紧邻既有线超大基坑工程支撑受力体系转换研究

莫成

中铁五局集团第四工程有限责任公司 广东 韶关 512000

1 引言

随着城市发展，各地城市轨道交通网络需不断完善，后续新建地铁及城际铁路受制于地铁线路规划影响，后建的地铁工程大多位于既有线周边，地铁的施工过程中难免会对周边的既有线路运营造成影响。同时对于枢纽临近既有线超大深基坑施工时，支撑受力体系转换确保既有线及建筑物变形与沉降控制是本工程的施工难点及重点。本文以深圳地铁14号线大运枢纽在既有3号线高架桥下超大基坑施工为例，在需要绝对确保基坑安全及既有线、周边构筑物安全的情况下，根据主体结构施工进度，对支撑受力体系转换进行研究，可为后续类似工程提供参考[1]。

2 工程概况

2.1 工程简介

大运城市综合枢纽车站部分基坑东侧全长372m，紧邻既有3号线高架线，距既有高架线桩基础净距为2.1-4.1m。主要工程量有围护结构桩1978根，地下连续墙67幅，工程桩1165根，钢管柱95根，土石方总计142万m3，混凝土总量50万m3，概算总投资57.7亿，工程体量是标准地铁车站17倍，是目前国内少有的大型城市轨道综合交通枢纽工程，如图1所示。

图1 大运枢纽工程布置图

2.2 设计概况

14及16号线车站基坑明挖段长305m，宽度为62.6-7 6.8 5 m，开挖深度为2 6.3 m-2 7.5 m，围护结构采用φ1500@1800+φ1000@1800荤素咬合桩、φ1200@1500钻孔桩、φ1500@1800/2100钻孔桩、φ1500@1150全荤咬合桩以及1000mm地下连续墙，共设置四道钢筋混凝土桁架支撑，采取坑内降水的方式。

图2 大运车站支撑体系布置图

图3 大运车站主体结构布置图

大运枢纽与既有3号线平行布置，车站基坑涉及既有3号线荷坳—大运高架区间HT39—HT43承台及既有3号线大运站AT01—AT12承台，距既有线桩基础净距为2.1-4.1m。根据既有3号线高架区间竣工图资料，本段荷坳—大运高架区间为简支梁桥，桥跨约30m，桩长为23.0-44.9m。

图4 既有3号线高架地质纵剖图

图5 既有3号线与14、16号线车站位置关系图

3 大运车站支撑受力体系转换方案研究

3.1 第四道支撑拆除方案比选

3.1.1 施工工况

在支撑体系的建设方面，所采取的内支撑结构型式为咬合桩+四道混凝土桁架。车站自2020年9月开始基坑开挖，2021年2月底板全部完成时，围护结构10-22m左右均出现明显变形，桩体水平位移在基坑深度2/3处位置发生最大水平位移，最大水平位移量约56mm。第三道支撑1、2、5号检测点均已出现轴力预警（设计支撑轴力控制值为16000KN），且第三、四道支撑内应力仍有持续变大趋势。

图6 基坑东侧围护桩监测点位布置图

图7 支撑轴力监测点位布置图

图8 基坑东侧围护桩水平位移光纤传感监测

图9 基坑第三道支撑内应力变化图

图10 基坑第四道支撑内应力变化图

3.1.2 设计换撑方案

根据大运站施工蓝图，主体结构施工时，支撑受力体系转换采用下层结构板达到设计强度的100%后，拆除上一层支撑的方式。

表1 大运车站设计支撑受力体系转换流程图

在基坑总深度2/3的地方，桩体水平位移数值最大，为56mm。第三道支撑1、2、5号检测点均已出现轴力预警（设计支撑轴力控制值为16000KN），且第三、四道支撑内应力仍有持续变大趋势。若按照设计直接拆除第四道桁架支撑，墙体水平位移及支撑轴力继续加大，导致支撑崩裂、基坑变形及既有3号线沉降等次生灾害，且无补强措施（基坑跨度大无法架设钢支撑），只能进行基坑砼回填确保既有3号线运营安全。经过充分研究，为确保万无一失，做以下方案研究进行加强处理[2]。

3.1.3 水平支撑换撑方案

建设工程中，为安全保证支撑体系转换，通常在底板与局部侧墙施工完成后，通过在侧墙预埋钢板，安装钢倒撑置换围护体系中混凝土支撑，在倒撑达到设计强度之后，切除第四道砼桁架支撑。但是大运站基坑跨度62.6-76.85m之间，钢支撑抗压强度与抗弯强度无法满足要求。若采用临时砼支撑进行换撑，工期无法保证且造成成本巨大浪费。

3.1.4 斜撑换撑方案

在拆除第四道砼桁架撑的时候，依据以前其他地铁深基坑施工的经验，可用钢斜撑进行换撑。在施工的过程中，首先要把钢板预埋在侧墙和底板上，采用钢斜撑将底板及侧墙相连。等斜撑施做完成且预应力施加后，再拆除第四道砼桁架支撑。但本工程设计支撑轴力控制值为11420KN，采用钢斜撑方案所需钢材市场上无成品，需钢构厂筑模进行特制。特制钢材基本无后续利用价值，造成成本浪费，且特制钢材加工工期亦不可控。

图11 短斜钢支撑换撑示意

3.1.5 支撑保留，负三层侧墙顺做

由于大运站西侧顺接大运枢纽交通核，故西侧无侧墙，东侧部分为下沉隧道底板素混凝土回填，故侧墙与第四道砼桁架支撑腰梁无冲突，即可以采用支撑不拆除，直接施做侧墙及中板的方式进行施工。确保安全的同时，也为方便施工，在施工侧墙前先将第四道砼桁架撑的琵琶撑处斜撑进行切除，只保留支撑及腰梁。

将支撑穿过侧墙部分进行隔离，侧墙在支撑处预留比支撑外径大30cm的环向洞口作为后浇带，环向洞口设置止水带，最后拆除第四道支撑，凿除侧墙处支撑进行预留洞口砼后浇[3]。

采用此法，侧墙穿越支撑施工时，模板开洞封堵难度较大，后期侧墙内支撑凿除难度大，后浇带施工困难且存在后期漏水风险，额外增加堵漏成本及破除砼成本（侧墙内无法切割）。

3.1.6 支撑保留，负三层侧墙逆做

综合考虑安全、质量、工期、成本等因素后，第四道支撑受力体系转换采用第四道支撑保留，负三层侧墙逆做的方式。也就是在底板做完之后，保留第四道支撑，不进行侧墙的施工，直接进行中板和中柱的施工。主体结构封顶后，拆除预留支撑，施工剩余侧墙。

表2 优化后支撑受力体系转换流程图

由于大运站大部分出入口及风亭采用顶板顶出的结构型式，主体结构内部预留孔洞较多，支撑后期拆除及侧墙逆做施工时无需增加材料倒运费用。后续负三层东侧墙也可与内部结构同期施工，对工程总体工期无影响。负二层中板施工时，可在侧墙位置预埋PVC管作为后续侧墙浇筑孔，解决了模板开洞封堵困难的问题，也确保了侧墙浇筑质量[4]。

3.1.7 对比分析

表3 第四道支撑拆除方案对比

对于第四道支撑换撑，采用支撑保留，负三层侧墙逆做的方式在确保质量的情况下，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 后续支撑体系受力转换

主体结构施工形成流水作业后，后续支撑体系拆除时，根据桁架式支撑型式，采取分段拆除的方式进行。先将支撑斜梁拆除，然后施工斜梁跨度内的结构板，再将支撑主梁拆除，施做主梁跨度内结构板。整个作业过程采用流水施工，不仅不会对现场施工造成影响，还保障了作业过程中的基坑及既有线安全。

表4 后续支撑受力体系转换流程图

4 综合对比分析

根据实际工况，底板施做完成后，围护结构变形已接近预警值，第三、四道支撑轴力仍存在变大趋势。在施工底板及负三层侧墙期间，如果围护结构持续变形或支撑轴力预警，势必会对既有3号线安全造成影响。如果采用设计方案施工，唯一解决方案为将基坑回填至第三道支撑（出现紧急险情时，已来不及加工钢斜撑）[5]。

工程在进行主体结构施工的时候采取的方式是：保留第四道支撑，不进行侧墙的施工，等到结构顶板达到设计强度后，拆除预留支撑，逆做底层侧墙。合理规避了施工风险，且相较于上述传统换撑方案，节约了工期与成本。至2021年3月，负二层中板施做完成后，第四道支撑轴力明显降低、第二、三道支撑轴力趋于平稳。

图12 第二道支撑轴力变化图

图13 第三道支撑轴力变化图

图14 第四道支撑轴力变化图

5 结论

本文以大运枢纽14、16号线车站明挖部分施工为依托，在总结紧邻既有线超大基坑工程受力体系转换方式优缺点的基础上，结合大运枢纽实际工程特点，通过方案对比分析，优化支撑拆除及结构施工时序、细化实施组织、跟踪现场实际施工情况、总结纠偏实施效果，得出结论如下：

(1) 对于紧邻既有线超大基坑工程施工，应灵活选择基坑受力体系转换方式。

(2) 对明挖深基坑根据现场实际监测数据，局部采取逆做法可有效减少围护结构变形及支撑轴力，有效保证了深基坑施工及周边既有线安全。

(3) 对桁架式支撑，采取先拆除琵琶撑，后拆除主桁架的方式分段拆除，有利于周边建构筑物沉降及基坑变形控制，确保周边既有线的安全。