成都地鐵16號線錦城廣場站深基坑施工換撐優(yōu)化分析

何 鳳, 蘇 波, 張俊彥

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川成都 610072)

1 工程概況

錦城廣場綜合換乘服務中心項目位于成都市高新南區(qū)大魔方南側，繞城高速北側，西臨環(huán)球中心，東臨科華南路，是目前成都市體現(xiàn)中優(yōu)戰(zhàn)略思想建設規(guī)模最大的城市地下空間開發(fā)項目。

項目占地面積約1.9×105m2，總建筑面積約27萬m2(含代建地鐵部分約5.5萬m2)，涵蓋軌道交通16、18、29號線三線換乘車站、社會車輛停車場、電動公交停車場、政務服務分中心、城市候機廳、地面配套景觀綠化、配套服務設施，為在建的地鐵18號線天府國際機場專線，待建的地鐵16、29號線提供綜合換乘配套服務。其中16號線錦城廣場站區(qū)間段為項目公共交通預留設施工程的一部分，位于地下停車場和下沉廣場下方地下三層，左右兩線均位于曲線段上，標準段寬度15～25m，區(qū)間段采用兩跨閉合框架結構，車站范圍采用兩柱三跨閉合框架結構，底板埋深24～28m。

1.1 地質情況

基坑開挖深度范圍內(nèi)主要有<3-8-3>卵石土、<5-1-2>強風化泥巖、<5-1-3>中風化泥巖。P+R基底位于卵石層、16號線基底位于中風化泥巖，泥質結構，中厚層狀構造，產(chǎn)狀平緩，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較完整～完整，巖體屬含石膏地層，巖面可見灰綠色斑點或條帶，巖體中夾斑點狀、條帶狀及團塊狀石膏，局部夾芒硝，局部巖體在地下水的作用下差異風化夾層比較發(fā)育，巖體呈碎裂結構，碎塊狀、角礫狀構造，巖體風化呈碎塊狀、局部風化呈半巖半土狀，巖芯遇水易軟化，失水崩解，巖質軟～較軟，巖土施工工程分級為Ⅳ級軟質巖。

1.2 設計概況

本區(qū)間為16號線錦城廣場站至心島站明挖區(qū)間的南半段。區(qū)間上部停車場等為地下二層框架結構，其底板為16號線區(qū)間頂板，框架柱采用1.5m厚板轉換。本段圍護結構采用樁+內(nèi)支撐的支護形式。圍護樁設計長度約12.5～17.9m，直徑1.2m，樁身混凝土強度C45(水下混凝土，抗?jié)B等級P12)。鋼支撐采用壁厚16mm，直徑609mm的鋼管，鋼支撐及換撐間距為3m。其中，16-1～16-4軸第一道鋼支撐中心標高為474.5m，16-4～16-20軸第一道鋼支撐中心標高為475.8m,鋼支撐換撐中心標高為473.0m鋼圍檁采用雙拼普通熱軋45c工字鋼焊接而成。圖1為16號線明挖區(qū)間典型斷面。

格構柱采用4根等邊角鋼與鋼板焊接而成，邊長640mm，以抗浮樁作為格構柱基礎，并插入抗浮樁3.5m。水平聯(lián)系梁采用2根40c槽鋼與鋼綴板焊接于格構柱兩側，作為鋼支撐的豎向支撐。

2 優(yōu)化原因

2.1 原換撐方案工況

(1)施工基坑圍護樁、抗浮樁、立柱樁。

(2)施工樁頂冠梁、場平地面硬化、截水溝、排水溝等，開挖基坑至第一道支撐處。

(3)架設第一道鋼支撐，后分層、分段開挖至坑底。

(4)施做底板墊層、防水層，分層施做底板、側墻及中隔墻。

(5)待結構達到設計強度后，架設鋼支撐對位換撐。

(6)拆除第一道鋼支撐，敷設側墻防水層，施工剩余結構。待區(qū)間頂板結構達到設計強度后拆除鋼支撐換撐。如圖2所示。

2.2 原換撐方案缺點

2.2.1 施工工期長

以16號線明挖區(qū)間施工縫劃分的一段為例，考慮換撐，則需要待側墻及中隔墻的混凝土強度達到75 %后，方才可進行換撐工作，混凝土凝期內(nèi)無法施做后續(xù)工序，等待工期約14d；待凝期達到后，先拆除部分換撐區(qū)域原有已升起的支撐架體后再進行換撐施工，拆除時間3～5d，換撐時間為5d，施加預應力為1天，總計換撐時間約11d，換撐完畢后方可進行下部架管的搭設，考慮穿插施工，架管施工工期5d，因此每段施工工期可節(jié)省14+11+5=30d。

圖1 16號線明挖區(qū)間典型斷面

(a)第一層土石方開挖

2.2.2 施工難度大

后期頂板封閉后方可進行換撐拆除，現(xiàn)場拆除施工較為困難。需在換撐前，在頂板預留換撐掛件，下放換撐鋼管精度控制要求高，一旦前期預留工作未精確定位，后期調整較困難[1]。

2.2.3 存在安全隱患

鋼支撐直徑609mm的鋼管，換撐后的滿堂支撐架需避讓鋼支撐，因此在有鋼支撐換撐的地方部分架體存在不連續(xù)的情況，為頂板澆筑混凝土留下安全隱患[2]。

3 換撐優(yōu)化及安全性驗證

3.1 換撐優(yōu)化方案

原則上，綜合考慮在原支撐體系布置形式上進行加密。采用盤扣式滿堂支撐架與扣件式對頂鋼管組合形成的支撐體系替換φ609×16mm鋼支撐換撐，將扣件式對頂鋼管采用60轉48直角扣件鎖定于盤扣式滿堂支撐架立桿上，確保側墻混凝土澆筑安全及基坑安全。詳細搭設參數(shù)表如表1所示。

表1 搭設參數(shù)

3.2 換撐優(yōu)化數(shù)值模擬

3.2.1MidasCivil數(shù)值模擬

采用MidasCivil建立空間有限元模型，模型中均為梁單元，圍護樁用D1.2m截面模擬，支撐架立桿用φ60×3.2mm鋼管，水平桿用φ48×3.0mm，材質為Q235。計算中認為側墻壓力由所有水平支撐架桿件承受，單根圍護樁對應縱向3排桿(立桿間距60cm)承受，模型縱向建立3m范圍，對應6排桿件，兩根圍護樁，模型共1 646個節(jié)點，3 355個單元。

本報告采用MidasCivil建立空間有限元模型，模型中均為梁單元，圍護樁用D=1.2m截面模擬，支撐架立桿用φ60×3.2mm鋼管，水平桿用φ48×3.0mm，材質為Q235。計算中認為側墻壓力由所有水平支撐架桿件承受，單根圍護樁對應縱向3排桿(立桿間距60cm)承受，模型縱向建立3m范圍，對應6排桿件，兩根圍護樁，模型共1 646個節(jié)點，3 355個單元。

圖3 Midas Civil 整體計算模型

3.2.2 計算結果分析

(1)結構的位移。結構在活載作用下水平桿軸向壓縮位移1.8mm。

(2)水平桿的內(nèi)力。在最不利基本組合作用下，水平桿最大軸力為38.4kN。

(3)水平桿件穩(wěn)定性驗算(表2)。恒載+活載作用下水平桿軸心受壓最大軸力為38.4kN(發(fā)生在中部)。

安全系數(shù)K=1.34>1，水平桿件的受壓穩(wěn)定性滿足要求。

(4)換撐的穩(wěn)定驗算(表3)。原設計采用φ609×16鋼管，鋼管長度約10m，計算長度系數(shù)可近似按兩端鉸接考慮。

按設計反力計算，安全系數(shù)K=2.77>1，結構處于安全。

3.3 監(jiān)測反饋

3.3.1 監(jiān)測方案

本次支撐架體穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)主要包括：自動化傳感器測試信號采集分析與控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)存儲與管理子系統(tǒng)；結構狀態(tài)與安全評估子系統(tǒng)；用戶界面子系統(tǒng)。其核心自動化傳感器測試信號采集分析與控制系統(tǒng)包括三大模塊：①傳感器模塊；② 數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊；③數(shù)據(jù)處理與控制模塊。其傳感器布置如圖4所示。

在16號線明挖區(qū)間一截面上布置水平軸力監(jiān)測點5處，豎向軸力監(jiān)測點1處(由于頂板未澆筑，暫不納入監(jiān)測數(shù)據(jù)分析)，位移監(jiān)測點2處。

表2 水平桿軸心受壓穩(wěn)定驗算

表3 原換撐鋼管受壓穩(wěn)定驗算

圖4 軸力及位移監(jiān)測布置示意

3.3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

依據(jù)本項目公共交通預留設施子項地鐵16號線明挖區(qū)間換撐優(yōu)化數(shù)值模擬計算，計算桿件測試參數(shù)的閥值。按照構件在恒載+活載最不利荷載組合下，水平桿件的強度應力為38.4kN，最不利控制值閥值取為30.8kN。按照構件在恒載+活載最不利荷載組合下，水平桿件的水平位移為1.8mm，最不利控制值閥值取為1.4mm。監(jiān)測數(shù)據(jù)中，應變正值表示拉應變，負值表示壓應變；位移正值表示向外傾斜，負值表示向內(nèi)傾斜。

圖5 檢測數(shù)據(jù)

圖6 位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

經(jīng)過以上檢測結果反分析及Midas數(shù)值模擬計算可知，采用滿堂支撐架配合扣件式對頂鋼管替代φ609×16mm鋼管，穩(wěn)定性滿足要求，圍護結構及支撐架體是安全可靠的。

4 工期與經(jīng)濟效益分析

16號線明挖區(qū)間段共計7段，綜合考慮側墻及中隔墻的混凝土強度齡期問題、拆換撐施工時間、施加軸力時間；換撐優(yōu)化方案在不施工鋼支撐換撐的同時，僅增加了扣件式對頂鋼管支撐施工時間，而該施工時間可穿插于原有盤扣式滿堂支撐體系施工中。因此，換撐優(yōu)化方案相較原有換撐施工方案每流水段可節(jié)省工期30d。考慮流水間穿插時間約15d，16號線明挖區(qū)間段可節(jié)省工期120d。

16號線明挖區(qū)間段鋼支撐換撐共計104道，其安裝、租賃、吊裝費用共計約63.5萬元，而采用換撐優(yōu)化方案僅增加扣件式對頂鋼管約50 247.9m，其安裝、租賃費用共計約34.8萬元，預估經(jīng)濟效益約28.7萬元。

5 結束語

考慮基坑穩(wěn)定要求，通常在地鐵車站設計中采用換撐來進行支護，但換撐技術要求高，工期長。在確保安全，方案通過相關驗算，加強支撐架體及基坑監(jiān)測的條件下，采用滿堂支撐架配合扣件式對頂鋼管替代傳統(tǒng)鋼支撐，可加快施工進度，取得明顯的經(jīng)濟效益。

通過自動化檢測系統(tǒng)，對支模的主要部位進行自動化監(jiān)測，及時反映外部環(huán)境和外在荷載作用下的支模結構響應，監(jiān)測支模的使用狀態(tài)及發(fā)展趨勢，能對危險狀況及潛在威脅及時預警。為施工期間的支模科學有序的管理提供一個平臺，建立基于支模安全監(jiān)測系統(tǒng)的全壽命期“檔案”。采集支模外界環(huán)境和結構響應數(shù)據(jù)參數(shù)，為同類支模結構設計、建設、養(yǎng)護技術的發(fā)展以及支模安全監(jiān)測和國家行業(yè)規(guī)范提供參考依據(jù)。