地铁车站端头井换撑工艺案例研究

曹 暘，顾龙强（上海市机械施工集团有限公司， 上海 2000722）

1 研究案例

随着现代化城市交通工程的快速发展，对于地铁项目的总体建设工期的要求也越来越高。如何有序、高效地组织地铁工程施工，合理组织安排工期，减少不必要的工序搭接时间，就显得非常重要。

1.1 案例背景

按照江苏省无锡市地铁1号线原施工组织设计方案要求，长广溪站作为始发站。长广溪站为既有运营车站，周边建筑物、人流量较大，始发风险高，对周边建筑物、交通导行的影响波及面广。根据实际情况，考虑盾构机始发的安全性和施工效率，采取在还未建成的车站雪浪坪站进行盾构机的始发作业。这对项目部管理的总体部署提出了很大的考验，首先要满足工期节点，刚开始建造的雪浪坪站北端头井主体结构必须在2个月内完工，才能满足盾构机始发条件，保证整体的工期按照原有工期节点正常施工。

1.2 应对措施

北端头井结构段为异型结构，施工构造最为复杂，相应的施工建造技术也是需要攻关解决的。首先面临的是模板支架系统的选型，其次是支护结构的拆除与主体结构的施工工序的衔接，这些都对结构施工工效提出了很大的考验。项目部提出3项应对措施：①将北端头井的换撑形式进行优化设计；②钢模板施工方案改为木模对撑方案；③提高底板、中板混凝土强度等级。

2 设计方案及调整方案

2.1 原设计工况

按设计方案，底板浇筑完成，达到设计强度的 70%后，进行第4 道钢支撑的拆除，养护时间考虑为7 d，拆除第4 道钢支撑的时间为2 d。下阶段进行 B2 层侧墙的钢筋模板施工，模板采用钢模板加三脚架的单侧钢模施工，侧墙施工需要7 d时间，待侧墙养护达到设计强度的70% 进行拆模，养护时间10 d，拆模时间1 d，开始施工换撑，换撑共8根斜撑，配合钢围檩施工，共需2 d时间安装完成。待换撑完成后，再拆除第3 道钢支撑，完成换撑工序施工。

表1 换撑施工工期情况表（设计工况）d

在不考虑不利因素的影响下，端头井段在底板施工完成到第3 道钢支撑拆除，完成换撑工作的整个工序需要 31 d时间。这对于工程施工特别是区间施工而言是很长的周期，因此尽可能缩短工期，对于工程施工是较为有利的。

2.2 调整后工况

施工方考虑对原设计工况进行调整，首先是提高底板混凝土强度等级，改为提高一级，以求底板早期强度提升的速度，也尽可能地减少底板强度过快增长带来的收缩开裂等不良影响。其次是采用先换撑在施工 B2 层侧墙的施工工艺，将换撑形式进行了调整，将 8 根斜撑变为 4 根直撑+6 根端墙的斜抛撑。从受力角度考虑，直撑施加的轴力更大，对于基坑安全更为保险，而斜抛撑能够解决端头受力变形带来的不利影响，既实现了换撑，又赢得了宝贵的时间。换撑施工工期情况表（调整工况）见表2。

表2 换撑施工工期情况表（调整工况）d

通过采用提前换撑方法实现了工期转化，侧墙模板也从单侧钢模板调整为木模板带模养护施工，共节约工期 12 d。

2.3 工期对比分析

（1）按照原设计工况施工。底板养护 7 d，B2 层侧墙养护 10 d，中板养护 5 d，B1 层侧墙养护 10 d，共计 30 d养护时间。

（2）按照支撑调整工况施工。底板养护 5 d，B2 层侧墙养护时间可以节省，中板养护 5 d，共计 10 d 养护时间。同样的支撑体系使用在中板上方，提前换撑，B1 层侧墙养护时间可以节省，共计可以节省养护时间超过 20 d。

3 设计受力验算

3.1 现场场布情况下变形计算

依据现场重型车辆出土与行走路线，预估单边超载已增大至 35 kPa 左右（动力系数按 1.3 计）。根据最终内力包络图的计算可知，北端头井开挖最终位移约 21.32 mm。

3.2 土层分层分块开挖

出土方式在计算中难以确定，计算中一般假定一次性开挖，图纸中要求分层分段开挖只是利用时空效应，控制变位的安全储备。

3.3 钢围檩对计算结果影响

（1）有钢围檩时，单根支撑钢筋等效刚度，支撑中点处为 251.4 MN/m，支撑点处为 294.7 MN/m。采用支撑中点处等效刚度计算包络图。

（2）现场调整方案采用接头箱方案，进行直撑断面计算。根据包络图计算可知，位移增大至 20.71 mm，4根φ609 mm钢管最大受力，满足要求。在墙截面配筋计算中，围护结构地下连续墙的配筋也满足要求。

4 调整后工况分析

4.1 总体方案

为确保北端头井主体结构施工进度，尽量减少混凝土养护、支撑拆除的时间，方案调整为使用2道φ800 mm 的钢支撑替换原 3 道φ609 mm 的钢斜撑。

4.2 施工步骤

底板混凝土浇筑完成→养护 3～5 d→拆除第4 道钢支撑→底板上3 m 高位置，凿除地墙主筋，焊接双拼工字钢接头箱，加设 4 根φ609 mm 的东西向的钢支撑，南北方向在底板上3 m高的地墙上凿除主筋焊接钢板，两端用钢垫箱做反力架，中间φ609 mm 钢支撑与底板预埋件进行焊接，北侧每幅墙上布置1根斜抛撑→拆除第3道钢支撑→B2侧墙浇筑→中板浇筑。

（1）工况一。底板使用C40混凝土浇筑后，养护5 d，拆除第4 道钢支撑，在东西方向上替换4根φ609 mm的钢支撑，此道钢支撑位于底板上部 3 m，施加预加轴力到20 MPa后；南北方向上用φ609 mm钢支撑与底板预埋件进行焊接，北侧每幅墙上布置1根斜抛撑，共6道。根据第一段换撑体系加上后的情况，观测监测数据，基坑变形速率可控制在 2～4 mm 内，未达到预警值，基坑整体稳定。此处换撑，底板混凝土养护，考虑5 d养护时间。

（2）工况二。B2层侧墙浇筑完成后，拆除第3道钢支撑。此处拆撑，B2层侧墙混凝土带模养护，可减少10 d养护时间。支撑方面较原设计水平支撑道数一样，基坑整体处于稳定状态。

（3）工况三。中板混凝土强度等级提高到C40，混凝土浇筑完成后，拆除第2 道钢支撑，在东西方向上替换4根φ609 mm的钢支撑。此道钢支撑位于中板上部1 m，施加预加轴力到24 MPa后，此时端头井段由底板、1道水平支撑×4、6道斜抛撑、中板、1道水平支撑×4、边桁架体系、第1道混凝土支撑组成整体框架传力体系。

由于将中板上部支撑增加一道水平支撑，中板及下部侧墙混凝土带模、不拆除支架进行养护，所以可减少 7 d 养护时间。支撑方面与原设计相比，原设计为中板上下各存在一道支撑，现支撑方案与原设计相近，基坑整体处于稳定。

（4）工况四。B1层侧墙、顶板混凝土浇筑完成后，待5 d混凝土养护时间后，拆除排架，此时端头井段由底板、1道水平支撑×4、6道斜抛撑、中板、1道水平支撑×4、边桁架体系、顶板、第1道混凝土支撑等组成整体框架传力体系。

顶板及B1层侧墙混凝土带模、不拆除支架进行养护，可减少7 d养护时间。支撑方面与原设计相比，原设计为中板下一道支撑，现支撑方案为中板上下各设置1道支撑，间隔布置，基坑整体处于稳定。

5 接头箱施工

施工单位考虑在直撑部位采用圆形接头箱形式施工，斜抛撑部位采用工字钢板型接头箱形式施工。支撑加设前预铺好防水卷材，固定在地墙面层上，在接头箱中间位置再设置1 道镀锌钢板止水带，2 道防水工艺，增大渗流路径，从而减少发生渗漏的可能性。先换撑工艺现场施工图见图1。

图1 先换撑工艺现场施工图

地铁工程围护实行先换撑的施工工艺流程如下：底板混凝土浇筑完成→养护 5 d→拆除第4 道钢支撑→底板上 3 m 标高位置→凿除地墙主筋，焊接接头箱→加设4根φ609 mm 的东西向钢支撑→北端墙方向在底板上3 m高的地墙上凿除主筋焊接钢板→两端用工字钢做反力架→中间φ609 mm 钢支撑与底板预埋件进行焊接→北侧每幅墙上布置 1 根斜抛撑→拆除第3道钢支撑→ B2层侧墙浇筑→中板浇筑→中板养护至 70% 强度→拆除第2 道钢支撑→ B1 层侧墙及顶板施工。

6 结 语

本文是基于地铁围护结构倒换撑施工工艺进行的可行性研究。在现有地铁车站施工技术条件下，地铁车站围护结构临时钢支撑提前换撑工艺，配合施工监测的有利监控，完全可以进行优化调整，从而加快地铁车站的施工进度，避免出现大量劳动力的窝工、设备材料闲置现象。特别是在施工端头井段存在 1 道换撑时，可以提高地铁土建工程的施工功效，也能避免主体结构后期发生渗漏水。本项目提供了成功实例，本文的研究可以为类似项目提供借鉴和参考。