復(fù)雜地鐵車站格構(gòu)柱托換技術(shù)研究

■ 中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司 孫浩

隨著經(jīng)濟社會的迅猛發(fā)展，地鐵工程建設(shè)方興未艾。地鐵車站基坑常采用明挖法施工，地鐵區(qū)間隧道一般采用盾構(gòu)法施工。隨著車站規(guī)模的增大，地質(zhì)與結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性提高，工期要求也越來越嚴(yán)格。由于工期的不確定性，車站支護結(jié)構(gòu)侵入盾構(gòu)過站范圍內(nèi)的情況愈發(fā)普遍，為滿足區(qū)間洞通節(jié)點，必須對侵入盾構(gòu)過站范圍內(nèi)的支護結(jié)構(gòu)進行托換、割除。如何確保臨時立柱托換后支護體系的安全以及將結(jié)構(gòu)的影響降低，是一個亟須解決的問題。

目前，關(guān)于托換技術(shù)的研究主要有：繆軍采用型鋼托換方式有效解決了逆作法中偏位鋼格構(gòu)柱對正式結(jié)構(gòu)施工的影響[1]；史金洪采取H形臨時支撐體系對既有結(jié)構(gòu)進行加固，采用縱筋穿過樁體及預(yù)留樁頂鋼筋的方法，把既有樁、鋼管柱與托板連成一個整體完成了樁基托換[2]；劉方明介紹了因大盾構(gòu)整體始發(fā)要求，采用鋼梁及鋼管柱體系托換標(biāo)準(zhǔn)站單柱，從以上計算及現(xiàn)場實施效果分析可知，臨時結(jié)構(gòu)托換技術(shù)解決大直徑盾構(gòu)整體始發(fā)對地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響問題是可行的，且臨時結(jié)構(gòu)托換體系對原結(jié)構(gòu)尺寸未產(chǎn)生影響[3]。

本文以徐州地鐵1號線一期工程彭城廣場站臨時格構(gòu)柱托換工程為例，采用結(jié)構(gòu)計算，并結(jié)合現(xiàn)場實測，研究混凝土梁柱托換體系的可行性與安全性。

1.工程背景

1.1 工程概況

彭城廣場站為徐州市軌道交通1號線一期工程的中間站，與2號線換乘，兩線采用換乘廳通道換乘，兩線車站同期實施。本站周邊環(huán)境較為復(fù)雜、地下管線較多，對施工過程變形控制要求高。

圖1 車站支撐平面布置圖

其中，1號線車站采用分離島車站形式，右線和部分左線為地下單層車站，馬蹄形斷面，采用CRD法施工，暗挖斷面跨度為11.5m，高度為10.57m。右線單層車站結(jié)構(gòu)總長136m；左線為地下四層車站，與明挖廳合建，采用明挖順作法施工，為地下四層多柱多跨框架結(jié)構(gòu)。明挖結(jié)構(gòu)外包總長為140m，結(jié)構(gòu)寬度為56.15m。2號線為地下三層明挖島式站臺車站，主體采用半蓋挖順作法施工，車站結(jié)構(gòu)總長為217m，標(biāo)準(zhǔn)段寬為22.9m，結(jié)構(gòu)高位20.35m。1號線左右線車站結(jié)構(gòu)均提供盾構(gòu)過站條件，1號線大里程端提供盾構(gòu)接收，小里程暗挖端頭提供盾構(gòu)始發(fā)（圖1）。

1.2 圍護結(jié)構(gòu)

彭城廣場車站圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐型式形式，圍護結(jié)構(gòu)與車站主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻采用復(fù)合式結(jié)構(gòu)。

其中，1號線明挖廳部分：1號線明挖廳主體基坑長142m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度58m，車站基坑為坑中坑形式，圍護結(jié)構(gòu)采用800mm厚地下連續(xù)墻，支撐共設(shè)置五道C30混凝土支撐，支撐豎向間距為7.2m、6.15m、5.95m、4.6m、6.69m。車站臨時立柱采用600×600格構(gòu)柱，格構(gòu)柱由4L200×20的角鋼+鋼綴板焊接而成，格構(gòu)柱基礎(chǔ)為1200mm鉆孔灌注樁（圖2）。

根據(jù)原工程籌劃，盾構(gòu)過站時1號線明挖廳結(jié)構(gòu)尚未封頂，為滿足始發(fā)工期安排，盾構(gòu)過站時需割除最下層臨時鋼格構(gòu)柱后才能至左線暗挖隧道內(nèi)始發(fā)（圖3）。

圖2 車站圍護結(jié)構(gòu)橫斷面圖

圖3 盾構(gòu)左線線路與格構(gòu)柱平面關(guān)系圖

圖4 托換梁平面布置圖

2.托換方案設(shè)計

2.1 托換體系設(shè)計概述

托換原理使內(nèi)支撐因格構(gòu)柱拆除所產(chǎn)生的附加內(nèi)力通過傳力構(gòu)件傳遞給具有足夠承載力的第三方，從而形成新的受力體系，達到新的受力平衡。

針對車站內(nèi)狹窄場地深大基坑施工難的特點，采用新建換撐結(jié)合原有部分支撐，形成空間組合式支撐，共同抵抗結(jié)構(gòu)豎向力。這種新型換撐體系保留部分原豎向支撐，在空間受力較大的部位新建支撐，與原有支撐共同構(gòu)成穩(wěn)固的空間框架體系，抵抗豎向和水平受力。

2.2 組合式換撐體系設(shè)計方案

平面布置：格構(gòu)柱割除前，首先在負(fù)三層結(jié)構(gòu)中板上施作1200mm（寬）×1500mm（高）鋼筋混凝土托換梁，同時在格構(gòu)柱上焊接鋼牛腿錨入托換梁內(nèi)部，便于鋼筋焊接，且增加格構(gòu)柱與托換梁接觸面積；在負(fù)三層結(jié)構(gòu)中板梁下方增加φ609、t=16mm臨時鋼管柱，充分利用既有結(jié)構(gòu)梁柱體系，形成門式托換組合結(jié)構(gòu)，待托換橫梁養(yǎng)護達到設(shè)計強度后，結(jié)合監(jiān)測結(jié)果進行格構(gòu)柱割除作業(yè)。托換梁平面布置圖，如圖4所示。

截面設(shè)計：托換橫梁上層主筋采用18C28，下層主筋34C32，箍筋為C14@100，全長加密。托換梁受力主筋應(yīng)全部穿過格構(gòu)柱，由于格構(gòu)柱角鋼阻擋穿不過的主筋，采用U型鋼筋焊接繞開格構(gòu)柱，同時擴大跨中梁截面；托換梁澆筑時立柱節(jié)點位置應(yīng)加強混凝土振搗。同時在格構(gòu)柱內(nèi)焊接鋼牛腿，增加格構(gòu)柱與托換梁接觸面積，保證有效傳力。配筋截面與牛腿焊接位置，如圖5所示。

表1 托換梁配筋計算結(jié)果匯總表

為滿足后期結(jié)構(gòu)使用功能，托換梁采用整體切割吊裝方式破除，設(shè)計考慮在橫梁底與負(fù)三層結(jié)構(gòu)面預(yù)留100mm繩鋸切割作業(yè)空間，方便后期破除作業(yè)。

3.托換體系計算

結(jié)構(gòu)計算具體應(yīng)用SAP2000軟件，采用“荷載-結(jié)構(gòu)”模型，按平面桿系有限元法進行配筋計算。

根據(jù)荷載統(tǒng)計，棧橋板下路面板的格構(gòu)柱所受力軸力最大為4991KN。托換梁配筋計算結(jié)果，如表1所示。

格構(gòu)柱托換后，托換梁與鋼管柱為承受豎向力的主要構(gòu)件，為此，僅考慮新支撐體系完成后的施工工況。由計算結(jié)果可知，托換梁強度計算滿足規(guī)范，托換梁撓度計算值f=11.668mm＜L/400=21.375mm滿足規(guī)范要求。托換柱穩(wěn)定滿足要求，強度滿足要求。

4.現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)托換體系與永久結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換過程對板的監(jiān)測要求，在實際施工過程中，對負(fù)三層結(jié)構(gòu)中板豎向位移分別進行監(jiān)測。監(jiān)測到的豎向位移值為8mm，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中3.4.3條規(guī)定，結(jié)構(gòu)允許撓度限值為l/400，約為21.375mm，因此，結(jié)構(gòu)板實際變形滿足規(guī)范要求。另外，根據(jù)裂縫監(jiān)測結(jié)果，負(fù)三層中板上下側(cè)裂縫均未超過0.3mm，也滿足規(guī)范要求。

5.結(jié)語

本文針對盾構(gòu)空推過站時，與臨時鋼立柱發(fā)生空間位置沖突，需要對臨時鋼格構(gòu)柱進行切除、托換的問題進行研究。以徐州地鐵1號線彭城廣場站格構(gòu)柱托換為工程背景，提出了適用于復(fù)雜車站環(huán)境中立柱托換的施工方法，以保證整個支護體系的安全及盾構(gòu)順利過站，其可借鑒的特點及優(yōu)勢在于：一是新建托換梁受力合理、傳力清晰且具有足夠的強度、剛度，托換完成后立柱附加沉降滿足規(guī)范要求；二是施工方便、縮短施工周期；三是合理利用已完成結(jié)構(gòu)板及梁柱體系，在保留原有支撐體系基礎(chǔ)之上，降低工程成本；四是由于托換梁采用的是混凝土結(jié)構(gòu)，在使用階段需將其進行鑿除，鑿除施工時，設(shè)計已在托換梁與負(fù)三層結(jié)構(gòu)面預(yù)留繩鋸操作空間，后期采用進行破除，對永久結(jié)構(gòu)影響相對較小。