蓋挖逆作法結構設計方案探討

蓋挖逆作法結構設計方案探討

0地鐵、車站蓋挖逆作隨著我國城市地鐵建設的快速發(fā)展，地鐵路網(wǎng)越來越受環(huán)境的限制。城市交通的基本實現(xiàn)和交通壓力的增加，以及城市交通主要道路上各種大型市政管道的密集配置，使傳統(tǒng)的挖掘方法越來越難以使用。對設計和施工人員來說,找出與周圍日益苛刻的建設環(huán)境相適應的設計方案和施工方法,盡量減小對周邊環(huán)境的干擾,同時又能兼顧工程安全和控制投資,是必須解決的重要問題。蓋挖逆作法由于其具備占地時間短、施工速度快、工藝成熟、造價僅略高于明挖法等優(yōu)點,在地鐵建設中的應用日益增多,尤其是在大型城市主干道的交叉路口或者交通流量大的路段等不允許長時間封路,又不具備暗挖條件或采用暗挖造價不允許的條件下,常常成為優(yōu)先選擇的方案。國內專家與學者對此也進行了大量研究。文獻論述了蓋挖逆作法的施工技術要點;文獻對地鐵車站半蓋挖法設計進行了研究;文獻介紹了蓋挖法超深孔中間支撐柱施工新技術文獻介紹了城市密集地區(qū)地下結構工程蓋挖逆作法施工技術;文獻對地鐵車站蓋挖法豎向支承構件的設計進行了研究;文獻和文獻介紹了蓋挖法的結構特點和設計中的主要問題。以上文獻大多針對的是施工具體工藝,對于位于復雜環(huán)境下蓋挖結構的設計研究較少。本文以位于復雜周邊環(huán)境下的中國美術館站西北外掛廳蓋挖逆作結構為例,介紹其工程特點、設計思路、設計要點以及所采用的工程技術措施,以期為類似工程提供參考和借鑒。1車站地面工地營造中國美術館站是北京地鐵8號線二期工程的終點站,位于美術館東街、王府井大街、五四大街、東四西大街4條街十字交叉路口處,沿美術館東街—王府井大街南北向布置。受埋深達12m的熱力管溝等管線及交通控制,車站主體采用兩端暗挖雙層、中間跨路段暗挖單層、站臺交錯布置的形式。因車站主體建筑面積較小,北端設備用房大部分需外掛在車站之外,而車站周邊僅西北角休閑廣場約2500余m2可用,在此范圍內需布置施工方項目部臨建設施、車站3號施工豎井及車站西北廳結構。其中,外掛廳結構占用1300m2,場地十分狹小,如圖1所示。車站北端設計3座施工豎井。1號施工豎井因拆遷等原因暫緩實施,僅靠2號豎井施作車站北端暗挖雙層段,3號豎井施作跨路口暗挖單層段。南端雙層暗挖段因場地未落實,暫緩開工。原設計西北外掛結構為明挖3層,工程籌劃為待施作完北端車站主體后再施工西北外掛廳,但車站暗挖雙層段施工進度緩慢。為保證通車計劃,西北外掛結構必須提前施作,這樣西北外掛結構與車站暗挖主體工期存在交叉,場地布置十分困難,原設計方案無法滿足施工場地及工期要求。由于外掛廳結構為3層雙柱3跨結構,結構尺寸52.6m×21.4m×21.25m(長×寬×高),不具備暗挖基本條件,因此,考慮采用蓋挖法,待頂板施作完畢后即可覆土回填,以提供必要的施工場地。在結構的頂板及中板上預留出土孔,作為施工工作面出土和進料。2雙柱頂縱梁和頂縱梁的澆筑順序蓋挖法根據(jù)施工工序的不同可分為蓋挖順作法和蓋挖逆作法2種。二者都是先施作邊樁及鋼管柱(或臨時立柱),澆筑頂板及頂縱梁,然后在頂板的保護下自上向下挖土至基坑底,只是澆筑永久結構的次序正好相反。因此,2種方法各有優(yōu)缺點。2.1明挖段蓋挖逆作蓋挖順作是在頂板的保護下自上向下挖土,架設支撐直至開挖到基坑底,然后自下向上澆筑結構,施工步序與明挖順作基本一致。蓋挖順作的優(yōu)點是混凝土澆筑質量易保證,缺點是由于在密閉的空間內施作,鋼支撐的吊裝及架設十分困難。蓋挖順作更適用于采用明挖和蓋挖相結合的工法施作的車站,可利用明挖段作為工作面出土進料,且其施工工序與明挖基本一致,施工作業(yè)方便。蓋挖逆作是在頂板的保護下自上向下挖土,開挖至每一層的中板結構底面時,即澆筑側墻及中板結構;再向下開挖直到基坑底,澆筑底板及側墻,結構封閉成環(huán)。蓋挖逆作的優(yōu)點是隨開挖隨澆筑側墻及中板,不需要再架設支撐,以中板代替支撐,且其剛度大,能更好地控制樁體變形,有利于保護周邊建筑物。缺點是結構自上向下澆筑,先澆混凝土與后澆混凝土的接縫處理較順作法難度大,質量不易保證。外掛廳基坑深23.7m,平面尺寸較小,內部空間有限,如采用蓋挖順作,支撐架設不易,且無合適出土口;另外,本結構鋼管柱凈高近20m,開挖過程中易產(chǎn)生壓彎失穩(wěn),而逆作法由于每一層中板的澆筑形成了可靠約束,避免了該問題。綜合考慮,決定采用蓋挖逆作法施工,在頂板上預留2個4.4m×5.4m的孔洞,方便出土及運料。2.2設計方案選型蓋挖逆作法結構的核心是由鋼管柱及柱下基礎、頂板頂縱梁及邊樁所構成的豎向支撐體系。本工程邊樁采用ue7881000mm@1500mm的鉆孔灌注樁,鋼管柱直徑800mm,厚16mm。鋼管柱柱下基礎原設計為樁基(ue7881800mm鉆孔樁),嵌固深度14m,樁端位于卵石層。由于本工程所處地層卵石粒徑較大,且由于施工機具原因,鉆孔樁成孔困難,進度緩慢,為保證工期,需對原設計方案進行調整。經(jīng)分析,提出2個調整方案。方案1采用鉆孔樁后注漿技術,對樁端及樁側土體注漿,提高樁側摩阻力和樁端豎向承載力。方案2將鋼管柱柱下樁基礎改為條基,前提是需在柱下暗挖施作2個小導洞。分析比較后認為,后注漿技術雖然在一定程度上可以減小樁長,但考慮到試樁的時間,對縮短工期意義不大;而3號豎井距離外掛結構僅4.6m,可為暗挖施工導洞提供作業(yè)面,且施工單位暗挖工藝成熟,施工難度較小。因此,確定采用方案2。將柱下樁基改為從外掛結構南端的3號豎井開挖2條柱下小導洞,在其內施作底縱梁,并將底縱梁作為鋼管柱柱下條形基礎。由于2條柱下導洞相距較近,根據(jù)其與3號豎井的平面位置關系,確定先施工東側導洞,然后在合適的位置施工一條橫通道開挖西側導洞,并由東側先施工導洞內對2條導洞間1.7m范圍內的土體進行注漿加固,避免開挖西側導洞時該部分土體失穩(wěn)。外掛結構和柱下導洞橫剖面如圖2和圖3所示。3該計劃的要點3.1總結構的加固計算3.1.1車站結構采用正截面結構計算模型假定為支承在彈性地基上對稱的平面框架結構,箱底采用土彈簧模擬土體抗力,車站圍護樁和頂板按剛接考慮。車站結構考慮水平及豎向荷載,按荷載情況、施工方法模擬開挖、回筑和使用階段不同的受力狀況,按最不利內力進行計算,并假設圍護結構與主體結構之間只傳遞徑向壓力。與明挖順作結構相比,蓋挖逆作結構的頂板通常由施工階段工況控制設計。施工及運營階段的計算模型如圖4和圖5所示。3.1.2剛度土性土地力土加權天然重度r=20kN/m3;土彈簧剛度按地質報告取值;地面超載,取15kN/m2;側壓力(黏性土水土合算,砂性土水土分算);加權平均側壓力系數(shù),取0.39。3.1.3頂板配筋設計頂板是蓋挖結構開挖階段的重要受力構件,其受力特點與明挖順作的結構不同,需對開挖過程中的每一工況以及運營使用工況分別建立模型進行計算。經(jīng)比較,控制頂板配筋設計的是土體開挖到負1層中板,但未施作中板時的工況,該工況與運營使用工況的計算結果見圖6和圖7。車站各結構構件按各工況內力包絡設計。3.2垂直過載結構的驗證3.2.1計算邊灘垂直載的計算3.2.1.樁基礎與地面構重單樁作用面積為5.3m×1.5m=7.95m2,覆土重7.95m2×2.2m×19kN/m3=332.3kN,結構重850kN,地面超載重7.95m2×15kN/m2=119.3kN,邊樁基礎自重533kN。得:邊樁樁端荷載=332.3kN+850kN+119.3kN+533kN=1834.6kN。使用Sap軟件計算的樁端荷載=1329kN/m×1.5m=1993.5kN。經(jīng)比較,樁端荷載值取1993.5kN。根據(jù)規(guī)范,以上均為標準組合計算的結果。3.2.1.樁極限端阻力側摩阻力計算見表1?？倶O限側阻力標準值式中u為樁身周長?？倶O限端阻力標準值式中:qpk為樁極限端阻力標準值;ψp為樁端阻力尺寸效應系數(shù);Ap為樁端面積?；孜挥?10)9卵石層,qpk=2500kN/m2,ψp=0.9283,Ap=0.7854m2。3.2.1.單樁豎向承載力單樁豎向極限承載力標準值Quk=Qsk+Qpk=4627kN,單樁豎向承載力特征值Ra=Quk/K(K為安全系數(shù),取2)=4627/2=2313kN>1993.5kN,滿足規(guī)范要求。3.2.2基礎荷載的計算單柱作用面積=(5.8+7.4)/2m×6.4m=42.24m2,覆土重=42.24m2×2.2m×19kN/m3=1765.63kN,結構重(不包括鋼管柱)=(1+0.45×2)m×42.24m2×25kN/m3=2006.4kN,鋼管柱鋼管重=3.14×[0.82-(0.8-0.016×2)2]/4m2×19.55m×78.5kN/m3=60.5kN,鋼管柱內混凝土重=3.14×(0.8-0.016×2)2/4m2×19.55m×25kN/m3=226.4kN,地面超載重=42.24m2×15kN/m2=633.6kN。以底縱梁作為基礎,計算基礎底部承受的荷載。基礎荷載=1765.63kN+2006.4kN+60.5kN+226.4kN+633.6kN=4692.53kN。使用Sap軟件計算的基礎荷載=640kN/m×6.4m=4096kN。經(jīng)比較,基礎荷載值取4692.5kN<5376kN,滿足規(guī)范要求。3.3鉸接部位無鋼筋連接頂板與邊樁的連接在工程中一般有鉸接和固接2種做法。鉸接即頂板端部僅放置在邊樁冠梁之上,二者無鋼筋連接,主體結構可實現(xiàn)全包防水。固接即頂板與邊樁主要受力鋼筋進行互錨,形成一個剛性節(jié)點。3.3.1頂板與邊樁冠梁的連接以北京地鐵4號線菜市口站為例,該站南北兩端主體結構均采用蓋挖逆作法施作,頂板與邊樁的冠梁之間無鋼筋連接,形成全包防水,具體構造如圖8所示。此種構造頂板與邊樁之間僅傳遞水平力與豎向力,不傳遞彎矩,頂板端部彎矩為0,跨中彎矩近似為ql2/8(q為頂板上方所受均布荷載,l為頂板單跨跨度)。3.3.2土體結構開挖和固接的影響以北京地鐵1號線天安門東站為例,此處節(jié)點采用固接連接,將樁及頂板鋼筋進行相互錨固,提前預留好頂板及樁受力鋼筋的甩筋,具體構造如圖9所示。分析各種工況,在開挖負1層土體過程中,頂板內力達到最大;開挖負2層和負3層土體過程中,頂板內力略有減小;主體結構施作完畢后,頂板內力減幅較大。分析原因為:當主體結構整體澆筑完畢后,可相應減小頂板跨度,且結構整體封閉后對頂板結構受力有利。與鉸接相比,固接的優(yōu)點在于提高了邊樁與頂板結構的整體性,避免了鉸接方案頂板支座處易壓碎及抗剪能力不足等問題,有利于結構安全;頂板端部與邊樁固接可以減小頂板跨中彎矩,使頂板配筋設計更為經(jīng)濟合理。固接的缺點在于防水層在該處無法實現(xiàn)全包,但是可以通過采取其他措施對節(jié)點防水進行加強。3.4承載力折減系數(shù)的計算由于鋼管柱鋼管對混凝土的套箍作用,鋼管柱的受壓承載能力較普通混凝土柱增加很多,具體公式不再贅述。驗算時需注意Nu=φ1φeN0中φ1的取值,該值為考慮長細比影響的承載力折減系數(shù)。計算該系數(shù)時應注意:對蓋挖逆作結構,柱的計算長度應取結構各層層高最大的柱高;對蓋挖順作結構,柱的計算長度應取柱全高(工程中有限制橫向變形措施的除外)。本結構的鋼管柱軸壓比N/Nu=0.51<三級抗震框架結構限值(0.85)。3.5側墻防水施工縫由于本結構頂板與邊樁冠梁采用鋼筋互錨形成固接,防水層在該處無法實現(xiàn)全包,需對該處節(jié)點進行特殊處理。結構頂板采用2.5mm厚聚氨酯防水涂料,向下延伸至冠梁頂下方300mm進行收口。側墻防水層采用膨潤土防水毯,在冠梁頂部附近進行永久收口,在冠梁頂面增設2道遇水膨脹止水膠,以阻斷滲水路徑,起到加強防水的作用。另外,由于側墻是自上向下澆筑,施工縫部位由于混凝土收縮易形成較大縫隙,使得此處成為防水薄弱環(huán)節(jié),故將側墻接縫做成傾斜式。采用一級施工縫防水節(jié)點的做法,設置可循環(huán)注漿管保證接縫處澆筑密實,后澆筑的混凝土采用補償收縮混凝土。防水加強節(jié)點的處理如圖10所示。3.6地模添加及結構澆筑1)在圍擋范圍內施作頂板以上淺基坑圍護結構,開挖至頂板底面標高,施作邊樁,鉆孔樁施作前需對邊樁進行試樁。2)通過3號施工豎井開挖小導洞,在導洞內施作底縱梁。3)施作人工挖孔樁,吊裝鋼管柱,利用地模施作車站頂板、頂縱梁,建立豎向支撐體系,頂板上預留出土孔。4)待頂板結構強度達到設計強度后回填覆土,分區(qū)分層進行地下1層土體開挖、側墻防水層、側墻結構及