某換乘站混凝土支撐節點開裂處理措施

宗 晴，熊 竺

(中鐵四院集團西南勘察設計有限公司，云南昆明 650206)

1 工程概況

該站為某市軌道交通工程2號線與3號線的十字換乘站，車站位于北京路與東風東路十字路口下方。2號線車站沿北京路南北向布設，3號線車站沿東風路東西向布設，2號線車站為地下兩層島式車站，3號線車站為地下三層島式車站，車站設置聯絡線。車站處于繁華的北京路與東風路十字路口，兩側已建建筑物密集，主要建筑有西北側震莊賓館，東北側中國電信辦公大樓，東南側金格購物中心，西南側工人文化宮。北京路道路紅線寬度40 m，東風東路道路紅線寬度50 m，道路狹窄，交通流量大，車站施工難度大(圖1、圖2)。

圖1 車站剖面效果圖(圖左為北)

圖2 車站總平面(圖上為北)

車站頂板以上覆土約為3.5 m，車站結構從上至下穿越的地層依次為填土、粉質黏土、圓礫、粉砂與粉土的互層，局部夾雜有泥炭質土，2號線車站底板位于粉砂層，3號線車站底板位于粉土層。場地范圍內的地下水位較高，根據地質詳勘報告，地下水位位于地面以下約2 m，施工過程中采用坑內降水井進行降水。

2 圍護結構設計

由于施工期間必須保證北京路南北向的通行，先期圍擋北京路東側半幅，施工2號線車站東側的蓋挖逆做頂板。之后，將施工區域東西向交通向東風廣場導改，整個車站剩余部分采用明挖法施工。

車站主體基坑平面面積約為20 308 m2，基坑最大深度為25.2 m，寬度最大約為90 m，圍護結構采用連續墻，其中2號線部分墻厚為800 mm，3號線及聯絡線部分墻厚為1 000 mm。由于基坑是一個較大的異形基坑［3，4］，基坑深度較深，且支撐體系的受力情況較復雜［1，2］，除2號線標準段、3號線位于北京路最東側和最西側的部分以及3號線負三層部分采用φ609 mm，t=16 mm鋼支撐外，其余部分均采用混凝土支撐［8］，混凝土支撐利用部分永臨結合φ609 mm，t=16 mm鋼管結構柱(灌注混凝土)以及臨時設置的φ609 mm，t=16 mm鋼管柱(黃沙填充)節點進行連接(圖3、圖4)。

支撐采用C30鋼筋混凝土現澆，第1道支撐截面為800 mm(寬)×800 mm(高)，第2道支撐截面為800 mm(寬)×1 000 mm(高)，第3道支撐截面為800 mm(高)×1 200 mm(高)，各支撐軸力設計值見表1(鋼支撐間距為3 m，混凝土支撐間距為8 m)。

圖3 第1道混凝土支撐平面布置圖(局部)

圖4 第2、3道混凝土支撐平面布置(局部)

表1 支撐軸力設計值kN

3 混凝土支撐節點設計

由于城市地下空間開發的原因，為避免對地下環境的污染，不適合采用連續墻+鋼絞線錨索或樁+鋼絞線錨索的支護方案，對于類似本站的大型不規則深基坑，基坑寬度較大，鋼支撐的使用受到限制，因此采用混凝土內支撐支護是較為可行的支護方案，整個支撐系統的穩定性較好，基坑施工安全性較高。本車站主體圍護結構混凝土支撐節點根據受力情況以及支撐的布置情況設計了“一”字形、“十”字形(T字形)以及“*”形節點。“一”字形節點未對節點區進行加腋處理;“十”字形以及“*”形節點在節點區均設置了加腋，如圖5所示。

圖5 “十”字、“*”字形節點

4 混凝土支撐節點開裂原因分析及處理措施

在先期完成位于北京路的2號線東側半幅蓋挖逆做工程以及位于東風東路的3號線東側部分結構之后，車站全面進入全明挖施工。施工過程中，施工單位及第三方監測單位均進行了監測。在土方開挖過程中，當車站3號線部分開挖至基底時，監測得到的第3道混凝土支撐(800 mm×1 200 mm)的最大軸力為8 800 kN，約為設計軸力最大值的73%，第2道混凝土支撐(800 mm×1 000 mm)的最大軸力為5 000 kN，約為設計軸力最大值的74%。通過監測，連續墻的變形也在設計允許的范圍之內，整個基坑的支撐系統是安全可靠的(圖6)。

圖6 施工中的車站深基坑(左上角為北)

到2012年5月底，該站3號線部分的負三層底板(采用鋼支撐)及負二層中板施工完畢后，整個明挖施工區域近似于一個兩層的地下車站，設置有3道混凝土支撐。按照施工單位的施工流水，此時從車站3號線部分的西側向東側((12)軸～○26軸方向)分段施工車站的負一層中板和頂板。由于車站的3號線部分從西向東，基坑的寬度越來越大，因此，混凝土支撐從(12)軸開始設置。施工負一層中板時，需鑿除第3道混凝土支撐。施工單位采用了大型機械(炮錘)進行破除。2012年6月20日，當第(14)軸(該處的基坑寬度達到35.2 m)的第3道混凝土支撐被機械斷開卸載后，位于(12)軸兩側的2根混凝土支撐，在南端與鋼管柱的節點位置出現較大裂紋，節點位置混凝土保護層剝離，支撐鋼筋裸露。2012年6月21日晚，由于裂紋不斷發展，施工單位及時向業主及設計方進行了通報，設計方趕赴現場進行查驗。首先出現破壞的節點見圖4中標注，破壞的結果如圖7所示。

圖7 第2道混凝土支撐“一”字形節點擠壓破壞

4.1 開裂原因分析

通過對施工方軸力監測數據的分析［6，10］以及現場觀察，判定節點發生開裂是由于第3道支撐拆除后導致第2道支撐軸力增大，在瞬間增大的軸力作用下，第2道混凝土支撐與鋼管柱的連接節點發生擠壓，從而發生破壞(并非施工方起初認為的由于機械振動導致的開裂)。

初次發現裂紋后，對第2道混凝土支撐進行了軸力監測，起初，軸力比第3道混凝土支撐拆除前增大了約1 500 kN，幾乎達到了最大設計軸力，隨后裂紋發展，節點位置幾乎出現了“骨折”的現象，支撐軸力降低到約3 500 kN，表明混凝土支撐發生了擠壓破壞并卸載。

第3道支撐拆除后，第2道支撐的軸力突然增大，但尚未超過設計軸力值，為什么仍然會發生破壞呢?原因在于，首先出現破壞的節點是一個最為薄弱的節點，這個“一”字形節點僅與1根混凝土支撐連接，與“T”字形、“十”字形及“*”字形節點相比，此處的節點連接顯得單薄，且“一”字形節點對施工的軸線誤差反映較為強烈，當混凝土支撐出現偏離軸線的誤差后，在軸壓力作用下，容易引起附加彎矩，導致裂縫的開展，圖7即表明了由于存在施工軸線誤差，混凝土支撐的鋼筋被壓彎。其次，由于第2道混凝土支撐的截面寬度為800 mm，而鋼管柱的外徑為609 mm，因此，混凝土支撐在節點位置的混凝土有效截面很小，支撐的受壓截面被大幅削弱，從而大大降低了混凝土支撐的抗壓能力，導致破壞。

另外，在混凝土支撐發生破壞的整個過程中，通過監測發現連續墻向基坑內發生了5～6 mm的位移［5］，出現了“鼓肚子”的現象，表明第3道支撐拆除時，整個支撐系統發生了較大的卸載，連續墻背后的土壓力占據了優勢。

4.2 加固處理措施

針對現場出現的開裂情況，設計方提出了相應的加固處理應對措施。位于(12)軸兩側的2根混凝土支撐開裂后，承載力大幅降低，此時，為確保施工的安全，施工方立即停止了混凝土支撐的鑿除，并迅速組裝φ609 mm，t=16 mm鋼管撐，架設于第2道混凝土支撐上方，并施加一定的預加軸力。由于(12)軸基坑寬度約為32 m，此時具備架設鋼支撐的條件。架設鋼管撐并施加一定的預加軸力后，通過監測，連續墻向基坑外側發生了2 mm的位移，發生擠壓破壞的混凝土支撐軸力變化量不大［7］，減小約300 kN，見圖8。經過1周左右的時間，施工方完成了此段負一層中板的施工，且在此期間，未繼續進行其余第3道混凝土支撐的破除作業。

圖8 臨時架設鋼支撐處理措施

在順利處理完以上開裂之后，施工方繼續進行第3道混凝土支撐的破除，同時加強了基坑中所有“一”字形節點的觀察與監測。由于車站3號線部分往東的基坑寬度越來越大，且支撐系統存在較多的“一”字形節點，因此，為確保施工安全，提出了具體的預處理措施:對可能會出現開裂的“一”字形節點提前進行加固，在節點位置兩側各1 m的平面范圍，沿著混凝土支撐的梁高方向，在梁的兩個側面各幫貼一塊40 mm厚鋼板，鋼板高度同梁高，然后用φ12 mm@100 mm鋼筋在鋼板表面進行焊接抱箍，形成一個加固區，從(15)軸到○26軸，共計12個節點，節點處理后的效果如圖9所示。經過后續的施工檢驗，通過監測，第2道混凝土支撐軸力在第3道混凝土支撐拆除后亦明顯增大，不再出現“骨折”從而導致監測軸力再次下降的現象，表明加固處理達到了預期的效果，施工的安全得到了保證。2012年8月下旬，該站全部負一層中板澆筑完畢，進入第2道混凝土支撐的鑿除作業階段，至此，該站的混凝土支撐節點開裂的風險已順利化解。

圖9 “一”字形節點的預處理措施

5 結語

實踐是檢驗真理的標準，施工現場是對設計合理性的一種檢驗。通過對本站結構回筑過程中的混凝土支撐節點開裂的處理，得出如下結論，并可作為今后同類基坑圍護結構優化設計［9］的參考。

富水地區位于城市繁華區段的地鐵超大超深異形基坑，圍護結構應優先采用連續墻+內支撐的支護形式，并采用混凝土支撐。由于基坑寬度較大，混凝土支撐應設置中間臨時立柱。在不增大混凝土支撐截面的前提下，混凝土支撐與臨時立柱的節點設計應避免出現“一”字形節點，需按照“十”字形(T字形)、“*”字形節點進行設計，同時，應采取加腋措施增大節點區受壓混凝土的面積，以提高混凝土支撐在節點區的抗壓能力，避免在回筑過程中出現節點開裂，確保施工的安全。

［1］劉國彬，王衛東.基坑工程手冊［M］.2版.北京:中國建筑工業出版社，2009.

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［3］田予東，李源潮.黃河東路站異形基坑支護設計［J］.鐵道建筑技術，2010(S2):115-120.

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［9］袁慶利.某地鐵車站深基坑圍護結構的優化設計［J］.鐵道標準設計，2012(2):88-91.

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