松山湖地鐵車站深基坑擴(kuò)挖換撐新技術(shù)

林光穩(wěn)，雍 毅，李 鍇

(1.中交第一公路工程局廈門工程有限公司，福建廈門 361021;2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

0 引言

在城市深基坑的開挖與支護(hù)工程中，由于道路、地下管線、建筑物等緊鄰基坑，為確保附近管線、構(gòu)筑物及周邊道路行車安全，需對基坑開挖和支護(hù)過程采取切實(shí)可行的技術(shù)方案。對此，文獻(xiàn)［1］結(jié)合施工現(xiàn)場實(shí)際工況對支撐體系進(jìn)行了優(yōu)化，取消了首層腰梁的施工與破除工序;文獻(xiàn)［2－4］從基坑的穩(wěn)定性和變形方面進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)［5－7］對基坑的監(jiān)測布點(diǎn)進(jìn)行分析。以上研究主要針對已有基坑的開挖與支護(hù)方案而言，但是在已有深基坑基礎(chǔ)上進(jìn)行加寬、加長，從而對基坑的內(nèi)支撐體系進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整的工程卻并不多見。松山湖車站是廣東省東莞至惠州城際軌道交通項(xiàng)目的明挖地下車站，因車站設(shè)計(jì)方案變更調(diào)整，整個(gè)車站基坑需在原基礎(chǔ)上進(jìn)行加寬、加長后，才能滿足新標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。為保證深基坑擴(kuò)挖換撐施工安全，制訂了深基坑擴(kuò)挖換撐施工技術(shù)新方案，并對擴(kuò)建基坑和內(nèi)支撐拆換施工過程進(jìn)行了監(jiān)測。

1 工程概況

松山湖車站位于松山湖大道和新城路十字路口西側(cè)，沿松山湖大道偏新城路口設(shè)置。車站的工程地質(zhì)主要為素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化混合片麻巖、強(qiáng)風(fēng)化混合片麻巖和弱風(fēng)化混合片麻巖。

車站為地下2層，島式站臺，車站原設(shè)計(jì)中心里程為 DK32+927.303，軌面高程為 1.632，基坑長237.1 m，寬21.5 ～27.0 m，基坑深18.88 ～20.93 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 200@1 300鉆孔樁+φ600旋噴樁樁間止水?；觾?nèi)設(shè)置內(nèi)支撐體系，豎向設(shè)3道內(nèi)支撐，內(nèi)支撐采用第1道600×1 200的鋼筋混凝土支撐，水平間距約9.0 m，其余采用 φ600，t=16 鋼管支撐，水平間距約3.0 m;車站兩端斜撐處設(shè)臨時(shí)中立柱，臨時(shí)中立柱由4根角鋼靠綴板連接而成。由于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生調(diào)整，需對原有車站進(jìn)行改造，改造后的新基坑長度調(diào)整為305.5 m，寬度調(diào)整為 30.44 ～ 35.94 m，深度調(diào)整為18.5 ～22.0 m。

2 擴(kuò)挖換撐技術(shù)方案設(shè)計(jì)

按原車站方案，基坑已開挖至基底且鋼支撐已架設(shè)完成。因設(shè)計(jì)方案調(diào)整，整個(gè)車站原基坑需進(jìn)行加寬、加長，原基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)需改造西北(加長段)、西南側(cè)(加寬段)圍護(hù)樁，同時(shí)在基坑擴(kuò)挖過程中，為了保證基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需對原基坑內(nèi)的鋼支撐進(jìn)行換撐，同時(shí)考慮到新基坑加寬了6 m左右，基坑內(nèi)的第1道混凝土支撐及基坑內(nèi)的鋼支撐彎矩、撓度、內(nèi)力比原基坑會增大，因此新基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保留了需破除的原圍護(hù)結(jié)構(gòu)的部分鉆孔灌注作為臨時(shí)中立柱，同時(shí)將原基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)由原來的3道鋼支撐增設(shè)至4道鋼支撐，以保證整個(gè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

基坑擴(kuò)挖換撐施工流程步驟如下:1)先施作擴(kuò)建基坑圍護(hù)樁及冠梁;2)植筋接長第1道混凝土支撐，開挖擴(kuò)建基坑，保留原有冠梁及部分圍護(hù)樁(作為臨時(shí)立柱)，其余圍護(hù)樁隨開挖鑿除;3)開挖到新基坑支撐設(shè)計(jì)標(biāo)高處架設(shè)第2道支撐，之后拆除原基坑的第2道支撐(新支撐比原支撐高1.4 m左右);4)以此類推開挖，并增設(shè)第4道鋼支撐，開挖至基坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高。車站改造前后平面圖見圖1，改造前后擴(kuò)挖換撐剖面見圖2。

3 理論計(jì)算與分析

由于新圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工需改造西北、西南側(cè)圍護(hù)樁及在基坑開挖過程中需對基坑內(nèi)支撐的受力體系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，受力體系較為復(fù)雜，為了在施工過程中掌握基坑圍護(hù)支撐體系的變形及內(nèi)力情況，判斷基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)，運(yùn)用理正深基坑支護(hù)6.0 PB1軟件，將主動側(cè)土體簡化成主動土壓力，被動側(cè)土體(開挖面以下)簡化為水平彈簧，支護(hù)結(jié)構(gòu)(樁、立柱、內(nèi)撐、斜撐、冠梁及腰梁)剖分成有限單元進(jìn)行整體建模計(jì)算，完成了混凝土支撐梁的內(nèi)力、位移和內(nèi)支撐的軸力計(jì)算。

3.1 巖土參數(shù)

見表1。

3.2 計(jì)算模型

見圖3。

3.3 計(jì)算結(jié)果

1)換撐前后混凝土支撐梁位移比較?；炷林瘟阂话阕鳛榛拥牡?道支撐，以保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，換撐前后混凝土支撐梁的位移比較見圖4。

2)擴(kuò)挖換撐前后混凝土支撐梁內(nèi)力比較。見圖5。

圖1 車站改造前后平面圖(單位:m)Fig.1 Plan layout of Metro station(m)

表1 巖土參數(shù)表Table 1 Geotechnical parameters

3)換撐后內(nèi)支撐軸力情況。換撐后混凝土支撐最大支撐軸力為1 045.4 kN，小于原設(shè)計(jì)安全報(bào)警值1 307 kN。換撐后鋼支撐最大支撐軸力位于第3道內(nèi)支撐斜撐處，最大值為1 200.013 kN，小于原設(shè)計(jì)安全報(bào)警值1 520 kN。

4)換撐前后混凝土支撐梁內(nèi)力和位移比較見表2。通過理論計(jì)算表明，深基坑換撐后支撐梁內(nèi)力和位移比換撐前略微增大，但都小于設(shè)計(jì)［8］和規(guī)范［9］允許值，鋼支撐軸力也小于原設(shè)計(jì)安全報(bào)警值，該換撐方案從理論上基本安全可行。

表2 混凝土支撐梁內(nèi)力和位移比較Table 2 Internal force and displacement of concrete support beam

5)臨時(shí)中立柱穩(wěn)定性分析?；觾?nèi)部設(shè)置水平支撐的工程，一般需要設(shè)置豎向支承系統(tǒng)，用以承受混凝土支撐梁和鋼支撐的自重等荷載。而基坑豎向支承系統(tǒng)目前采用較多的是角鋼格構(gòu)柱(因其構(gòu)造簡單，便于加工且承載力較大)，即臨時(shí)中立柱，并通過架設(shè)縱向聯(lián)系梁與混凝土支撐和鋼支撐連接，形成共同受力。在深基坑施工中，臨時(shí)中立柱是基坑實(shí)施期間的關(guān)鍵構(gòu)件，臨時(shí)中立柱的可能破壞形式有強(qiáng)度破壞、整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)等幾種，一般情況下，整體失穩(wěn)破壞是臨時(shí)中立柱的主要破壞形式，強(qiáng)度破壞只可能是在其截面有削弱的條件下發(fā)生。因此，需要通過合理的布置臨時(shí)中立柱的間距，以避免立柱上的荷載超過立柱的臨界荷載而發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。臨時(shí)中立柱是由4根角鋼組成的，角鋼之間由由綴板連接而成，臨時(shí)中立柱水平剖面如圖6所示。

圖6 臨時(shí)中立柱橫剖面詳圖(單位:mm)Fig.6 Profile of temporary intermediate column(mm)

原方案已有臨時(shí)中立柱長28.7 m(s=295.6﹥p=100)，為細(xì)長桿，該立柱可用歐拉公式［10］計(jì)算臨界應(yīng)力

臨時(shí)中立柱的布置間距為6 m時(shí)，有限元計(jì)算臨時(shí)中立柱LZ－6承受的最大荷載為282.04 kN，而立柱的臨界應(yīng)力為395.28 kN ＞282.04 kN，因此，立柱的穩(wěn)定性滿足要求。

按擴(kuò)挖換撐方案施工時(shí)，保留部分原圍護(hù)樁作為臨時(shí)中立柱承擔(dān)安全儲備較大，因而不再對其進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。保留圍護(hù)樁作為臨時(shí)中立柱的布置間距主要依據(jù)原混凝土支撐梁之間的間距，原混凝土支撐梁通過植筋接長成為新的混凝土支撐梁后，混凝土支撐梁的荷載增加較多，且考慮植筋處結(jié)構(gòu)連接比較薄弱，因而，保留每道混凝土支撐梁附近的圍護(hù)樁作為新的臨時(shí)中立柱，以確保結(jié)構(gòu)安全。

4 擴(kuò)挖換撐施工技術(shù)要點(diǎn)

1)先施作擴(kuò)建基坑圍護(hù)樁及冠梁。

2)植筋接長第1道混凝土支撐梁，開挖擴(kuò)建基坑，保留原有冠梁及部分圍護(hù)樁(作為臨時(shí)立柱)，其余圍護(hù)樁隨開挖鑿除?；炷林沃步钸B接見圖7。

3)在開挖鑿除過程中，在鋼支撐的上部掛設(shè)安全防護(hù)網(wǎng)，防止在鑿樁過程中，鑿除的混凝土掉落到鋼支撐上，造成鋼支撐受力發(fā)生變化，影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全。

4)開挖到新基坑支撐設(shè)計(jì)標(biāo)高處架設(shè)第2道支撐(新支撐比原支撐高1.4 m左右)，連續(xù)觀察新老支撐的軸力變化情況，穩(wěn)定之后拆除原基坑的第2道支撐，完成第2道鋼支撐的受力體系轉(zhuǎn)化。擴(kuò)挖換撐現(xiàn)場施工見圖8。

5)以此類推開挖，并增設(shè)第4道鋼支撐，開挖至基坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高。

6)在新老基坑擴(kuò)挖換撐的過程，必須加強(qiáng)基坑的監(jiān)控量測工作，隨時(shí)將測試結(jié)果與設(shè)計(jì)及上述的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

圖8 擴(kuò)挖換撐現(xiàn)場施工圖Fig.8 Enlarging and support-replacing of foundation pit

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋

該車站換撐監(jiān)控量測成果見表3，監(jiān)測結(jié)果表明，現(xiàn)場深基坑采用擴(kuò)挖換撐方案組織施工是安全可靠的，滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 車站換撐監(jiān)控量測成果Table 3 Monitoring results

目前，該車站大部分主結(jié)構(gòu)已施工完畢，從擴(kuò)挖換撐各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析來看，整個(gè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐受力體系轉(zhuǎn)換平穩(wěn)，各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)均小于設(shè)計(jì)允許值，與模擬計(jì)算結(jié)果基本吻合，基坑處于穩(wěn)定可控狀態(tài)，說明該換撐方案切實(shí)可行。

6 結(jié)論與討論

1)在車站換撐方案施工中，保留原部分鉆孔灌注樁作為臨時(shí)中立柱，通過縱向聯(lián)系梁讓支撐和臨時(shí)中立柱連接成整體，不僅保證了支撐的穩(wěn)定性和基坑的安全要求，還避免了另外采取其他加固措施加固支撐的費(fèi)用，合理地利用了廢舊的樁基，降低了改造的成本。

2)在鋼支撐施工中采取了先架設(shè)好新建支撐，再拆除原支撐的做法，實(shí)現(xiàn)了基坑受力體系的安全轉(zhuǎn)換。

總之，在基坑擴(kuò)挖換撐過程中，只有結(jié)合工程實(shí)際，通過理論分析，掌握基坑擴(kuò)挖換撐過程中的受力體系變化情況，在施工過程中采取切實(shí)可行的施工安全技術(shù)措施，同時(shí)加強(qiáng)施工過程中的監(jiān)控量測，才能實(shí)現(xiàn)基坑擴(kuò)挖換撐受力體系的安全轉(zhuǎn)換，從而確保工程施工安全。

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