地铁车站与配套一体化地下结构共用围护桩截除方案研究
陈振溢;卢艳伟;弓广辉;胡少斌;邹温胜
【摘 要】As the auxiliary project of Daoxianghu subway station of Beijing metro line 16,the integrated underground structure is adjacent to the north side of the subway station and open excavation method is used.The supporting pile on the north side of the subway station is used as the supporting pile of the integrated underground structure.Three joint ports are arranged on the underground floor and subway station hall,which requires the common supporting piles need to be cut off.Because of low construction efficiency of the original pile cutting scheme,it is impossible to finish the pile cutting before the subway station is put into
operation.According to the overall construction arrangement,the original pile removal scheme is optimized and the structural stress and
deformation state of the original design scheme and optimization scheme are calculated and analyzed.On the basis of the optimization scheme,applicable pipe cutting scheme is put forward and applied successfully in engineering.%与北京地铁16号线稻香湖站配套的一体化结构紧邻地铁车站北侧布置,采用明挖法施工,一体化结构与车站北侧共用围护桩.在一体化结构地下一层与地铁车站站厅层设置3个连通口,为形成连通口,需要截除共用的围护桩.原设计的围护桩截除方案由于施工效率低,不能确保在地铁车站投入运营前完成围护桩的截除.根据工程总体施工安排,对原设计的围护桩截除方案进行优化,并对原设计方案和优化方案的一体化结构受力及变形状态进行对比计算分析.在优化方案的基础上,提出便于工程实施的截桩方案,并在工程中得到成功应用.
【期刊名称】《铁道标准设计》 【年(卷),期】2017(061)012 【总页数】5页(P73-77)
【关键词】地铁车站;一体化地下结构;共用围护桩截除方案;结构受力与变形状态;一体化地下结构建造方案
【作 者】陈振溢;卢艳伟;弓广辉;胡少斌;邹温胜
【作者单位】北京城乡建设集团有限责任公司 北京 100079;北京城乡建设集团有限责任公司 北京 100079;北京城乡建设集团有限责任公司 北京 100079;北京城乡建设集团有限责任公司 北京 100079;北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044
【正文语种】中 文 【中图分类】TU375.4
随着城市地下空间一体化开发和集约化利用的逐步深入发展，越来越多的地铁车站开始与临近的商业建筑实施一体化建设。地铁车站与周边地下空间的一体化建造模式就是将地铁车站与周边地下空间相结合，统一设计、规划并分期进行施工[1-6]。近年来北京地区轨道交通与商业设施配套建设的项目越来越多[7]，地铁车站与配套的一体化结构由于在空间上采用了集约设计的理念，必然会给相应的施工方案制定带来诸多挑战，需要考虑结构施工之间的相互影响和相应的控制措施。 北京地铁16号线稻香湖站为两层双柱3跨箱形结构地下车站，采用明挖法施工，围护结构为φ800 mm钻孔灌注桩。与该站配套的一体化地下结构位于车站北侧商业用地范围内，分两期建设，一体化结构的一期工程为两层双柱3跨箱形地下
结构，紧邻地铁稻香湖站北侧布置，采用明挖法施工，围护结构为φ800 mm钻孔灌注桩，在南侧与车站共用围护桩。稻香湖站与配套的一体化结构位置关系见图1。
一体化结构基坑内支撑为3道钢支撑，第1道位于冠梁上，第2道位于中板以上，第3道位于底板以上。在一体化结构地下一层南侧与地铁稻香湖路站站厅层设置了3个一体化连通口，供行人在车站与一体化地下结构之间通行，连通口设置在车站人防门位置，紧急情况下人防门关闭，平时则需要将人防门向两侧移动，因此需要凿除连通口两侧共用的围护桩。 (1)原设计的共用围护桩截桩方案分析
原设计的截桩方案是：待一体化结构全部施工完成后由车站预留人防门位置开始截桩(图2)。这种截桩方案的缺点是：由于共用桩两侧的车站侧墙和一体化结构侧墙已经形成，因此截桩施工作业空间狭小，作业面宽度仅有1.17 m(桩径800 mm+车站侧墙外侧的砌块370 mm)，大型设备难以进入作业面，主要依靠人工凿除围护桩，施工效率低，截桩作业工期长。由于车站主体结构2016年6月完工，2016年12月底需要投入运营，而一体化结构是在车站主体结构施工结束后开始施作，为避免截桩对车站正常运营的影响，围护桩的破除工作必须在车站正常运营前完成作业。如果待一体化结构建造完成后，再安排截桩施工，根据截桩效率测算，是不可能完成的，因此需要对原设计的截桩方案进行优化。 (2)共用围护桩截除优化方案
为确保在地铁车站投入运营之前完成共用围护桩的截除，提出的优化截桩方案如下：待一体化结构的负二层施工完成且中板强度达到设计强度后，拆除基坑的第1道、第2道钢支撑，从地面往下依次分段进行大面积截桩。由于此时一体化结构的负一层尚未施作，因此可以使用大型的截桩设备，作业面多，施工效率高。待共用的围护桩全部截除后，再进行一体化结构负一层的施工。
优化的截桩方案存在的主要问题如下：由于拆除了第1道、第2道钢支撑，一体化结构的基坑北侧围护桩成为悬臂结构，在土体侧压力下将向基坑内侧发生侧移，并且一体化结构的中板受力工况将不同于原设计截桩方案的受力工况。因此需要从以下2个方面对优化的截桩方案进行分析。
①由于中板受力工况的改变，中板的变形、内力是否满足要求。
②拆除第1道、第2道钢支撑后，在土压力的作用下，一体化结构基坑北侧围护桩的变形及强度是否满足安全要求。
对原设计的截桩方案和优化后的截桩方案分别建立计算模型，并对计算结果进行对比分析。考虑到Midas-GTS主要适用于结构内力分析，不能反映拆除支撑对围护结构变形的影响；Flac 3D计算软件能够模拟支撑拆除对围护结构变形的影响，但对结构内力分析存在缺陷[8-9]。具体建模方法如下：
(1)采用荷载-结构模型研究两种截桩方案的中板应力状态，采用Midas-GTS分析软件；
(2)采用地层-结构模型研究优化截桩方案下的基坑北侧围护桩变形状态，采用FLAC 3D分析软件。
3.1 2种截桩方案的中板受力分析 3.1.1 计算模型的建立
荷载结构法的整体计算模型如图3、图4所示，细部计算模型如图5所示。 原截桩方案的计算分析工况：负二层结构形成，并拆除第2道钢支撑(此时为原方案的最不利工况)；优化截桩方案的计算分析工况：负二层结构形成，将第1、2道钢支撑都拆除。
3.1.2 2种截桩方案的一体化结构中板受力状态计算分析 (1)2种截桩方案的中板弯矩
2种截桩方案的中板弯矩如图6所示。
通过弯矩云图和横截面弯矩变化可以看出：
①原截桩方案：中板承受的弯矩较小，且变化比较均匀，最大正弯矩22.5 kN·m，最大负弯矩7.8 kN·m；
②优化的截桩方案：在中板与侧墙接触部位以及中板与立柱接触部位，弯矩出现峰值，最大正弯矩28.4 kN·m，最大负弯矩27 kN·m，可以看出弯矩值并不大。 (2)2种截桩方案的中板上缘应力分布
2种截桩方案的中板上缘应力分布如图7所示。
计算结果表明：2种截桩方案下的中板上缘均以受压为主，且压应力值远远小于中板混凝土结构的压应力允许值。
(3)2种截桩方案的中板下缘应力分布(图8) 计算结果表明：
①原截桩方案：中板下缘主要处于受压状态，在北侧立柱与中板接触部位的局部单元出现拉应力；
②优化的截桩方案：中板下缘的压力值比原截桩方案要大，且中板下缘局部出现拉应力区。但最大拉应力值远远小于混凝土抗拉强度。 (4)2种截桩方案的中板应力集中现象分析
从中板受力云图可以明显看出,中板上表面只有极个别的单元受拉，因此主要对中板下表面的应力集中现象进行分析。
采用原设计的截桩方案：中板下缘局部单元会出现拉应力集中，主要出现在北侧立柱上方的梁、板接触部位；另外在中板与北侧墙的接触部位也局部出现受拉单元。拉应力为2.0～3.0 MPa。
采用优化的截桩方案：中板下缘拉应力集中部位有：北侧立柱上方的梁、板接触部位；南侧立柱上方的梁、板接触部位；基坑北侧的墙与中板接触部位。
与原设计的截桩方案相比，采用优化截桩方案，中板下缘的拉应力集中现象增加，
但是应力集中部分的拉应力为2.0～3.5 MPa，与原截桩方案相比并没有明显增加。 采用优化的截桩方案，由于第1、第2道钢支撑需要拆除，中板以上的围护桩处于悬臂状态，拆撑后基坑北侧围护桩变形云图见图9。
(1)围护桩新增变形值：从中板下2 m至围护桩顶提取围护桩的变形，见图9。由于第1、2道钢支撑的拆除，导致基坑北侧围护桩向基坑内侧产生倾斜，最大位移值约5.5 cm，由于基坑北侧的环境条件相对简单，因此围护桩变形基本满足安全要求。
(2)附加弯矩：经验算，围护桩所能承受的最大弯矩约为2 193.8 kN·m，在围护桩挠度为5 cm的情况下，此时围护桩所承受的最大弯矩为669.8 kN·m。
对围护桩的变形及强度进行分析表明：采用优化的截桩方案能够满足围护桩的安全要求。
数值模拟计算结果表明上述方案理论上是可行的。但经过评审后认为方案实施起来有一定的安全风险，主要表现在：基坑的第1道、第2道钢支撑拆除后，一体化结构的北侧围护桩变为悬臂结构，对基坑稳定性极为不利。为此对上述的共用围护桩截除方案进行了再次优化，并在工程中实施。
(1)连通口之间的一体化结构南侧墙由剪力墙结构改为框架结构(图10)，然后从框架中间进行大范围截桩，待围护桩破除后再恢复剪力墙。
(2)与车站邻近的南侧剪力墙位置在主梁下设600 mm×1 200 mm框架柱，次梁下设600 mm×800 mm框架柱。
具体施工安排是：待中板形成后，拆除中板上方的第2道钢支撑，进行负一层结构施工，负一层结构邻近车站一侧的剪力墙改为立柱，并与负一层梁形成框架结构，这样由于没有侧墙对截桩空间的制约，可直接在框架柱之间进行截桩。 截桩步骤如图11所示。
结合上述两种优化方案的优缺点分析及以往的工程经验，充分利用基坑工程的空间
效应[10-12]，经讨论决定：在一体化结构的中间通风口位置约33 m长度范围内按最初的优化方案进行施工；通风口两侧按后续的优化方案进行施工(图12)。 (1)针对原设计的共用围护桩截除方案在工期上不能满足要求的问题，提出了优化截桩方案，即：待一体化结构的负二层施工完成且中板强度达到设计强度后，拆除基坑的第1道、第2道钢支撑，从地面往下依次分段进行截桩。由于此时一体化结构的负一层尚未施作，因此可以使用大型的截桩设备，作业面多，施工效率高。待共用的围护桩全部截除后，再进行一体化结构负一层的施工。
(2)通过对2种截桩方案的一体化结构中板弯矩、上缘应力、下缘应力以及应力集中现象的分析表明：采用优化的截桩方案对中板受力状态并没有产生明显的不利影响；对围护桩的变形及强度进行分析表明：采用优化的截桩方案能够满足围护桩的安全要求。
(3)考虑到优化的截桩方案在实施过程中可能存在一定的风险，在优化方案的基础上，提出了便于工程实施的截桩方案，即：待一体化结构中板形成后，拆除中板上方的第2道钢支撑，进行负一层结构施工，负一层结构靠近车站一侧的剪力墙改为立柱，主梁下设600 mm×1 200 mm框架柱，次梁下设600 mm×800 mm框架柱，并与负一层梁形成框架结构，这样由于没有侧墙对截桩空间的制约，可直接在框架柱之间进行截桩。完成截桩作业后，再将框架柱结构转化为框架剪力墙结构。
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