蓋挖逆作法結(jié)構(gòu)設(shè)計方案探討

0地鐵、車站蓋挖逆作隨著我國城市地鐵建設(shè)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(shè)計和施工人員來說,找出與周圍日益苛刻的建設(shè)環(huán)境相適應(yīng)的設(shè)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(shè)中的應(yīng)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(nèi)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(shù)要點;文獻對地鐵車站半蓋挖法設(shè)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(shù)文獻介紹了城市密集地區(qū)地下結(jié)構(gòu)工程蓋挖逆作法施工技術(shù);文獻對地鐵車站蓋挖法豎向支承構(gòu)件的設(shè)計進行了研究;文獻和文獻介紹了蓋挖法的結(jié)構(gòu)特點和設(shè)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(jié)構(gòu)的設(shè)計研究較少。本文以位于復雜周邊環(huán)境下的中國美術(shù)館站西北外掛廳蓋挖逆作結(jié)構(gòu)為例,介紹其工程特點、設(shè)計思路、設(shè)計要點以及所采用的工程技術(shù)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(shù)館站是北京地鐵8號線二期工程的終點站,位于美術(shù)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(shù)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(shè)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(nèi)需布置施工方項目部臨建設(shè)施、車站3號施工豎井及車站西北廳結(jié)構(gòu)。其中,外掛廳結(jié)構(gòu)占用1300m2,場地十分狹小,如圖1所示。車站北端設(shè)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(shè)計西北外掛結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)必須提前施作,這樣西北外掛結(jié)構(gòu)與車站暗挖主體工期存在交叉,場地布置十分困難,原設(shè)計方案無法滿足施工場地及工期要求。由于外掛廳結(jié)構(gòu)為3層雙柱3跨結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的頂板及中板上預(yù)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(jié)構(gòu)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(shè)支撐直至開挖到基坑底,然后自下向上澆筑結(jié)構(gòu),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(zhì)量易保證,缺點是由于在密閉的空間內(nèi)施作,鋼支撐的吊裝及架設(shè)十分困難。蓋挖順作更適用于采用明挖和蓋挖相結(jié)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(jié)構(gòu)底面時,即澆筑側(cè)墻及中板結(jié)構(gòu);再向下開挖直到基坑底,澆筑底板及側(cè)墻,結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)。蓋挖逆作的優(yōu)點是隨開挖隨澆筑側(cè)墻及中板,不需要再架設(shè)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(jié)構(gòu)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(zhì)量不易保證。外掛廳基坑深23.7m,平面尺寸較小,內(nèi)部空間有限,如采用蓋挖順作,支撐架設(shè)不易,且無合適出土口;另外,本結(jié)構(gòu)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(yù)留2個4.4m×5.4m的孔洞,方便出土及運料。2.2設(shè)計方案選型蓋挖逆作法結(jié)構(gòu)的核心是由鋼管柱及柱下基礎(chǔ)、頂板頂縱梁及邊樁所構(gòu)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(chǔ)原設(shè)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(shè)計方案進行調(diào)整。經(jīng)分析,提出2個調(diào)整方案。方案1采用鉆孔樁后注漿技術(shù),對樁端及樁側(cè)土體注漿,提高樁側(cè)摩阻力和樁端豎向承載力。方案2將鋼管柱柱下樁基礎(chǔ)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(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)南端的3號豎井開挖2條柱下小導洞,在其內(nèi)施作底縱梁,并將底縱梁作為鋼管柱柱下條形基礎(chǔ)。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(guān)系,確定先施工東側(cè)導洞,然后在合適的位置施工一條橫通道開挖西側(cè)導洞,并由東側(cè)先施工導洞內(nèi)對2條導洞間1.7m范圍內(nèi)的土體進行注漿加固,避免開挖西側(cè)導洞時該部分土體失穩(wěn)。外掛結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的加固計算3.1.1車站結(jié)構(gòu)采用正截面結(jié)構(gòu)計算模型假定為支承在彈性地基上對稱的平面框架結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)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(nèi)力進行計算,并假設(shè)圍護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間只傳遞徑向壓力。與明挖順作結(jié)構(gòu)相比,蓋挖逆作結(jié)構(gòu)的頂板通常由施工階段工況控制設(shè)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(quán)天然重度r=20kN/m3;土彈簧剛度按地質(zhì)報告取值;地面超載,取15kN/m2;側(cè)壓力(黏性土水土合算,砂性土水土分算);加權(quán)平均側(cè)壓力系數(shù),取0.39。3.1.3頂板配筋設(shè)計頂板是蓋挖結(jié)構(gòu)開挖階段的重要受力構(gòu)件,其受力特點與明挖順作的結(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)果見圖6和圖7。車站各結(jié)構(gòu)構(gòu)件按各工況內(nèi)力包絡(luò)設(shè)計。3.2垂直過載結(jié)構(gòu)的驗證3.2.1計算邊灘垂直載的計算3.2.1.樁基礎(chǔ)與地面構(gòu)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(jié)構(gòu)重850kN,地面超載重7.95m2×15kN/m2=119.3kN,邊樁基礎(chǔ)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(jié)果。3.2.1.樁極限端阻力側(cè)摩阻力計算見表1。總極限側(cè)阻力標準值式中u為樁身周長。總極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(yīng)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(chǔ)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(chǔ),計算基礎(chǔ)底部承受的荷載?；A(chǔ)荷載=1765.63kN+2006.4kN+60.5kN+226.4kN+633.6kN=4692.53kN。使用Sap軟件計算的基礎(chǔ)荷載=640kN/m×6.4m=4096kN。經(jīng)比較,基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)造如圖8所示。此種構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yù)留好頂板及樁受力鋼筋的甩筋,具體構(gòu)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(nèi)力達到最大;開挖負2層和負3層土體過程中,頂板內(nèi)力略有減小;主體結(jié)構(gòu)施作完畢后,頂板內(nèi)力減幅較大。分析原因為:當主體結(jié)構(gòu)整體澆筑完畢后,可相應(yīng)減小頂板跨度,且結(jié)構(gòu)整體封閉后對頂板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)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(yīng)注意:對蓋挖逆作結(jié)構(gòu),柱的計算長度應(yīng)取結(jié)構(gòu)各層層高最大的柱高;對蓋挖順作結(jié)構(gòu),柱的計算長度應(yīng)取柱全高(工程中有限制橫向變形措施的除外)。本結(jié)構(gòu)的鋼管柱軸壓比N/Nu=0.51<三級抗震框架結(jié)構(gòu)限值(0.85)。3.5側(cè)墻防水施工縫由于本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(cè)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(shè)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(cè)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(cè)墻接縫做成傾斜式。采用一級施工縫防水節(jié)點的做法,設(shè)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(jié)構(gòu)澆筑1)在圍擋范圍內(nèi)施作頂板以上淺基坑圍護結(jié)構(gòu),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(nèi)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(yù)留出土孔。4)待頂板結(jié)構(gòu)強度達到設(shè)計強度后回填覆土,分區(qū)分層進行地下1層土體開挖、側(cè)墻防水層、側(cè)墻結(jié)構(gòu)及