论地铁车站深基坑支撑体系优化问题工学论文
摘 要:主要阐述了刘家窑地铁车站明挖基坑内支撑体系中的优化问题,通过对监测数据的分析,综合考虑基坑施工因素,合理选择内支撑形式,从而降低工程造价。
关键词:地铁车站;深基坑;支撑体系优化
北京地铁五号线刘家窑车站在施工明挖结构基坑时,围护结构采用护坡桩结合钢支撑体系,采用钢支撑体系可普遍缩短护坡桩嵌入土层深度,减少整体护坡桩长度,同时采用可重复使用的钢制内支撑配合钻孔护坡桩,封闭内支撑体系与护坡桩挡土结构共同组成稳定空间结构体系,两者共同承受土体约束及荷载作用,使基坑围护结构保持稳定。通过对地铁五号线已经施工完毕的刘家窑车站明挖基坑内支撑体系几个问题的分析,力图寻找合理布设内支撑体系的方式。
1 工程概况
刘家窑车站位于现况南三环路刘家窑立交桥,车站主体结构全长201m,本站南北两端主体结构为地下二层,双柱三跨岛式结构,采用明挖法施工,其中南端长76.3m,北端长49.7m,车站南端设盾构端头井。车站中部75m为单层双柱三跨曲墙拱顶复合衬砌结构,采用暗挖法(CRD工法)施工。
本车站主体明挖结构分为两段,南侧基坑开挖深度为16.7~20.0m,开挖宽度为20.3m,开挖长度为75.7m,采用钻孔灌注桩+内支撑作围护结构;北侧基坑开挖深度为17.5~20.6m,开挖宽度为22.35m,开挖长度为49.8m,采用钻孔灌注桩+内支撑作围护结构,基坑北侧最下一道支撑为预应力锚杆。灌注桩直径600,间距800~1000mm,桩长为19.54~23.82m,桩顶设800×700帽梁,顶面标高为39.0m。帽梁与原状土之间高差部分以1∶1的角度放坡,表面用50mm混凝土抹面支护。桩间采用挂网喷射50mm厚的C20混凝土保持桩间稳定,混凝土喷层内设 6@150×150mm的钢筋网片。
原设计采用沿基坑竖向设三道钢围檩及θ609×14mm的钢支撑(局部深处为四道钢支撑),在端部和角部采用斜撑,支撑较长处中部设θ600钢支撑立柱。
2 支撑体系优化
支撑体系应该方便基坑结构施工,不但达到确保整个施工过程中基坑稳定的目的,还应该便于基坑开挖及后续结构施工作业。
内支撑位置的选择对于结构施工影响加大。如果同一层支撑间距、上下层之间高差较小,或者设置竖向支撑,将直接造成现场无法展开大规模机械施工。现场采用机械施工,不可避免要发生与内支撑架设工序冲突的现象,内支撑架设不及时对于基坑安全影响势必较大。内支撑形式合理与否,直接结果是基坑施工周期延长,工程组织难度加大,基坑风险程度提高。
目前地铁五号线在施的明挖基坑支撑体系大体可以分为两类。一类为:护坡桩结合内支撑体系,如刘家窑车站、灯市口车站、张自忠车站、和平北街车站等;另一类为护坡桩结合锚杆支撑体系,如宋家庄车站、雍和宫车站、土城北路车站。各车站已经完成基坑支护和结构施工,支护均达到预期效果。对比两类基坑施工操作中的问题可以发现。
内支撑体系严重干扰土建结构施工,并且存在诸多后续问题。作为临时支护结构的内支撑对后续永久结构的施工有较大影响,尤其是防水卷材、钢筋等的搭接空间,施工缝设置以及结构砼浇筑质量。
在目前采用内支撑体系的基坑开挖土方作业中,施工单位为达到机械施工目的,均有开挖土方与架设支撑冲突矛盾,按照设计的支撑间距、高度要求则无法满足机械施工作业面,因此普遍出现施工中架设支撑时间远远滞后于土方开挖,事实上增大了基坑安全隐患,存在冒险施工的现象。另一方面,不得不说是内支撑体系限制了机械施工。支撑位置在考虑基坑安全计算要求的前提下,内支撑围檩托架位置需要接近永久结构梁板位置,限制住了施工缝位置,该部位集中布置防水、钢筋等,造成防水卷材搭接长度与钢筋预留接驳器位置重合,卷材搭接长度及搭接施工质量保证难度大大加大,如果采用锚杆体系,可以确保防水接茬任意布置,远离钢筋、施工缝,可以保证理想的防水效果。内支撑接近梁板,尤其是平面位置与结构柱重合,在梁柱施工中避让支撑,结构钢筋预留位置无法完全确保结构要求的钢筋锚固长度,造成临时结构体系影响永久结构物的质量。内支撑体系要求在基坑内部设置环状围檩,围檩的设置与永久结构侧墙位置重合,由于支撑位置限制施工缝,侧墙浇筑高度一般在支撑下方1m左右,在满足钢筋连接要求下,砼浇筑时,由于钢筋顶在支撑下方,操作人员无法下到墙体内部进行振捣,砼的灌注位置只能在模板上端,砼浇筑落差大,离析现象难以避免,结构浇筑后的实体质量无法保障。对照锚杆支撑体系,上述问题完全可以避免。
如果设置内支撑,在确保基坑稳定的前提下,各层支撑设在永久结构各层梁板的上方80cm以外较为合理,这样能够确保接缝各工序施工质量及操作空间。通过计算和研究分析,内支撑采用I488型钢作为支撑杆件,支撑位置在基坑-1m、-8m、-11m处,局部在-14m增了第四支撑,同层支撑间距3m,从而保证了施工操作空间和各工序的施工质量。
3 支撑体系施工
由于该基坑为明、暗挖结合车站,明挖基坑与暗挖车站之间结合部位处理非常关键,直接影响不同形式的防水、明暗挖结构处理等的施工。在本次施工中就出现内支撑及支撑托架与暗挖初支长管棚位置冲突、与结构侧墙防水、钢筋冲突等问题。
该车站采用I488作为支撑杆件和围檩,通过统一支撑杆件与围檩的材料形式,减少现场二次加工工作量,利于承包单位采购、加工。I488支撑结构断面匹配较为合理,内支撑体系整体性得到加强。部分地铁车站选择钢管作为支撑杆件,截面抗压模量等优于I字型钢,但围檩高度势必加大,增大围檩自身荷载,内支撑整体性降低。
为加大I字型钢的抗压模量,该车站通过在支撑杆件增设I字型钢之间的连接角钢,将两个I字型钢组装成单一杆件,加大了支撑的截面面积,通过计算也满足了压杆稳定的要求。
基坑土方开挖前通过千斤顶施加支撑轴力,千斤顶对称布置在杆件两侧,统一按给定数值施加轴力,避免杆件偏压造成扭曲。角部支撑的牛腿施工时必须考虑施加轴力的作业面,确保斜向布置支撑两侧有顶进设备的工作面。该基坑锁定支撑轴力采用特制钢楔,钢楔与支撑、牛腿相互焊接固定。但由于钢楔采用捶击,人员的操作力度差别较大,千斤顶稳压数据与最终钢楔锁定数据误差范围在10%。基坑监测数据表明,虽然开始轴力有一定偏差,但最终同一层支撑轴力之间差距不大。分析该现象是由于护坡桩受压后产生不同变形,最终形成整体稳定。
由于受基坑内现况管线改移影响,基坑开挖至基坑底历时3个月。土方开挖、基坑内支撑架设经历了雨季的考验,自2004年6~7月底北京市有几场连续降雨,降雨量较大,造成土方开挖几次中断,并且受到场地条件限制无法及时架设内支撑,该基坑基本经历了最不利的受力状态,基坑施工顺利完成。
4 监测数据分析
通过施工过程中各种监测数据分析、了解内支撑体系与基坑变形之间关系,顺利完成结构施工,可以判断该支撑体系稳定(见表1)。
根据各项数据变化趋势可以判定:
(1) 地表沉降、桩顶位移等变化不仅仅受土方开挖深度影响,并且受地表温度、土体含水量等影响,观测结果表明部分数值变化出现反弹。当地表温度升高时桩顶位移呈现暂时升高,但温度对于基坑变形影响较小。结合气候情况记录,明显发现降雨对于基坑变形影响非常明显,降雨前后基坑变形普遍变化约1.0~1.6mm。由于该基坑在雨季采用分块局部开挖,缩小单独施工段的面积,做到了可以较为及时的完成内支撑,基坑变形较小;
(2) 内支撑对于围护结构变形的约束作用明显,通过观察施工内支撑前后期现场θ600护坡桩变形,发现护坡桩受内支撑约束较大,前后期护坡桩变形明显,对比θ600与内支撑体系对于基坑稳定作用,内支撑体系相对作用较为重要;
(3) 孔护坡桩变形最大位置不完全与埋深对应,4个测斜管数据表明,变形最大位置分别在7.5m、-10m、-11.5m、-11m,对照相应位置三层钢支撑轴力分别为54.87t、208.8t、105.5t;13.69t、70.63t、59.81t;66.03t、29.21t、59.81t;29.06t、111.1t、128.37t。由于施工中支撑顶加轴力的施工损耗衰减,锁定支撑时轴力相差较小,但基坑稳定后轴力均存在较大变化,同一轴线位置的三层支撑在第二层、第三层均监测到较大轴力,并且出现第三层支撑轴力比第二层轴力大的情况。基坑计算模型在第二层应该出现较大轴力。分析现场监测数据与计算模型不完全一致的原因与护坡桩的垂直度施工偏差有关。在护坡桩斜向基坑外侧及内侧时,变形程度不同时,相应位置的支撑所受压力变化较大。现场对照护坡桩垂直度、变形位置与轴力监测数据对比分析,能够判定同一层轴力较大处与护坡桩变形突出的位置基本对应;
(4) 角部支撑轴力要远大于直线段对撑,验证了基坑角度受力较大的计算模型,符合基坑计算模型。
基坑监测实际数值与设计警戒值差距较大,一方面体现了支撑体系安全;另一方面说明该支撑体系与设计受力状态有较大距离,没有达到支撑体系经济性目的,尚有较大的安全余量。
5 经济分析
合理选择内支撑与围护结构形式可以达到降低工程造价的目的。作为挡土的护坡桩截面选择直接影响内支撑的架设密度。
该车站采用 θ600护坡桩,间距0.8~1.0m。由于桩身长细比过大,采用均匀配筋。通过对比相同长度 θ800护坡桩的造价分析,两者造价差距较小。而且θ800护坡桩设计较为合理, θ800护坡桩间距一般控制在1.2m,桩距加大,并且通过配筋调整完全可以将造价控制在同一水平。但由于θ800桩体自身刚度增大,内支撑数量可以减少,实际情况将降低工程造价。并且θ800护坡桩的施工误差较θ600护坡桩好控制。
基坑围护结构选定时,不但要考虑围护结构的造价,还要考虑围护结构相关工序的造价影响,确保整体围护结构造价的降低。地铁五号线部分车站采用锚杆配合护坡桩的形式,实际证明由于可以采用规模化的机械化施工,方便了承包单位施工组织,普遍加快了施工进度,通过雍和宫车站等基坑的实际测算,工程总体造价得到了较好的控制。
在基坑与结构平面综合时应该考虑的施工工艺、工法、结构缝等因素。刘家窑、张自忠等明挖结合暗挖的车站,明暗挖结合部位都设置在基坑护坡桩位置。由于暗挖断面与明挖断面不同,结构厚度、配筋位置等均不相同,在护坡桩狭小位置进行结构断面、配筋等的转换对于防水等地下工程的关键工序质量保障难度非常大。刘家窑预先在围护结构中处理了附属工程结构缝位置,事实效果非常明显。如果将暗挖与明挖结合位置向明挖段延伸,在施工明挖结构时预先完成一段暗挖结构,对于不同防水结构形式、断面形式的结构搭接具有明显的意义,可以解决明挖、暗挖结合部的一系列设计、施工难题,避免了结合部位配筋等调整。并且投资造价基本没有较大变化。
由于国内目前建设地铁的地域差别,南北城市之间的基坑做法受到各自地质情况影响,均有一定的常规、经验做法,内支撑体系对于含水量较大土层有其必要性,对于北方普遍土层含水量较小、地下水位较低的基坑支护,是否必要采用内支撑体系,可进一步研究,即使采用内支撑体系,也可结合锚杆等支撑形式进行优化。并且不同地区承包单位也积累了一定支撑材料,施工中选择利用承包单位现有材料,对于总体造价的降低有一定的积极作用。内支撑体系对于土建施工干扰较大,且材料形式变化对于承包单位一次性投入较大。
6 结束语
合理的支撑体系是影响深基坑安全性、经济性的关键,通过该基坑围护结构监测数据整理、分析,提出合理的基坑围护结构选择,在确保安全性的前提下,减少对结构施工影响,降低工程造价,还应注意地域差别,尊重不同地区的成熟工艺。针对北京市土层状况,在条件允许的情况下,建议推广锚杆结合护坡桩的深基坑围护体系。
参考文献:
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