工学论文：地铁车站主体维护结构设计探析

 　　1 工程概述 　　
　　月亮岛路站位于长沙市望城区，站位位于规划道路月亮岛路与正在实施的银杉北路十字路口南侧，与远期10号线采用通道换乘，4号线站位沿银杉北路南北向敷设，为两层双柱三跨站。车站有效站台中心里程为YDK15+502.000,车站设计起点里程YDK15+424.825,车站设计终点里程YDK15+625.825,全长201 m,地理位置，如图1所示。
　　
　　月亮岛路站周边比较简单，以居住及商业用地为主，没有控制性建（构）筑物。车站范围内已经整理，地势交平。本站采用全明挖法施工，支护结构采用地下连续墙加内支撑的型式，依据基坑规范和总体技术要求的有关规定，本基坑安全等级为一级，基坑侧壁重要性系数为1.1,变形控制保护等级为一级。
　　
　　2 优化范围 　　
　　本次设计的范围，为月亮岛路站主体基坑围护结构设计，设计内容包括地连墙、封底注浆加固、混凝土支撑及钢支撑、临时立柱及立柱桩基础、腰梁、钢连梁设计、基坑及周边环境监测等。
　　
　　3 工程地质、水文地质 　　
　　场地原始地貌单元主要为湘江Ⅱ级侵蚀堆积阶地，地形开阔，地势起伏变化较大，钻探时，钻孔孔口标高介于29.73~45.90 m.本车站勘察揭露第四系地层主要为全新统人工填土层、全新统冲积粉质粘土层，中更新统冲积砂层、圆砾及卵石层；下伏基岩为元古界板溪群（Pt）板岩地层。
　　
　　场地邻近湘江，距其堤岸约800 m,除此外无其他地表水系。长沙湘江航电枢纽工程建成后，水位标高将抬升到设计正常蓄水位标高29.70 m.
　　
　　根据勘察揭露各岩土层特征，主要含水层的岩土条件，按照地下水的赋存方式可分为第四系松散层孔隙潜水和基岩裂隙水两种类型。
　　
　　场地处于中亚热带湿润季风气候区，降雨量大于蒸发量，大气降雨是本区地下水的主要补给来源，地下水位变化主要受气候及湘江水域的控制，每年4~9月份大气降水丰沛，是地下水的补给期，其水位会明显上升，而每年的10月至次年3月为地下水的消耗期和排泄期，地下水位随之下降，湘江水面及横穿线路的龙王港水面是勘察区地下水的排泄基准面。根据长沙地区经验数据，常年变化幅度4.00~8.00 m.
　　
　　场地所有钻孔均遇见地下水，勘察时测得各钻孔中潜水混合稳定水位埋深0.40~13.80 m,相当于标高28.93~34.05 m.
　　
　　根据详勘报告，车站抗浮水位值按黄海高程36.00 m采用。
　　
　　场地内地下水对混凝土结构具微腐蚀性；对混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。
　　
　　月亮岛路站场地分布有粗砂、圆砾及卵石层等地层，透水性及富水性好，具一定的承压性，水量丰富，车站站距离湘江大堤约800 m,车站砂卵石层与湘江构成一定的水力联系，枯水期随湘江水位下降而下降，丰水期随湘江水位上升而上升，场地地质条件复杂，基坑开挖施工时可能发生突水、涌砂，甚至造成坑壁坍塌等工程风险，应加强防范措施。
　　
　　4 工程材料 　　
　　①地下连续墙：水下C35、P8混凝土；②冠梁：C35混凝土；混凝土支撑、腰梁：C30混凝土；压顶梁填充：C35微膨胀素混凝土；③钢筋：HPB300（Φ）级、HRB400（Φ）级钢筋，材质应分别符合现行国家标准《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》及《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》的要求；④焊条：用电弧焊接Q235-B钢板和HPB300钢筋时采用E43焊条，焊接HRB400钢筋时采用E50焊条，焊接熔敷金属的化学成分和力学性能应满足（GB/T 5117-1995）和（GB/T 5118-1995）的规定；⑤注浆袖阀管：柔性塑胶Φ76袖阀管，注浆水灰比建议值W∶C=0.6∶1~1∶1,双液浆体积比建议值0.5∶1~1∶1;⑥混凝土构件钢筋净保护层最小厚度：连续墙：外侧70 mm;内侧70 mm;冠梁：45 mm;支撑、腰梁：30 mm;挡土墙、导墙、板撑：25 mm.⑦受力钢筋在三级抗震等级的锚固长度见下表。受力钢筋的连接采用焊接或机械连接，当采用焊接时，焊接长度：单面焊≥10 d,双面焊≥5 d,焊条的性能和质量应符合国家现行标准的规定；采用机械连接时，连接件必须是国家有关部门批准合格的产品，符合有关质量标准，并经现场实验合格后方可使用。分布钢筋及直径小于25 mm的受力钢筋可采用绑扎搭接连接。
　　
　　5 基坑围护结构设计 　　
　　5.1 设计标准和原则
　　
　　①基坑安全等级为一级，基坑侧壁重要性系数取一级，因此，结构重要性系数按1.1考虑。
　　
　　②基坑变形控制保护等级为一级，围护最大水平位移≤2‰H,且≤30 mm;地面最大沉降量≤1.5‰H.（H为基坑最终开挖深度）。
　　
　　③抗浮验算及设计：当结构抗浮不能满足要求时，应采取相应的工程措施。对本工程而言，泄水减压措施不能作为永久性结构抗浮措施考虑。
　　
　　④结构设计使用年限要求：围护结构作为永久构件组成部分是，世纪寿命100 a;本车站基坑设计使用年限为两年，如果基坑暴露时间超过两年，应考虑影响基坑支护的各种不利因素，采取相应的加强措施。
　　
　　⑤本车站地下结构按施工与正常使用阶段，进行强度、刚度和稳定性计算。
　　
　　⑥地下结构设计考虑施工误差、结构变形和位移的影响，施工误差按工规范执行。
　　
　　5.2 围护结构方案
　　
　　5.2.1 支护设计
　　
　　根据本站所处的环境、工程地质、水文地质、基坑深度，经计算分析、工程类比、技术经济综合比较，本站围护结构采用800 mm厚地下连续墙加3道内支撑方案。围护结构嵌固深度要求：钢筋混凝土墙一般嵌固7 m;考虑到基坑的止水要求，下部增加4~5 m素混凝土墙。
　　
　　车站标准段竖向共设置1道砼支撑+2道钢支撑；南、北端头井段竖向设置2道砼支撑+1道钢支撑。支撑水平和竖向间距详见设计图，钢支撑采用Φ609,t=16mm钢管，第一道混凝土支撑截面为700?×900?,第二道混凝土支撑截面为800?×1 000?,如图2、图3所示。
　　
　　5.2.2 地下水处理
　　
　　本工程采用的止水+注浆封底方案：地下连续墙插入基底以下7m外加4~5m素混凝土墙，并在基底注浆加固封底，满足抗突涌要求。
　　
　　5.2.3 抗浮设计
　　
　　按地勘单位提供的抗浮水位进行抗浮稳定验算，仅考虑主体结构自重而不考虑侧壁摩阻力时，抗浮最小安全系数为0.81< 1.05,不满足抗浮要求；采用压顶梁抗浮并同时考虑地连墙的自重后，抗浮最小安全系数为1.06>1.05,满足抗浮要求，不需要采取其它的抗浮措施。
　　
　　5.3 设计荷载
　　
　　5.3.1 永久荷载
　　
　　主要包括：地层压力、结构自重、水压力。
　　
　　5.3.2 可变荷载
　　
　　①地面超载在施工阶段考虑施工车辆，机具超载值标准段按不小于20 kPa计算，盾构井段按不小于30 kPa计算。
　　
　　②施工荷载：5 kPa.
　　
　　5.3.3 荷载组合
　　
　　按照地下结构按施工与正常使用阶段，进行强度、刚度和稳定性等方面，对车站结构进行计算。荷载的分项系数及组合系数按《建筑结构荷载规范》取值，结构重要性系数按1.1考虑。
　　
　　6 施工方法及主要施工步骤
    本车站采用明挖顺筑法施工，基坑工程主要施工工序，如图4所示。
　　
　　7 施工主要技术措施
　　
　　7.1 总体要求
　　
　　①支护结构施工前，应仔细查明场地范围内的地下管线情况，并会同建设单位、设计、监理等单位和管线权属部门共同研究，确保管线的安全和正常使用，在地面以下3.0 m范围内，须采用人工开挖。
　　
　　②施工前，应邀请有资质的第三方单位对既有建、构筑物的沉降、倾斜、位移、裂缝等进行初始值测定，避免以后与周边业主产生不必要的纠纷。面或立面上连续墙都不得侵入车站基坑一侧，为保证满足这一要求，应根据地质条件、挖槽机械性能、垂直偏差+地下墙最大允许变形及承包商施工经验等因素，施工放样时连续墙平面位置应适当外放，无经验时，可按开挖深度的1/150外放（此误差含测量误差、墙体倾斜、不平整度、墙体最大水平位移等）。围护结构坐标应根据实际放线情况做适当调整。施工放线完成后经监理单位及有关单位复核无误后方可施工。
　　
　　④施工阶段，围护结构周围堆载不得大于20 kPa.
　　
　　7.2 场地平整
　　
　　基坑地面高程按车站中心里程地面标高（56黄海高38.10 m）进行设计，主体结构侧墙外侧地面根据设计地面标高进行平整，同时，基坑周边3~4 m范围内采用100厚素混凝土做地面硬化处理，以满足施工场地的需要。
　　
　　7.3 地下连续墙施工
　　
　　①地下连续墙施工顺序。
　　
　　修筑导墙→泥浆护壁成槽→清底→钢筋笼吊放→插入导管→混凝土浇筑一幅槽段循环。连续墙施工前一般应做成槽工艺试验，试验数量不少于一个单元槽段。试验段可利用工程槽段，也可在地质条件类似的地点进行，以核对地质资料，检验所选用的设备，施工工艺以及技术措施的合理性，取得造孔成槽、泥浆护壁、混凝土灌注等第一手资料。
　　
　　②导墙施工。
　　
　　槽段开挖前，应沿地下墙墙面两侧构筑导墙，导墙应有足够的强度、刚度、整体性。墙背不应回填垃圾及其它透水材料，应用粘土分层夯实，以防成槽泥浆外渗，导墙的形式和分段长度宜根据现场的地质情况确定并与地下连续墙的接头错开，应保证导墙墙面与土面密贴，防止坍塌。导墙净距应大于为地下连续墙设计尺寸40~60 mm,外放后并要确保车站建筑限界、内净空尺寸和内衬墙的厚度要求。
　　
　　现浇钢筋混凝土导墙拆模后，应沿其纵向每隔1.0 m左右加设上下两道支撑，在导墙混凝土未达到设计强度前，禁止任何重型机械和运输设备在旁边行走，以防导墙受压变形。
　　
　　开挖导墙时，施工单位应采用放坡或临时钢板桩等措施，确保开挖及导墙施工过程安全。
　　
　　施工单位根据现场实际情况及需要，在导墙上设置溢浆孔。
　　
　　③泥浆护壁要求。
　　
　　废弃的泥浆，应按环境保护的有关规定处理；根据工程水文地质、挖槽方式、泥浆循环方式等因素，成槽与浇注混凝土期间，不同工作状态下的泥浆性能指标应满足有关规范、技术规程的要求；在淤泥、淤泥质粘土砂层等软弱松散地层中，连续墙成槽较困难，施工期间为避免槽壁塌孔，槽内泥浆面必须高于导墙底面0.5 m以上，亦不应低于导墙顶面0.3 m,在砂层施工时，应适当提高泥浆比重与粘度增加泥浆储备量。
　　
　　④成槽要求。
　　
　　应根据本站地质条件采取合理、安全、必要的措施，确保顺利成槽及不塌孔，保证连续墙的各项指标达到设计要求。
　　
　　此外，槽段的长度、厚度、倾斜度等应符合下列要求：
　　
　　槽段垂直度允许偏差±1/500;槽段长度允许偏差±50 mm;槽段厚度允许偏差±10 mm;墙面局部突出不应大于100 mm;墙面上预埋件的位置偏差不应大于100 mm;接头处相邻两槽段的中心线在任一深度的偏差不得大于60 mm;孔洞、露筋、蜂窝的面积不得超过单元槽段裸露面积的5%;槽段接缝处仅有少量夹泥，无漏水现象；挖槽结束后，应将槽底的沉渣等杂物清理干净，沉渣厚度不得大于200 mm;浇筑冠梁前，应将顶部浮渣及超高部分混凝土凿除。
　　
　　⑤钢筋笼的制作、吊装及预埋件埋设。
　　
　　严格按照设计要求要求，钢筋笼的制作、吊装及预埋件埋设。钢筋笼制作与吊装偏差控制要求，见表1.
　　
　　⑥混凝土浇筑。
　　
　　混凝土导管直径、间距、位置由施工单位自行确定，但混凝土导管水平布置距离不应大于3m,距槽段端部不应大于1.5 m,各导管底面的高差不宜大于0.3 m.导管下端距槽底应为300~500 mm,灌注混凝土前应在导管内临近泥浆面位置吊挂隔水栓。
　　
　　混凝土配合比应满足设计强度要求，采用导管在泥浆中浇注的混凝土应和易性好、流动度大、缓凝。
　　
　　混凝土浇灌前，可利用导管进行约15 min以上的泥浆循环，以改善槽内泥浆质量。
　　
　　钢筋笼沉放就位后应在4h内浇灌混凝土，超过4 h而未能浇筑混凝土，应把钢筋笼吊起，冲洗干净后再重新入槽；各导管储料斗内混凝土储量，应保证开始灌注混凝土时，埋管深度不小于500 mm;钢筋笼开始浇灌混凝土时，速度要快，使槽底沉渣随着混凝土表面一起上升，一次性要保证连续浇灌6m以上的混凝土；混凝土应连续浇灌，浇筑液面的上升速度不宜小于3 m/h,导管埋入混凝土中长度控制在2.0~4.0 m,相邻两导管内混凝土高差不应大于0.5m.
　　
　　采用跳挖法施工，分先浇槽段与后浇槽段施工，后浇槽段应于先浇槽段强度达70%以上才可开始挖槽施工。
　　
　　墙段的浇筑标高应比墙顶设计标高增加500 mm.浇注墙顶冠梁前，必须清理墙顶的残渣、浮土和积水，并保证墙顶面嵌入冠梁底面内50mm.
　　
　　考虑到水下灌注混凝土的质量，泥浆中浇筑的混凝土其浇筑时的级配混凝土强度应比设计强度提高一个等级，并采用高品混凝土。
　　
　　导管提升不得碰撞钢筋笼，为避免混凝土浇灌过程中钢筋笼上浮、下沉，应设置钢筋笼定位固定器。
　　
　　钢筋笼和导管吊放入槽后，应会同设计单位对单元槽段进行隐蔽工程验收，合格后方可灌注水下混凝土。
　　
　　连续墙施工过程中，应根据施工实际情况与地质勘察资料进行核对，若有变化应立即通知监理、设计等相关单位协调处理。
　　
　　为确保安全，应采用信息化施工，动态管理：施工过程中必须根据监测信息，及时反馈，对支撑随时监控、及时调整或加固，从信息化施工的要求出发，应根据施工工况编制系统、周详的基坑开挖监测方案和信息反馈系统，确保监测方案的实施和反馈系统的运作。
　　
　　⑦墙身质量检测按《建筑基坑支护技术规程》的规定执行。
　　
　　7.4 钻孔桩施工要求
　　
　　①钻孔桩施工顺序。
　　
　　成孔（泥浆护壁）-下钢筋笼-浇灌混凝土-下一孔循环。
　　
　　②成孔（泥浆护壁）。
　　
　　泥浆护壁成孔时，泥浆制备应选用高塑性黏土或膨润土；泥浆应根据施工机械、工艺及穿越土层情况进行配合比设计。
　　
　　本区域砂卵石层厚，容易产生泥浆渗漏，成孔时，应采取措施维持孔壁稳定。
　　
　　桩孔成型后，必须清除孔底沉渣，清孔后沉渣厚度不宜大于100mm,并应立即灌注水下混凝土。
　　
　　在清孔过程中，应不断置换泥浆，直至灌注水下混凝土。
　　
　　③钢筋笼的制作、吊装及预埋件埋设。
　　
　　纵向钢筋种类用HRB400,纵向钢筋的接长应优先采用焊接，接口必须按规范要求错开。
　　
　　横向加劲箍采用HRB400,螺旋钢箍种采用HPB300钢筋。纵横钢筋交接处均应焊牢。
　　
　　钢筋笼外侧需采用有效措施，以确保钢筋保护层的厚度。
　　
　　④混凝土浇筑。
　　
　　水下混凝土的用料及配合比按现行规范和规程处理。
　　
　　本工程采用导管灌注水下混凝土，导管的构造和使用以及灌注水下混凝土的施工要领按现行规范和规程处理。
　　
　　为确保水下混凝土的质量，向导管灌注混凝土时建议采用混凝土泵输送或采用其它有效措施。
　　
　　⑤施工容许偏差值，见表2.
　　
　　⑥临时立柱安装允许偏差值。
　　
　　立柱垂直度偏差不大于基坑开挖深度的1/300;支撑与立柱的轴线偏差不大于30mm.
　　
　　7.5 玻璃纤维筋墙要求
　　
　　在盾构洞门处，采用玻璃纤维筋替代普通钢筋作为围护结构的受力筋。主筋、拉筋、辅助筋均采用玻璃纤维筋，该处的墙幅宽度取7.5m,且对称于线路中心线布置。
　　
　　7.6 基底注浆加固
　　
　　加固水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥。采用Φ76@1 300袖阀管进行注浆加固，在注浆施工中，应通过现场试验对布孔方式、注浆参数及浆液配比作进一步试验调整，并在以后注浆过程中根据现场实际情况进行适当调整，以确保注浆效果。
　　
　　7.7 基坑降水、排水或止水
　　
　　①基坑内按要求布置疏干井。该降水井外径800mm,中心抽水孔为600 mm钢管，基坑内疏干井除起降水疏干作用外，还兼起基坑内集水作用。
　　
　　②降水井在具体施工过程中，根据抽水情况、周边环境等可适当调整，当抽水效果不好时，还可会同各参建方协商进行加密。
　　
　　③基坑开挖前开始降水，水位降至开挖面以下不小于1000mm,降水井保留到底板施工完成。
　　
　　④降水井不要堵孔，确保施工无水作业及施工质量。
　　
　　⑤降水时，做好及时抽排，并做好记录。
　　
　　⑥基坑外需加设水位观测井，具体宜由承包商自行考虑设置。施工过程中，要不断监测坑外水位，尤其是丰水期要加强坑外水位监测。若水位升高超过地勘常水位（即黄海高程34.000），应及时抽走超过常水位的水，保证施工安全。
　　
　　7.8 基坑开挖
　　
　　基坑开挖前，应做好场地的地面排水措施。尽量避开雨季施工，如在雨季施工，车站基坑开挖前，做好基坑内降排水措施。基坑降水深度应控制在结构构件最低点以下1.0 m,降水过程中应对基坑周围邻近建（构）筑物加强监测，必要时，采取坑外回灌等措施。
　　
　　围护结构施工前，应查明车站范围内的地下管线的位置、埋深、管线材质以及基础形式，保证管线的安全和正常使用。施工中谨慎施作，以免损坏管线，以确保施工期间地下管线的正常使用和安全。
　　
　　7.9 支撑系统（包括冠梁及腰梁施工）
　　
　　7.9.1 支撑拼装要求
　　
　　支撑系统作为基坑支护结构的重要组成部分，必须严格按设计要求选用、安设。
　　
　　7.9.2 支撑预加轴力
　　
　　①在施工过程中，要求对钢支撑预加轴力，预加轴力大小根据设计提供施加。为控制地连墙水平位移，钢支撑必须有重复预加轴力的装置，当监测的支撑压力出现损失时，应再次施加预压力。
　　
　　②各道支撑预施加轴力取轴力标准值的50%~80%.
　　
　　斜撑端部支托钢构件、预埋钢板必须按设计提供的支撑轴力进行抗剪强度验算，配置足够的锚筋。预压力应分级施加，重复进行，加至设计值时，应再检查各节点连接状况，必要时，对节点进行加固；预压力达到设计值且稳定后锁定，与腰梁连接，方可继续向下开挖。
　　
　　7.9.3 砼支撑施工要求
　　
　　①砼支撑均采用现浇。
　　
　　②开挖至砼支撑底标高后，既安装模板，绑扎钢筋，进行浇注，砼支撑、砼腰梁须一起整体浇注，待混凝土强度达到设计强度后方可往下开挖。
　　
　　③砼支撑施工时按L×3‰预起拱，L为支撑跨度。
　　
　　7.9.4 支撑及围檩安装允许偏差值
　　
　　确保钢筋混凝土构件的截面尺寸、同层支撑中心标高偏差、支撑构件两端的标高差、支撑水平轴线偏差在允许范围内。
　　
　　7.10 基坑回填
　　
　　在主体结构及附属结构施做完成后，及时回填基坑。
　　
　　要确保回填土的质量和控制压实标准。
　　
　　7.11 施工监测
　　
　　采取必要的措施，对周边建筑物及地表点进行监测，一旦出现异常，及时预报，并采取必要的对策。
　　
　　参考文献：
　　
　　[1] GB 50157-2013,地铁设计规范[S].
　　
　　[2] GB 50108-2008,地下工程防水技术规范[S].
　　
　　[3] 傅鹤林。地铁安全施工名技术手册[M].北京：人民交通出版社，2012.