緊鄰既有線超大基坑工程支撐受力體系轉換研究

莫成

中鐵五局集團第四工程有限責任公司 廣東 韶關 512000

1 引言

隨著城市發展，各地城市軌道交通網絡需不斷完善，后續新建地鐵及城際鐵路受制于地鐵線路規劃影響，后建的地鐵工程大多位于既有線周邊，地鐵的施工過程中難免會對周邊的既有線路運營造成影響。同時對于樞紐臨近既有線超大深基坑施工時，支撐受力體系轉換確保既有線及建筑物變形與沉降控制是本工程的施工難點及重點。本文以深圳地鐵14號線大運樞紐在既有3號線高架橋下超大基坑施工為例，在需要絕對確保基坑安全及既有線、周邊構筑物安全的情況下，根據主體結構施工進度，對支撐受力體系轉換進行研究，可為后續類似工程提供參考[1]。

2 工程概況

2.1 工程簡介

大運城市綜合樞紐車站部分基坑東側全長372m，緊鄰既有3號線高架線，距既有高架線樁基礎凈距為2.1-4.1m。主要工程量有圍護結構樁1978根，地下連續墻67幅，工程樁1165根，鋼管柱95根，土石方總計142萬m3，混凝土總量50萬m3，概算總投資57.7億，工程體量是標準地鐵車站17倍，是目前國內少有的大型城市軌道綜合交通樞紐工程，如圖1所示。

圖1 大運樞紐工程布置圖

2.2 設計概況

14及16號線車站基坑明挖段長305m，寬度為62.6-7 6.8 5 m，開挖深度為2 6.3 m-2 7.5 m，圍護結構采用φ1500@1800+φ1000@1800葷素咬合樁、φ1200@1500鉆孔樁、φ1500@1800/2100鉆孔樁、φ1500@1150全葷咬合樁以及1000mm地下連續墻，共設置四道鋼筋混凝土桁架支撐，采取坑內降水的方式。

圖2 大運車站支撐體系布置圖

圖3 大運車站主體結構布置圖

大運樞紐與既有3號線平行布置，車站基坑涉及既有3號線荷坳—大運高架區間HT39—HT43承臺及既有3號線大運站AT01—AT12承臺，距既有線樁基礎凈距為2.1-4.1m。根據既有3號線高架區間竣工圖資料，本段荷坳—大運高架區間為簡支梁橋，橋跨約30m，樁長為23.0-44.9m。

圖4 既有3號線高架地質縱剖圖

圖5 既有3號線與14、16號線車站位置關系圖

3 大運車站支撐受力體系轉換方案研究

3.1 第四道支撐拆除方案比選

3.1.1 施工工況

在支撐體系的建設方面，所采取的內支撐結構型式為咬合樁+四道混凝土桁架。車站自2020年9月開始基坑開挖，2021年2月底板全部完成時，圍護結構10-22m左右均出現明顯變形，樁體水平位移在基坑深度2/3處位置發生最大水平位移，最大水平位移量約56mm。第三道支撐1、2、5號檢測點均已出現軸力預警（設計支撐軸力控制值為16000KN），且第三、四道支撐內應力仍有持續變大趨勢。

圖6 基坑東側圍護樁監測點位布置圖

圖7 支撐軸力監測點位布置圖

圖8 基坑東側圍護樁水平位移光纖傳感監測

圖9 基坑第三道支撐內應力變化圖

圖10 基坑第四道支撐內應力變化圖

3.1.2 設計換撐方案

根據大運站施工藍圖，主體結構施工時，支撐受力體系轉換采用下層結構板達到設計強度的100%后，拆除上一層支撐的方式。

表1 大運車站設計支撐受力體系轉換流程圖

在基坑總深度2/3的地方，樁體水平位移數值最大，為56mm。第三道支撐1、2、5號檢測點均已出現軸力預警（設計支撐軸力控制值為16000KN），且第三、四道支撐內應力仍有持續變大趨勢。若按照設計直接拆除第四道桁架支撐，墻體水平位移及支撐軸力繼續加大，導致支撐崩裂、基坑變形及既有3號線沉降等次生災害，且無補強措施（基坑跨度大無法架設鋼支撐），只能進行基坑砼回填確保既有3號線運營安全。經過充分研究，為確保萬無一失，做以下方案研究進行加強處理[2]。

3.1.3 水平支撐換撐方案

建設工程中，為安全保證支撐體系轉換，通常在底板與局部側墻施工完成后，通過在側墻預埋鋼板，安裝鋼倒撐置換圍護體系中混凝土支撐，在倒撐達到設計強度之后，切除第四道砼桁架支撐。但是大運站基坑跨度62.6-76.85m之間，鋼支撐抗壓強度與抗彎強度無法滿足要求。若采用臨時砼支撐進行換撐，工期無法保證且造成成本巨大浪費。

3.1.4 斜撐換撐方案

在拆除第四道砼桁架撐的時候，依據以前其他地鐵深基坑施工的經驗，可用鋼斜撐進行換撐。在施工的過程中，首先要把鋼板預埋在側墻和底板上，采用鋼斜撐將底板及側墻相連。等斜撐施做完成且預應力施加后，再拆除第四道砼桁架支撐。但本工程設計支撐軸力控制值為11420KN，采用鋼斜撐方案所需鋼材市場上無成品，需鋼構廠筑模進行特制。特制鋼材基本無后續利用價值，造成成本浪費，且特制鋼材加工工期亦不可控。

圖11 短斜鋼支撐換撐示意

3.1.5 支撐保留，負三層側墻順做

由于大運站西側順接大運樞紐交通核，故西側無側墻，東側部分為下沉隧道底板素混凝土回填，故側墻與第四道砼桁架支撐腰梁無沖突，即可以采用支撐不拆除，直接施做側墻及中板的方式進行施工。確保安全的同時，也為方便施工，在施工側墻前先將第四道砼桁架撐的琵琶撐處斜撐進行切除，只保留支撐及腰梁。

將支撐穿過側墻部分進行隔離，側墻在支撐處預留比支撐外徑大30cm的環向洞口作為后澆帶，環向洞口設置止水帶，最后拆除第四道支撐，鑿除側墻處支撐進行預留洞口砼后澆[3]。

采用此法，側墻穿越支撐施工時，模板開洞封堵難度較大，后期側墻內支撐鑿除難度大，后澆帶施工困難且存在后期漏水風險，額外增加堵漏成本及破除砼成本（側墻內無法切割）。

3.1.6 支撐保留，負三層側墻逆做

綜合考慮安全、質量、工期、成本等因素后，第四道支撐受力體系轉換采用第四道支撐保留，負三層側墻逆做的方式。也就是在底板做完之后，保留第四道支撐，不進行側墻的施工，直接進行中板和中柱的施工。主體結構封頂后，拆除預留支撐，施工剩余側墻。

表2 優化后支撐受力體系轉換流程圖

由于大運站大部分出入口及風亭采用頂板頂出的結構型式，主體結構內部預留孔洞較多，支撐后期拆除及側墻逆做施工時無需增加材料倒運費用。后續負三層東側墻也可與內部結構同期施工，對工程總體工期無影響。負二層中板施工時，可在側墻位置預埋PVC管作為后續側墻澆筑孔，解決了模板開洞封堵困難的問題，也確保了側墻澆筑質量[4]。

3.1.7 對比分析

表3 第四道支撐拆除方案對比

對于第四道支撐換撐，采用支撐保留，負三層側墻逆做的方式在確保質量的情況下，成本及工期均未增加，且基坑安全性也最大化地得到了保障。

3.2 后續支撐體系受力轉換

主體結構施工形成流水作業后，后續支撐體系拆除時，根據桁架式支撐型式，采取分段拆除的方式進行。先將支撐斜梁拆除，然后施工斜梁跨度內的結構板，再將支撐主梁拆除，施做主梁跨度內結構板。整個作業過程采用流水施工，不僅不會對現場施工造成影響，還保障了作業過程中的基坑及既有線安全。

表4 后續支撐受力體系轉換流程圖

4 綜合對比分析

根據實際工況，底板施做完成后，圍護結構變形已接近預警值，第三、四道支撐軸力仍存在變大趨勢。在施工底板及負三層側墻期間，如果圍護結構持續變形或支撐軸力預警，勢必會對既有3號線安全造成影響。如果采用設計方案施工，唯一解決方案為將基坑回填至第三道支撐（出現緊急險情時，已來不及加工鋼斜撐）[5]。

工程在進行主體結構施工的時候采取的方式是：保留第四道支撐，不進行側墻的施工，等到結構頂板達到設計強度后，拆除預留支撐，逆做底層側墻。合理規避了施工風險，且相較于上述傳統換撐方案，節約了工期與成本。至2021年3月，負二層中板施做完成后，第四道支撐軸力明顯降低、第二、三道支撐軸力趨于平穩。

圖12 第二道支撐軸力變化圖

圖13 第三道支撐軸力變化圖

圖14 第四道支撐軸力變化圖

5 結論

本文以大運樞紐14、16號線車站明挖部分施工為依托，在總結緊鄰既有線超大基坑工程受力體系轉換方式優缺點的基礎上，結合大運樞紐實際工程特點，通過方案對比分析，優化支撐拆除及結構施工時序、細化實施組織、跟蹤現場實際施工情況、總結糾偏實施效果，得出結論如下：

(1) 對于緊鄰既有線超大基坑工程施工，應靈活選擇基坑受力體系轉換方式。

(2) 對明挖深基坑根據現場實際監測數據，局部采取逆做法可有效減少圍護結構變形及支撐軸力，有效保證了深基坑施工及周邊既有線安全。

(3) 對桁架式支撐，采取先拆除琵琶撐，后拆除主桁架的方式分段拆除，有利于周邊建構筑物沉降及基坑變形控制，確保周邊既有線的安全。