地鐵車(chē)站環(huán)繞型附屬基坑單側(cè)圍護(hù)樁支護(hù)體系優(yōu)化研究*

鄧稀肥，鄔家林，賀恩懷，陳 濤，梁克鵬

(1.中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230023；2.杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，杭州 浙江 310012；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

0 引言

為滿(mǎn)足城市交通的需求，結(jié)合現(xiàn)代商貿(mào)綜合體建設(shè)的總體思路[1-2]，更多的地鐵車(chē)站附屬工程追求大空間，結(jié)構(gòu)形式更趨多樣化。王林等[3]對(duì)長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線(xiàn)望城坡站附屬2號(hào)風(fēng)道與Ⅲ號(hào)出入口結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)行分析對(duì)比，確定采取樁頂連梁將圍護(hù)樁、出入口結(jié)構(gòu)和風(fēng)道連成一個(gè)整體的優(yōu)化方案。齊少軒等[4]應(yīng)用有限元法對(duì)拱蓋法暗挖車(chē)站主體與附屬接口處進(jìn)行優(yōu)化，并結(jié)合監(jiān)控量測(cè)驗(yàn)證了方案的可行性。李智[5]以佛山萬(wàn)科廣佛線(xiàn)季華園站出入口及風(fēng)亭改造設(shè)計(jì)項(xiàng)目為依托，對(duì)車(chē)站附屬改造設(shè)計(jì)過(guò)程相關(guān)問(wèn)題提出可供參考的優(yōu)化方案。

隨著地鐵車(chē)站附屬結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，附屬施工過(guò)程中的支護(hù)受力體系轉(zhuǎn)換也更復(fù)雜，而地鐵車(chē)站附屬施工往往面臨工期緊、施工場(chǎng)地有限等問(wèn)題，如何結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件通過(guò)優(yōu)化附屬支護(hù)體系設(shè)計(jì)、縮短工期、節(jié)約資源投入是附屬施工需重點(diǎn)研究的問(wèn)題。本文重點(diǎn)針對(duì)杭州地鐵6號(hào)線(xiàn)火車(chē)東站項(xiàng)目附屬結(jié)構(gòu)施工特點(diǎn)，對(duì)附屬基坑支護(hù)體系進(jìn)行了優(yōu)化研究。

1 工程概況

杭州地鐵火車(chē)東站為地鐵1號(hào)線(xiàn)、4號(hào)線(xiàn)、6號(hào)線(xiàn)和機(jī)場(chǎng)快線(xiàn)的換乘節(jié)點(diǎn)。如圖1所示，新建杭州地鐵6號(hào)線(xiàn)2期火車(chē)東站項(xiàng)目含6號(hào)線(xiàn)及機(jī)場(chǎng)快線(xiàn)2座車(chē)站。6號(hào)線(xiàn)車(chē)站為地下4層站，機(jī)場(chǎng)快線(xiàn)車(chē)站為地下5層站。該項(xiàng)目周邊環(huán)境復(fù)雜，西側(cè)為高鐵站，東側(cè)為華潤(rùn)商業(yè)體，南側(cè)為地鐵1，4號(hào)線(xiàn)區(qū)間隧道。為滿(mǎn)足火車(chē)東站巨大客流量在4條地鐵線(xiàn)間便捷換乘及向高鐵站通行需求，附屬結(jié)構(gòu)呈環(huán)繞型布置(見(jiàn)圖1所示陰影部分)，設(shè)6號(hào)線(xiàn)車(chē)站與機(jī)場(chǎng)快線(xiàn)車(chē)站連通區(qū)、地鐵站與高鐵站連通區(qū)。圖1所示地下1層范圍灰色地下連續(xù)墻及跨街通道圍護(hù)樁與側(cè)墻需破除，破除工程量大。

圖1 杭州地鐵6號(hào)線(xiàn)火車(chē)東站附屬平面

B出入口及1號(hào)風(fēng)亭圍護(hù)結(jié)構(gòu)為新建TRD工法墻+內(nèi)支撐。A出入口、2號(hào)風(fēng)亭和3號(hào)風(fēng)亭圍護(hù)結(jié)構(gòu)為新建鉆孔樁+止水帷幕+內(nèi)支撐。E出入口、D出入口和4號(hào)風(fēng)亭圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用原高鐵站地下室圍護(hù)樁+防水處理+內(nèi)支撐。B出入口圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用華潤(rùn)70地塊地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐。

地層分布如圖2所示，自上而下分別為：①2素填土、③1砂質(zhì)粉土、③2砂質(zhì)粉土、③3粉砂夾粉土、⑥1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑧1黏土層。6號(hào)線(xiàn)和機(jī)場(chǎng)快線(xiàn)車(chē)站底位于⑧1黏土層，附屬基坑底部位于粉砂夾粉土層。附屬基坑開(kāi)挖深度9.2m。

圖2 地層分布示意

2 原附屬支護(hù)體系設(shè)計(jì)及分析

原附屬支護(hù)體系設(shè)計(jì)為3道內(nèi)支撐(1道混凝土支撐+2道鋼支撐)，利用主體車(chē)站地下連續(xù)墻(厚1.5m)作為一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)。施工工序如圖3所示。

圖3 原支護(hù)設(shè)計(jì)施工工序

1)主體結(jié)構(gòu)封頂，施工防水后，回填至地面標(biāo)高，為保證基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力，回填必須密實(shí)。施工冠梁及首道混凝土支撐。

2)基坑開(kāi)挖，架設(shè)2道鋼支撐，在鉆孔樁一側(cè)設(shè)鋼腰梁。基坑開(kāi)挖見(jiàn)底后，封閉底板。為保證后期鋼支撐拆除后的基坑穩(wěn)定性，底板澆筑必須與主體車(chē)站地下連續(xù)墻密貼。

3)拆除第3道鋼支撐，主體車(chē)站結(jié)構(gòu)與地下連續(xù)墻為疊合墻結(jié)構(gòu)，為避免地下連續(xù)墻在機(jī)械破除過(guò)程中振動(dòng)引起車(chē)站結(jié)構(gòu)損傷，先在底板表面高度用繩鋸水平切割地下連續(xù)墻，再采用鎬頭機(jī)破除地下連續(xù)墻。

4)人工鑿除后澆帶混凝土，后澆帶施工。

5)施工側(cè)墻及頂板。

6)拆除第2道鋼支撐，破除剩余地下連續(xù)墻，切除首道混凝土支撐，回填。

上述附屬支護(hù)體系設(shè)計(jì)對(duì)工程施工的不利條件分析如下。

1)如圖3c所示，地下連續(xù)墻破除后，剩余地下連續(xù)墻豎向懸空，質(zhì)量大(1.5m厚、3m高)，僅靠2道水平支撐，穩(wěn)定性難以保證，且第2道鋼支撐在地下連續(xù)墻破除過(guò)程中軸力損失大[6]，風(fēng)險(xiǎn)極高。

2)因主體車(chē)站側(cè)墻與地下連續(xù)墻為疊合墻結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻采取機(jī)械破除前，必須采取繩鋸將破除部分切割脫離。后澆帶破除因不具備切割條件，需人工破除，不僅破除量大，而且臨空面少，破除難度大。

3)施工過(guò)程中工序轉(zhuǎn)換多，對(duì)施工進(jìn)度影響大，特別在附屬施工工期緊的條件下更突顯。

3 優(yōu)化附屬支護(hù)體系及分析

針對(duì)原支護(hù)體系設(shè)計(jì)的不利條件，經(jīng)過(guò)研究論證，提出在主體車(chē)站頂板上設(shè)置牛腿，僅設(shè)1道混凝土支撐支護(hù)的優(yōu)化思路，將主體車(chē)站地下連續(xù)墻在圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力體系中解放出來(lái)，最大可能降低工序轉(zhuǎn)換及避免風(fēng)險(xiǎn)。

如圖4所示，優(yōu)化支護(hù)體系，在車(chē)站結(jié)構(gòu)頂板上設(shè)置牛腿，作為支撐受力端，設(shè)置1道800mm×800mm混凝土支撐，冠梁上部設(shè)置0.4m厚、2.25m高擋土墻。為便于頂板施工，混凝土支撐地面高出結(jié)構(gòu)頂板40cm。施工工序如圖4所示。

圖4 優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)施工工序

1)土方開(kāi)挖至支撐底標(biāo)高，在支撐底標(biāo)高采用繩鋸水平切割地下連續(xù)墻使其脫離，鎬頭機(jī)破除，破除后施工冠梁和支撐。

2)土方開(kāi)挖見(jiàn)底，在基底標(biāo)高用繩鋸水平切割地下連續(xù)墻，使其脫離，鎬頭機(jī)破除到底。

3)相繼施工地板、側(cè)墻和頂板。

4)頂板強(qiáng)度滿(mǎn)足要求后，繩鋸切除頂板上牛腿和支撐，回填。

上述優(yōu)化支護(hù)體系對(duì)工程施工的有利條件分析如下。

1)地下連續(xù)墻不作為開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)體系的一部分，開(kāi)挖過(guò)程中，自上而下進(jìn)行破除，不存在地下連續(xù)墻豎向懸空風(fēng)險(xiǎn)。

2)無(wú)鋼支撐架設(shè)、拆除及后澆帶處理施工內(nèi)容，極大地簡(jiǎn)化了施工工序；在附屬大面積施工場(chǎng)地狹小的條件下(見(jiàn)圖1)，減少了鋼支撐堆放、拼裝及吊裝施工區(qū)域，可極大優(yōu)化場(chǎng)地布置、提高施工效率；且底板一次澆筑完成，確保了底板施工質(zhì)量。

3)地下連續(xù)墻不作為開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)體系的一部分，主體車(chē)站結(jié)構(gòu)頂板無(wú)須回填至地面后進(jìn)行附屬施工，可在主體車(chē)站結(jié)構(gòu)頂板防水做好后，填土形成施工便道，即可進(jìn)行附屬施工。在工期緊的情況下，可提前進(jìn)行附屬結(jié)構(gòu)施工。另外，相較于填土至地面，降低了基坑開(kāi)挖深度，可簡(jiǎn)化開(kāi)挖機(jī)械配置，無(wú)須配置長(zhǎng)臂挖掘機(jī)。

4)較顯著地縮短了工期及資源投入。

5)該優(yōu)化支護(hù)體系因取消了2道鋼支撐，縮短了圍護(hù)樁樁長(zhǎng)，縮短部分調(diào)整為擋墻，整體降低了成本。

4 兩種支護(hù)體系資源投入及工期對(duì)比分析

該分析主要是針對(duì)圖3和圖4所示施工工序，僅考慮1個(gè)施工段(20m)，基坑寬度取6.5m，細(xì)化施工內(nèi)容，重點(diǎn)對(duì)比分析資源配置及工期。兩種方案中一致的部分施工內(nèi)容，如冠梁支撐施工的樁頭破除、場(chǎng)地平整及墊層，土方開(kāi)挖前首道混凝土撐等強(qiáng)，土方裝運(yùn)，地下連續(xù)墻破除碎渣挖運(yùn)，基底墊層及防水施工，頂板等強(qiáng)，支架拆除及頂板土方回填等不進(jìn)行具體對(duì)比分析。

4.1 原方案施工投入資源及工期分析

依據(jù)圖3所示原支護(hù)體系施工策劃，資源配置及施工經(jīng)驗(yàn)工效如表1所示，關(guān)鍵工序所需工期分析如下。

表1 原支護(hù)體系資源投入及工期匯總

1)該工序中，冠梁支撐鋼筋綁扎需1個(gè)班，模板安裝1個(gè)班，混凝土澆筑0.5個(gè)班，考慮各施工內(nèi)容連續(xù)作業(yè)，該工序共計(jì)需2.5班。

2)該工序的施工內(nèi)容無(wú)法交叉作業(yè)，土方開(kāi)挖分3次間隔作業(yè)，需2個(gè)班；鋼支撐架設(shè)分2次間隔作業(yè)，需2.5班；鋼筋綁扎需2.5個(gè)班，混凝土澆筑需0.5個(gè)班。考慮各施工內(nèi)容連續(xù)作業(yè)，該工序共計(jì)需7.5班。

3)該工序拆撐前考慮底板等強(qiáng)3d(6個(gè)班)；拆撐需1個(gè)班；繩鋸切割需1.5個(gè)班，可在底板等強(qiáng)期間施工，地下連續(xù)墻破除(含清渣)需6個(gè)班。該工序共計(jì)需13班。

4)后澆帶采取人工破除，考慮清渣和鋼筋割除的相對(duì)滯后性，需3個(gè)班；底板鋼筋綁扎需對(duì)接接駁器、焊接等作業(yè)，且空間狹小，工效較低，需2個(gè)班；混凝土澆筑需0.5個(gè)班。該工序共計(jì)需5.5個(gè)班。

5)支架搭設(shè)需1個(gè)班，模板安裝3個(gè)班，考慮側(cè)墻鋼筋綁扎可與支架搭設(shè)交叉作業(yè)，需5個(gè)班，混凝土澆筑1個(gè)班。該工序共計(jì)需9個(gè)班。

6)拆除第2道鋼支撐需1個(gè)班，破除需4個(gè)班，該工序共計(jì)需5個(gè)班。

4.2 優(yōu)化方案施工投入資源及工期分析

依據(jù)圖4所示原支護(hù)體系施工策劃，資源配置及施工經(jīng)驗(yàn)工效如表2所示，關(guān)鍵工序所需工期分析如下。

表2 優(yōu)化支護(hù)體系資源投入及工期匯總

1)該工序中，土方開(kāi)挖需0.5個(gè)班，開(kāi)挖完成后進(jìn)行地下連續(xù)墻一次繩鋸切割需1.5個(gè)班，地下連續(xù)墻破碎需2.5個(gè)班，鋼筋綁扎1.5個(gè)班，模板安裝2.5個(gè)班，混凝土澆筑0.5個(gè)班。該工序共計(jì)需9個(gè)班。

2)土方開(kāi)挖見(jiàn)底，考慮基坑收平，需1.5班；開(kāi)挖見(jiàn)底后進(jìn)行地下連續(xù)墻二次繩鋸切割需1.5個(gè)班，地下連續(xù)墻二次破除7個(gè)班，地板鋼筋綁扎需2個(gè)班，混凝土澆筑需0.5個(gè)班。該工序共計(jì)需12.5個(gè)班。

3)支架搭設(shè)需1個(gè)班，模板安裝3個(gè)班，考慮側(cè)墻鋼筋綁扎可與支架搭設(shè)交叉作業(yè)，需5個(gè)班，混凝土澆筑1個(gè)班。該工序共計(jì)需9個(gè)班。

4)切除頂板牛腿和首道混凝土撐需1個(gè)班。

由表1，2和圖5所示，原支護(hù)體系單段(20m)施工關(guān)鍵工序共需42.5個(gè)班，而優(yōu)化支護(hù)體系單段(20m)施工關(guān)鍵工序共需31.5個(gè)班。附屬結(jié)構(gòu)頂板封閉時(shí)間優(yōu)化支護(hù)體系提前7個(gè)班。

圖5 兩種不同支護(hù)體系所需工期對(duì)比

兩種支護(hù)體系單段施工(20m)資源投入對(duì)比如表3所示，結(jié)果顯示優(yōu)化支護(hù)體系所需人工總工班僅為原支護(hù)體系的74%，減少了鋼支撐架設(shè)和拆除的5.5個(gè)汽車(chē)式起重機(jī)臺(tái)班，增加了8個(gè)繩鋸切割臺(tái)班，降低了大量施工成本。

表3 兩種支護(hù)體系資源投入對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

1)針對(duì)地鐵車(chē)站具有大面積連通區(qū)、環(huán)繞型設(shè)置的附屬結(jié)構(gòu)，將破除地下連續(xù)墻作為支護(hù)體系一部分，施工工序轉(zhuǎn)換多，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。

2)優(yōu)化的支護(hù)體系，借助主體結(jié)構(gòu)頂板設(shè)置鋼筋混凝土牛腿進(jìn)行支護(hù)，顯著縮短了工期，降低了施工成本。