地鐵車站附屬結構支撐設計優化及穩定性分析

□文/朱亞坤

隨著城市規模不斷擴大，大運輸量的地鐵作為有效解決城市交通擁堵的交通工具，是各地基礎設施建設的重點[1]。目前，我國標準島式地鐵車站多采用明挖順作法施工，為確保基坑的穩定性，車站主體結構與附屬結構需進行分期施工，一期施工主體結構，二期施工附屬結構，最后破除二者之間地下連續墻實現貫通[2]。在工程建設領域，主體結構與附屬結構地下連續墻破除一直是行業研究的熱點，主體結構地下連續墻作為附屬結構支撐的受力點，采用劃分多個單元幅“跳倉”破除的施工方法，施工速度慢且附屬結構施工縫數量多，導致后期滲漏水問題明顯[3]。為解決上述問題，本文以天津地鐵4 號線航雙路站附屬圍護結構施工為例，對附屬結構首道支撐進行了設計優化并分析了優化后的結構穩定性，為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

天津地鐵4 號線航雙路站為地下二層島式車站，主體結構總長190.4 m、寬20.7 m、高13.51 m、底板埋深16.71 m，車站中心頂板覆土厚3.2 m。標準段為現澆鋼筋混凝土地下二層三跨箱型框架結構，車站兩側共設三個出入口及兩個風道。

車站主體采用明挖順作法施工，主體結構負一層頂板、負二層頂板預留鋼筋接駁器，待二者之間地下連續墻破除后，分別與附屬結構頂板、底板連接，實現結構貫通。見圖1。

圖1 車站總平面

2 水文地質概況

工程地處華北平原，屬沖積、海積低平原。勘察最大孔深100.0 m，在該深度范圍內，所揭露的地層屬第四系全新統及上更新統底層。根據地質年代、成因類型及DB/T 29-191—2009《天津市地基土層序劃分技術規程》將場地土分為12個工程地質層。在本次勘察場區內古河道、洼、淀沖積和第陸相層湖沼相淀積層缺失，其他各成因土層在場區均有分布。根據各單元巖性組合特征，進一步將其分為29 個工程地質亞層土層，開挖影響范圍內的土層主要包括①1雜填土、①2素填土、④1粉質黏土、④3黏土、⑥1粉質黏土、⑥3黏質粉土、⑦1粉質黏土、⑧1粉質黏土、⑧21砂質粉土、⑧22粉砂、⑨1粉質黏土。

根據地基土的巖性分層及現場抽水試驗結果，與本工程有直接聯系的淺層地下水主要有以下三個含水層：潛水，初見埋深1.4～4.0 m；第一承壓水，根據在航雙路站抽水試驗資料，該承壓水水頭埋深在3.8 m，相當于大沽標高-0.5 m；第二承壓水，經實測該承壓水水頭埋深6.5 m，相當于大沽標高-3.2 m。

3 附屬結構支撐設計優化

3.1 原支撐設計方案

附屬及外掛區基坑標準段深9.3 m，局部電纜夾層加深段坑深為10.045 m，圍護結構為SMW 工法樁，采用?850 mm@600 mm三軸水泥攪拌樁，內插700 mm×300 mm×13 mm×24 mmH型鋼，隔一插一形式布置，樁長為25 m。樁頂設鋼筋混凝土冠梁，圍護結構均設兩道?609 mm×16 mm鋼管撐，第一道撐于冠梁，第二道撐于鋼腰梁，鋼腰梁采用雙拼工45c熱軋型鋼。見圖2。

圖2 支撐剖面

3.2 原支撐設計對施工的影響

附屬及外掛區首道鋼支撐撐于冠梁側部，采用常規施工方案需留設多個后澆帶進行小范圍“跳倉”破除地下連續墻，然后分塊對應施工附屬及外掛區結構頂板，耗費大量時間，同時附屬及外掛區頂板連接處施工縫數量增多，成為結構薄弱部位，存在滲漏水隱患。

3.3 支撐設計優化

在主體結構頂鄰近地下連續墻處設置寬400 mm、高2 500 mm 鋼筋混凝土擋土墻。待擋土墻后面的土體回填壓實，將附屬及外掛區首道鋼支撐上移，首道支撐與主體結構地下連續墻冠梁凈空20 cm，支撐兩端分別撐在北側主體結構頂板上方擋土墻和附屬結構工法樁冠梁上，見圖3。

圖3 首道支撐優化

3.4 優化后工序對比

原設計方案的地下連續墻破除工序：劃分破除單元段→澆筑底板混凝土→拆除首道撐→拆除第二道鋼支撐→破除單元段地下連續墻→澆筑底板后澆帶→澆筑頂板混凝土。

優化后的工序：劃分破除單元段→澆筑底板混凝土→破除地下連續墻→澆筑底板后澆帶→拆除第二道鋼支撐→澆筑頂板混凝土。

優化后的施工工序相對優化前的優點在于：附屬結構施工期間，首道鋼支撐不拆除，使圍護結構處于穩定受力狀態，既保證了基坑的穩定性又增加了地下連續墻破除單元段長度。按照優化后的施工方案，外掛區與主站區同步施工，僅留設9個施工段，大大減少施工縫數量，降低薄弱部位質量隱患。

4 穩定性分析

優化后的設計方案鋼支撐上移2.41 m 標高，相對原設計方案受力點發生變化，為確保施工安全，對圍護結構的抗傾覆穩定性和基坑整體穩定性進行驗算。

4.1 計算參數

基坑設計最大深度10.045 m，按二級基坑，根據DB 29-202—2010《天津市建筑基坑工程技術規程》進行設計計算。地下水埋深2.10 m。第6層為承壓含水層，坑外承壓水水位3.907 m；坑內承壓水水位3.907 m，地面超載20.0 kPa。見表1。

表1 土層參數

計算模型見圖4。

圖4 平面彈性地基量計算模型

4.2 抗傾覆穩定性計算

SMW工法樁抗傾覆穩定驗算采用水土合算，墻后主動側土壓力采用三角分布計算，水土壓力與深度的關系見圖5。

圖5 水土壓力與深度關系

抗傾覆安全系數

式中：Mak——作用在樁墻外側的主動土壓力對樁墻底端的傾覆力矩標準值；

Mpk——作用在樁墻內側嵌固段上的被動土壓力對樁墻底端的傾覆力矩標準值。

因Ka＞1.2，故抗傾覆滿足要求。

4.3 整體穩定性計算

基坑整體穩定性采用瑞典條分法計算，應力狀態采用總應力法。計算滑動面見圖6。

圖6 開挖至10.04 m滑動面位置

整體穩定性安全系數

式中：MR——滑動面上土體的抗滑力矩標準值；

MT——各支錨對滑動體的抗滑力矩標準值之和；

Ms——滑動土體的滑動力矩標準值。

因Kz＞1.3，故整體穩定性滿足要求。

5 結語

本文對地鐵車站附屬圍護結構首道支撐進行了優化，即在主體結構上增設擋土墻，上提附屬結構首道支撐標高并撐于擋土墻上，解決了采用“跳倉”破除地下連續墻施工速度慢、施工縫數量增多，滲漏水隱患大等問題。對優化后的設計方案進行抗傾覆穩定性和基坑整體穩定性驗算，結果表明：優化方案穩定性滿足要求，具有可實施性，可為相關類似工程提供借鑒和參考。