盖挖逆作法结构设计方案探讨

盖挖逆作法结构设计方案探讨

0地铁、车站盖挖逆作随着我国城市地铁建设的快速发展，地铁路网越来越受环境的限制。城市交通的基本实现和交通压力的增加，以及城市交通主要道路上各种大型市政管道的密集配置，使传统的挖掘方法越来越难以使用。对设计和施工人员来说,找出与周围日益苛刻的建设环境相适应的设计方案和施工方法,尽量减小对周边环境的干扰,同时又能兼顾工程安全和控制投资,是必须解决的重要问题。盖挖逆作法由于其具备占地时间短、施工速度快、工艺成熟、造价仅略高于明挖法等优点,在地铁建设中的应用日益增多,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许长时间封路,又不具备暗挖条件或采用暗挖造价不允许的条件下,常常成为优先选择的方案。国内专家与学者对此也进行了大量研究。文献论述了盖挖逆作法的施工技术要点;文献对地铁车站半盖挖法设计进行了研究;文献介绍了盖挖法超深孔中间支撑柱施工新技术文献介绍了城市密集地区地下结构工程盖挖逆作法施工技术;文献对地铁车站盖挖法竖向支承构件的设计进行了研究;文献和文献介绍了盖挖法的结构特点和设计中的主要问题。以上文献大多针对的是施工具体工艺,对于位于复杂环境下盖挖结构的设计研究较少。本文以位于复杂周边环境下的中国美术馆站西北外挂厅盖挖逆作结构为例,介绍其工程特点、设计思路、设计要点以及所采用的工程技术措施,以期为类似工程提供参考和借鉴。1车站地面工地营造中国美术馆站是北京地铁8号线二期工程的终点站,位于美术馆东街、王府井大街、五四大街、东四西大街4条街十字交叉路口处,沿美术馆东街—王府井大街南北向布置。受埋深达12m的热力管沟等管线及交通控制,车站主体采用两端暗挖双层、中间跨路段暗挖单层、站台交错布置的形式。因车站主体建筑面积较小,北端设备用房大部分需外挂在车站之外,而车站周边仅西北角休闲广场约2500余m2可用,在此范围内需布置施工方项目部临建设施、车站3号施工竖井及车站西北厅结构。其中,外挂厅结构占用1300m2,场地十分狭小,如图1所示。车站北端设计3座施工竖井。1号施工竖井因拆迁等原因暂缓实施,仅靠2号竖井施作车站北端暗挖双层段,3号竖井施作跨路口暗挖单层段。南端双层暗挖段因场地未落实,暂缓开工。原设计西北外挂结构为明挖3层,工程筹划为待施作完北端车站主体后再施工西北外挂厅,但车站暗挖双层段施工进度缓慢。为保证通车计划,西北外挂结构必须提前施作,这样西北外挂结构与车站暗挖主体工期存在交叉,场地布置十分困难,原设计方案无法满足施工场地及工期要求。由于外挂厅结构为3层双柱3跨结构,结构尺寸52.6m×21.4m×21.25m(长×宽×高),不具备暗挖基本条件,因此,考虑采用盖挖法,待顶板施作完毕后即可覆土回填,以提供必要的施工场地。在结构的顶板及中板上预留出土孔,作为施工工作面出土和进料。2双柱顶纵梁和顶纵梁的浇筑顺序盖挖法根据施工工序的不同可分为盖挖顺作法和盖挖逆作法2种。二者都是先施作边桩及钢管柱(或临时立柱),浇筑顶板及顶纵梁,然后在顶板的保护下自上向下挖土至基坑底,只是浇筑永久结构的次序正好相反。因此,2种方法各有优缺点。2.1明挖段盖挖逆作盖挖顺作是在顶板的保护下自上向下挖土,架设支撑直至开挖到基坑底,然后自下向上浇筑结构,施工步序与明挖顺作基本一致。盖挖顺作的优点是混凝土浇筑质量易保证,缺点是由于在密闭的空间内施作,钢支撑的吊装及架设十分困难。盖挖顺作更适用于采用明挖和盖挖相结合的工法施作的车站,可利用明挖段作为工作面出土进料,且其施工工序与明挖基本一致,施工作业方便。盖挖逆作是在顶板的保护下自上向下挖土,开挖至每一层的中板结构底面时,即浇筑侧墙及中板结构;再向下开挖直到基坑底,浇筑底板及侧墙,结构封闭成环。盖挖逆作的优点是随开挖随浇筑侧墙及中板,不需要再架设支撑,以中板代替支撑,且其刚度大,能更好地控制桩体变形,有利于保护周边建筑物。缺点是结构自上向下浇筑,先浇混凝土与后浇混凝土的接缝处理较顺作法难度大,质量不易保证。外挂厅基坑深23.7m,平面尺寸较小,内部空间有限,如采用盖挖顺作,支撑架设不易,且无合适出土口;另外,本结构钢管柱净高近20m,开挖过程中易产生压弯失稳,而逆作法由于每一层中板的浇筑形成了可靠约束,避免了该问题。综合考虑,决定采用盖挖逆作法施工,在顶板上预留2个4.4m×5.4m的孔洞,方便出土及运料。2.2设计方案选型盖挖逆作法结构的核心是由钢管柱及柱下基础、顶板顶纵梁及边桩所构成的竖向支撑体系。本工程边桩采用ue7881000mm@1500mm的钻孔灌注桩,钢管柱直径800mm,厚16mm。钢管柱柱下基础原设计为桩基(ue7881800mm钻孔桩),嵌固深度14m,桩端位于卵石层。由于本工程所处地层卵石粒径较大,且由于施工机具原因,钻孔桩成孔困难,进度缓慢,为保证工期,需对原设计方案进行调整。经分析,提出2个调整方案。方案1采用钻孔桩后注浆技术,对桩端及桩侧土体注浆,提高桩侧摩阻力和桩端竖向承载力。方案2将钢管柱柱下桩基础改为条基,前提是需在柱下暗挖施作2个小导洞。分析比较后认为,后注浆技术虽然在一定程度上可以减小桩长,但考虑到试桩的时间,对缩短工期意义不大;而3号竖井距离外挂结构仅4.6m,可为暗挖施工导洞提供作业面,且施工单位暗挖工艺成熟,施工难度较小。因此,确定采用方案2。将柱下桩基改为从外挂结构南端的3号竖井开挖2条柱下小导洞,在其内施作底纵梁,并将底纵梁作为钢管柱柱下条形基础。由于2条柱下导洞相距较近,根据其与3号竖井的平面位置关系,确定先施工东侧导洞,然后在合适的位置施工一条横通道开挖西侧导洞,并由东侧先施工导洞内对2条导洞间1.7m范围内的土体进行注浆加固,避免开挖西侧导洞时该部分土体失稳。外挂结构和柱下导洞横剖面如图2和图3所示。3该计划的要点3.1总结构的加固计算3.1.1车站结构采用正截面结构计算模型假定为支承在弹性地基上对称的平面框架结构,箱底采用土弹簧模拟土体抗力,车站围护桩和顶板按刚接考虑。车站结构考虑水平及竖向荷载,按荷载情况、施工方法模拟开挖、回筑和使用阶段不同的受力状况,按最不利内力进行计算,并假设围护结构与主体结构之间只传递径向压力。与明挖顺作结构相比,盖挖逆作结构的顶板通常由施工阶段工况控制设计。施工及运营阶段的计算模型如图4和图5所示。3.1.2刚度土性土地力土加权天然重度r=20kN/m3;土弹簧刚度按地质报告取值;地面超载,取15kN/m2;侧压力(黏性土水土合算,砂性土水土分算);加权平均侧压力系数,取0.39。3.1.3顶板配筋设计顶板是盖挖结构开挖阶段的重要受力构件,其受力特点与明挖顺作的结构不同,需对开挖过程中的每一工况以及运营使用工况分别建立模型进行计算。经比较,控制顶板配筋设计的是土体开挖到负1层中板,但未施作中板时的工况,该工况与运营使用工况的计算结果见图6和图7。车站各结构构件按各工况内力包络设计。3.2垂直过载结构的验证3.2.1计算边滩垂直载的计算3.2.1.桩基础与地面构重单桩作用面积为5.3m×1.5m=7.95m2,覆土重7.95m2×2.2m×19kN/m3=332.3kN,结构重850kN,地面超载重7.95m2×15kN/m2=119.3kN,边桩基础自重533kN。得:边桩桩端荷载=332.3kN+850kN+119.3kN+533kN=1834.6kN。使用Sap软件计算的桩端荷载=1329kN/m×1.5m=1993.5kN。经比较,桩端荷载值取1993.5kN。根据规范,以上均为标准组合计算的结果。3.2.1.桩极限端阻力侧摩阻力计算见表1。总极限侧阻力标准值式中u为桩身周长。总极限端阻力标准值式中:qpk为桩极限端阻力标准值;ψp为桩端阻力尺寸效应系数;Ap为桩端面积。基底位于(10)9卵石层,qpk=2500kN/m2,ψp=0.9283,Ap=0.7854m2。3.2.1.单桩竖向承载力单桩竖向极限承载力标准值Quk=Qsk+Qpk=4627kN,单桩竖向承载力特征值Ra=Quk/K(K为安全系数,取2)=4627/2=2313kN>1993.5kN,满足规范要求。3.2.2基础荷载的计算单柱作用面积=(5.8+7.4)/2m×6.4m=42.24m2,覆土重=42.24m2×2.2m×19kN/m3=1765.63kN,结构重(不包括钢管柱)=(1+0.45×2)m×42.24m2×25kN/m3=2006.4kN,钢管柱钢管重=3.14×[0.82-(0.8-0.016×2)2]/4m2×19.55m×78.5kN/m3=60.5kN,钢管柱内混凝土重=3.14×(0.8-0.016×2)2/4m2×19.55m×25kN/m3=226.4kN,地面超载重=42.24m2×15kN/m2=633.6kN。以底纵梁作为基础,计算基础底部承受的荷载。基础荷载=1765.63kN+2006.4kN+60.5kN+226.4kN+633.6kN=4692.53kN。使用Sap软件计算的基础荷载=640kN/m×6.4m=4096kN。经比较,基础荷载值取4692.5kN<5376kN,满足规范要求。3.3铰接部位无钢筋连接顶板与边桩的连接在工程中一般有铰接和固接2种做法。铰接即顶板端部仅放置在边桩冠梁之上,二者无钢筋连接,主体结构可实现全包防水。固接即顶板与边桩主要受力钢筋进行互锚,形成一个刚性节点。3.3.1顶板与边桩冠梁的连接以北京地铁4号线菜市口站为例,该站南北两端主体结构均采用盖挖逆作法施作,顶板与边桩的冠梁之间无钢筋连接,形成全包防水,具体构造如图8所示。此种构造顶板与边桩之间仅传递水平力与竖向力,不传递弯矩,顶板端部弯矩为0,跨中弯矩近似为ql2/8(q为顶板上方所受均布荷载,l为顶板单跨跨度)。3.3.2土体结构开挖和固接的影响以北京地铁1号线天安门东站为例,此处节点采用固接连接,将桩及顶板钢筋进行相互锚固,提前预留好顶板及桩受力钢筋的甩筋,具体构造如图9所示。分析各种工况,在开挖负1层土体过程中,顶板内力达到最大;开挖负2层和负3层土体过程中,顶板内力略有减小;主体结构施作完毕后,顶板内力减幅较大。分析原因为:当主体结构整体浇筑完毕后,可相应减小顶板跨度,且结构整体封闭后对顶板结构受力有利。与铰接相比,固接的优点在于提高了边桩与顶板结构的整体性,避免了铰接方案顶板支座处易压碎及抗剪能力不足等问题,有利于结构安全;顶板端部与边桩固接可以减小顶板跨中弯矩,使顶板配筋设计更为经济合理。固接的缺点在于防水层在该处无法实现全包,但是可以通过采取其他措施对节点防水进行加强。3.4承载力折减系数的计算由于钢管柱钢管对混凝土的套箍作用,钢管柱的受压承载能力较普通混凝土柱增加很多,具体公式不再赘述。验算时需注意Nu=φ1φeN0中φ1的取值,该值为考虑长细比影响的承载力折减系数。计算该系数时应注意:对盖挖逆作结构,柱的计算长度应取结构各层层高最大的柱高;对盖挖顺作结构,柱的计算长度应取柱全高(工程中有限制横向变形措施的除外)。本结构的钢管柱轴压比N/Nu=0.51<三级抗震框架结构限值(0.85)。3.5侧墙防水施工缝由于本结构顶板与边桩冠梁采用钢筋互锚形成固接,防水层在该处无法实现全包,需对该处节点进行特殊处理。结构顶板采用2.5mm厚聚氨酯防水涂料,向下延伸至冠梁顶下方300mm进行收口。侧墙防水层采用膨润土防水毯,在冠梁顶部附近进行永久收口,在冠梁顶面增设2道遇水膨胀止水胶,以阻断渗水路径,起到加强防水的作用。另外,由于侧墙是自上向下浇筑,施工缝部位由于混凝土收缩易形成较大缝隙,使得此处成为防水薄弱环节,故将侧墙接缝做成倾斜式。采用一级施工缝防水节点的做法,设置可循环注浆管保证接缝处浇筑密实,后浇筑的混凝土采用补偿收缩混凝土。防水加强节点的处理如图10所示。3.6地模添加及结构浇筑1)在围挡范围内施作顶板以上浅基坑围护结构,开挖至顶板底面标高,施作边桩,钻孔桩施作前需对边桩进行试桩。2)通过3号施工竖井开挖小导洞,在导洞内施作底纵梁。3)施作人工挖孔桩,吊装钢管柱,利用地模施作车站顶板、顶纵梁,建立竖向支撑体系,顶板上预留出土孔。4)待顶板结构强度达到设计强度后回填覆土,分区分层进行地下1层土体开挖、侧墙防水层、侧墙结构及