.3.1 监测方案

本次支撑架体稳定性监测系统主要包括：自动化传感器测试信号采集分析与控制系统；数据存储与管理子系统；结构状态与安全评估子系统；用户界面子系统。其核心自动化传感器测试信号采集分析与控制系统包括三大模块：①传感器模块；② 数据采集与传输模块；③数据处理与控制模块。其传感器布置如图4所示。

在16号线明挖区间一截面上布置水平轴力监测点5处，竖向轴力监测点1处(由于顶板未浇筑，暂不纳入监测数据分析)，位移监测点2处。

表2 水平杆轴心受压稳定验算

表3 原换撑钢管受压稳定验算

图4 轴力及位移监测布置示意

3.3.2 监测数据

依据本项目公共交通预留设施子项地铁16号线明挖区间换撑优化数值模拟计算，计算杆件测试参数的阀值。按照构件在恒载+活载最不利荷载组合下，水平杆件的强度应力为38.4kN，最不利控制值阀值取为30.8kN。按照构件在恒载+活载最不利荷载组合下，水平杆件的水平位移为1.8mm，最不利控制值阀值取为1.4mm。监测数据中，应变正值表示拉应变，负值表示压应变；位移正值表示向外倾斜，负值表示向内倾斜。

图5 检测数据

图6 位移监测数据

经过以上检测结果反分析及Midas数值模拟计算可知，采用满堂支撑架配合扣件式对顶钢管替代φ609×16mm钢管，稳定性满足要求，围护结构及支撑架体是安全可靠的。

4 工期与经济效益分析

16号线明挖区间段共计7段，综合考虑侧墙及中隔墙的混凝土强度龄期问题、拆换撑施工时间、施加轴力时间；换撑优化方案在不施工钢支撑换撑的同时，仅增加了扣件式对顶钢管支撑施工时间，而该施工时间可穿插于原有盘扣式满堂支撑体系施工中。因此，换撑优化方案相较原有换撑施工方案每流水段可节省工期30d。考虑流水间穿插时间约15d，16号线明挖区间段可节省工期120d。

16号线明挖区间段钢支撑换撑共计104道，其安装、租赁、吊装费用共计约63.5万元，而采用换撑优化方案仅增加扣件式对顶钢管约50 247.9m，其安装、租赁费用共计约34.8万元，预估经济效益约28.7万元。

5 结束语

考虑基坑稳定要求，通常在地铁车站设计中采用换撑来进行支护，但换撑技术要求高，工期长。在确保安全，方案通过相关验算，加强支撑架体及基坑监测的条件下，采用满堂支撑架配合扣件式对顶钢管替代传统钢支撑，可加快施工进度，取得明显的经济效益。

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