分期围护桩对不设缝的地铁接口受力影响分析

1 引言

地铁选址普遍位于城市建成区， 当采用明挖法施工的结构受限于交通疏解、管线迁改、基坑形状及埋深等因素时，需采取分期施工的方式完成整个明挖结构的施工， 各分期实施部分的结构相接处为易产生质量问题的薄弱部位。

各分期实施部分结构相接驳的常用方法有两种：（1）通过设置变形缝将结构分开， 使各部分结构单独受力互不影响；（2）采用仅设置施工缝，使各部分结构连接成整体的方式。 当受限于整体结构平面形状、埋深、地层条件、建筑功能时，通常会采用第二种方式。 对于以结构自防水为根本的地下结构，各部分结构的接口部位为易开裂部位， 当设计建模计算未充分考虑各种对接口受力有影响的因素时， 将会导致施工结果与实际工况不符，使接口薄弱部位的结构尺寸、配筋不足引起结构开裂。 混凝土开裂后，不仅埋下结构渗漏水的隐患，还会使外部环境的侵蚀介质侵入混凝土内部，引起钢筋锈蚀，使得结构耐久性、承载力下降。

2 工程概况

某地铁明挖区间沿城市主干道路敷设，设双列位停车线，区间长度475 m，宽度21.7 m，底板埋深16.53 m。 为充分利用城市地下空间，区间上方及两侧设置为地下商业空间，地下商业空间与区间共同形成地下两层结构，其中，地下两层部分为区间主体结构，区间两侧地下一层部分为外挂结构，外挂结构宽度为9.25 m，结构顶板覆土厚度均为3 m。

本工程采用明挖法施工， 基坑方案为围护桩+ 内支撑+坑外降水。 结构沿城市主干道路中敷设， 为满足交通疏解需求，结构分2 期实施：一期施工区间主体部分，先将交通导改至一期施工的基坑两侧，完成区间主体并恢复通车；二期施工外挂结构部分，外挂结构施工完成后整体恢复路面交通。

结构采用箱形框架体系，沿区间纵向设置纵梁及框架柱，不设置横梁。 为满足结构抗浮要求，一期及二期围护桩均参与结构抗浮，其中，一期围护桩按锚入底板设计，二期围护桩利用桩顶冠梁兼做压顶梁， 施工完成后的结构及各主要构件尺寸如图1 所示。

图1 施工完成后结构横剖面图（单位：mm）

3 工程、水文地质概况

根据勘察报告， 结构所处地层自上而下分别为①1素填土、⑥1-1粉质黏土、⑧H-3中风化灰岩，区间主体及外挂结构均位于⑥1-1上， 一期围护桩嵌入⑧H-3中， 二期围护桩嵌入⑥1-1中，地下水最低水位位于区间主体底板下2.7 m，抗浮水位位于地面以下0.5 m。 岩土参数建议值见表1。

表1 地层岩土参数建议值表

4 分期围护桩对接口受力的影响分析

本工程区间主体与外挂结构均位于⑥1-1粉质黏土层（可塑状）上，但基坑围护结构设计需将一期围护桩嵌入⑧H-3中风化灰岩层中，且需锚入结构底板参与抗浮，因结构底板所处地层与分期围护桩所处地层差异很大， 以下分别按考虑分期围护桩作用（见图2、图3），以及不考虑分期围护桩作用进行建模计算（见图4、图5），并分析分期围护桩对接口受力的影响。

图2 不考虑分期桩时，高、低水位工况弯矩包络图（单位：kN·m）

图3 不考虑分期桩时，高、低水位工况剪力包络图（单位：kN）

图4 考虑分期桩时，高、低水位工况弯矩包络图（单位：kN·m）

图5 考虑分期桩时，高、低水位工况剪力包络图（单位：kN）

1）荷载信息（结构自重软件自行考虑，以下仅列出除结构自重外的其他荷载）：（1）顶板荷载：覆土自重60 kPa，地面超载20 kPa；（2）中板荷载：中板为人防中板，本次分析暂不考虑人防荷载作用，仅考虑人群荷载4 kPa；（3）底板荷载：低水位时底板水压为0，高水位时底板水压为10H（H 为抗浮水位至底板埋深，kPa）。

2）荷载组合：对于地下工程，应对使用阶段进行裂缝宽度验算，因地铁工程配筋一般由裂缝控制，故本次仅进行准永久组合计算，永久荷载组合系数为1.0，可变荷载组合系数为0.6。

3）内力计算结果见表2。

表2 接口处内力值汇总表

由计算结果可知，两种模型的内力计算结果偏差很大，当考虑分期围护桩作用时， 接口处顶、 底板均出现应力集中现象，从而引起相邻构件内力的差异。 其中，接口顶板支座处，模型②较模型①弯矩大35.7%，剪力大6.8%；接口底板支座处：模型②较模型①弯矩小9.2%、剪力大80%。 本工程结构底板整体位于⑥1-1上，根据其压缩系数指标判断为中压缩性土，而分期围护桩桩底嵌入高强度⑧H-3内，在整个施工过程中，地基土的回弹再压缩， 使桩两侧结构可能出现不同程度的微小沉降，接口处的结构构件存在应力集中现象。 因此，本工程应在建模计算中考虑围护桩的作用。

5 接口施工缝处理措施

当分期实施结构的施工缝设置于剪力较大的部位时，除在设计建模计算中充分考虑各种不利因素外， 还应重视对施工缝的处理。 新老混凝土黏结立方体试件的剪切破坏试验表明，剪切破坏部位均发生在黏结面，当对黏结面增加植筋时，结构在开裂状态时仍保持有较高的抗剪性能， 提高了黏结面的安全性[1]，当接口部位剪力很大时，建议在新老混凝土连接面处增设短钢筋进行连接。 界面的表面处理方法、界面剂的使用、 干湿状态等对新老混凝土界面黏结强度具有重要影响[2]，设计文件中应做相关要求。 先期完成的结构，因受其外侧围护结构成孔、成墙精度以及浇筑质量等因素的影响，接口部位若直接利用外侧围护结构作为侧模，极易出现蛇形、不平整结合面，会增加后期结合面处理难度，埋下质量隐患，故接口部位应单独设置模板，以保证结合面平整。 接口部位为易开裂漏水部位，接口防水除在结构外侧增设外包防水加强层外，建议在结构内部沿施工缝设置接水盒， 以确保在少量渗漏的情况下建筑内部能够正常使用。

6 结语