地鐵車站端頭井基坑支撐體系
摘 要 在地鐵車站端頭井基坑施工中，支撐體系的選擇和施工是保障安全的重要基礎(chǔ)。文章介紹了地鐵一號(hào)線漕寶路站北端頭井、漢中路站端頭井、軌道交通明珠線二期浦東大道站南端頭井的支撐布置形式、支撐施工技術(shù)及基坑施工的相關(guān)技術(shù)。作者對(duì)3種斜撐支座提出自己的看法，愿與同行商榷。
關(guān)鍵詞 端頭井基坑 支撐體系 斜撐支座 輔助措施
1 地鐵車站端頭井支撐體系
在地鐵車站的施工中，由于端頭井是盾構(gòu)隧道施工的工作井，其開(kāi)挖深度和基坑的支撐體系均比標(biāo)準(zhǔn)段要復(fù)雜，因此，支撐體系在端頭井施工中起著十分重要的作用，它影響著整個(gè)基坑和周圍環(huán)境的安全。
基坑的支撐體系主要有鋼支撐體系、鋼筋混凝土支撐體系、鋼筋混凝土和鋼支撐的混合體系等類型，其布置形式主要有雙向井格型、斜撐加直撐型、斜撐型、封閉式框架支撐型、圓弧型等。由于地鐵車站端頭井的平面尺寸一般寬度為20多米，因此，主要采用鋼支撐，地鐵一號(hào)線漕寶路站北端頭井、新閘路站端頭井主要采用雙向井格型，漢中路站端頭井開(kāi)始使用斜撐加直撐型布置形式，因斜撐體系具有形式簡(jiǎn)潔、安全可靠、便于施工、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)，目前地鐵車站端頭井主要采用斜撐型支撐布置形式。
1.1 雙向井格型鋼支撐
漕寶路站北端頭井（上海地鐵試驗(yàn)工程的一部分，施工時(shí)間較早）采用地下連續(xù)墻圍護(hù)，雙向多道支撐明挖施工，基坑平面尺寸為28.8 m×20.6 m，連續(xù)墻厚0.65 m，深度為21.5 m，基坑開(kāi)挖深度約13.4 m。
支撐體系的布置形式采用鋼支撐雙向井格型（見(jiàn)圖1），基本都是直撐（間距為3 m左右），這種支撐布置形式的優(yōu)點(diǎn)是支撐受力形式簡(jiǎn)單，較易控制基坑圍護(hù)的變形，基坑支護(hù)體系較穩(wěn)定；其缺點(diǎn)是需在端頭井和標(biāo)準(zhǔn)段之間設(shè)置一堵封頭墻，支撐投入量較大，且形成的網(wǎng)格形狀對(duì)挖土等施工有一定影響，在施工操作、工期以及經(jīng)濟(jì)方面有一定的弊端。
1.2 斜撐加直撐型鋼支撐
地鐵一號(hào)線漢中路西端頭井24.6 m′12.55 m，基坑開(kāi)挖深度約16 m，采用600 mm厚地下連續(xù)墻圍護(hù)。原設(shè)計(jì)方案采用鋼支撐雙向井格型，經(jīng)方案的優(yōu)化，調(diào)整為斜撐加直撐型的布置形式（見(jiàn)圖2）。其施工比井格型支撐體系簡(jiǎn)便，基坑開(kāi)挖、支撐安裝等也比較方便，并且省去了1堵封頭墻和26根支撐，經(jīng)濟(jì)效益明顯。
1.3 斜撐型支撐體系
軌道交通明珠線二期浦東大道站南端頭井23.7 m′15.3 m，基坑開(kāi)挖深度約17.7 m，采用800 mm厚地下連續(xù)墻圍護(hù)，深度方向設(shè)置5道支撐，支撐的平面布置采用目前較常用、較典型的斜撐型支撐體系形式（見(jiàn)圖3），在4個(gè)陰角處采用三角形鋼筋混凝土薄板支撐，并在與標(biāo)準(zhǔn)段連接的轉(zhuǎn)角處外陰角進(jìn)行土體加固，有效地控制了轉(zhuǎn)角幅和“Z”字幅的變形。
2 支撐施工技術(shù)
端頭井基坑施工中，第一道和最底下一道支撐及端頭井與標(biāo)準(zhǔn)段交接處支撐的布置、陰角的變形控制是有效控制端頭井基坑變形的重要環(huán)節(jié)。
⑴ 端頭井的三側(cè)是連續(xù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，只有與標(biāo)準(zhǔn)段連接處是開(kāi)口的。在端頭井基坑開(kāi)挖施工時(shí)，一定要先施工控制開(kāi)口變形的支撐，即“鎖口”撐， “鎖口”撐，特別是采用地下連續(xù)墻圍護(hù)時(shí)，端頭井與標(biāo)準(zhǔn)段連接處的“Z”幅地下墻上一定要設(shè)置直撐，以防止轉(zhuǎn)角的圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
⑵ 當(dāng)采用地下連續(xù)墻做圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，由于轉(zhuǎn)角幅和“Z”字幅邊長(zhǎng)較短，可用三角形鋼筋混凝土薄板支撐替代小角撐，并在轉(zhuǎn)角的外陰角處進(jìn)行土體加固，對(duì)轉(zhuǎn)角幅和“Z”字幅起到穩(wěn)定作用。
⑶ 基坑的第一道支撐主要有鋼支撐和鋼筋混凝土支撐2種，在基坑開(kāi)挖初期，用鋼支撐作為第一道支撐時(shí)，能限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)位移，但基坑開(kāi)挖深度較大后，淺部接觸面土壓力削減，會(huì)出現(xiàn)支撐與圍護(hù)結(jié)構(gòu)脫開(kāi)的現(xiàn)象，使第一道鋼支撐失去作用，需采取可靠的支托或吊掛措施，防止支撐因端部移動(dòng)而脫落，造成安全事故；若采用鋼筋混凝土支撐，不僅可以限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)向內(nèi)位移，而且可以限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)向外位移，對(duì)加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性起到較好的作用。當(dāng)基坑等級(jí)較高、周圍環(huán)境復(fù)雜時(shí)，采用支撐和地面平齊的形式。
⑷ 安裝最底下一道支撐至基坑底板混凝土澆筑完成，約需10天左右，一般均采用鋼支撐。由于鋼支撐具有安裝施工快、發(fā)揮作用快以及可復(fù)加應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)，可以做到隨挖隨撐，既加快了施工進(jìn)度，又控制了基坑的變形。為了不影響主體結(jié)構(gòu)工程施工，減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移，最底下一道支撐的標(biāo)高應(yīng)盡可能降低，但與主體結(jié)構(gòu)底板之間的凈距通常應(yīng)大于600 mm，并滿足主體結(jié)構(gòu)預(yù)留鋼筋時(shí)所要求的凈空。
3 基坑施工相關(guān)技術(shù)
⑴ 目前，端頭井基坑的支撐多為斜撐，為此，在斜撐與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的交點(diǎn)處需設(shè)置斜撐支座，使之與斜撐正交。常用的斜撐支座有普通型、裝配式、嵌入式3種。
① 普通斜撐支座是使用最多的、最為成熟的、安全可靠性較高的一種斜撐支座形式，它是先在地下墻中預(yù)埋鋼板，當(dāng)基坑開(kāi)挖到支撐位置時(shí)，采用鋼板在預(yù)埋件上現(xiàn)場(chǎng)焊接斜撐支座。由于需現(xiàn)場(chǎng)焊接，造成施工時(shí)間較長(zhǎng)（一般焊接1個(gè)支座需要6~7 h），這樣就使基坑暴露時(shí)間較長(zhǎng)，支撐發(fā)揮作用的時(shí)間滯后，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地表的變形較大。
② 裝配式斜撐支座是一種采用凹凸結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)度螺栓相結(jié)合的裝配式鋼支座，它不用現(xiàn)場(chǎng)焊接，而是用高強(qiáng)度螺栓與地下墻中的預(yù)埋鋼連接件連接，安裝1個(gè)裝配式斜撐支座，平均僅需約0.5 h。基坑開(kāi)挖到位后，支撐能及時(shí)發(fā)揮作用，有效減少了基坑暴露的時(shí)間。
目前，這種裝配式鋼支座應(yīng)用得還比較少，今后應(yīng)對(duì)其的綜合應(yīng)用效果多在實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)，以利推廣使用。
③ 嵌入式斜撐支座
先在地下墻中預(yù)埋類似三角形的鋼制構(gòu)件，其端面與支撐方向垂直，地下墻內(nèi)的鋼筋沿預(yù)埋鋼制構(gòu)件而過(guò)（彎曲，不斷開(kāi)）。基坑開(kāi)挖到支撐位置時(shí)，只需鑿出嵌入式預(yù)埋件，然后安裝支撐，幾乎就和安裝直撐一樣方便，見(jiàn)圖4。該斜撐支座具有較安全、能有效減少支撐時(shí)間、較經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)多推廣應(yīng)用。
另一種嵌入式斜撐支座是直接在地下墻上鑿出一個(gè)斜槽，其端面與支撐方向垂直，然后將支撐安裝到這個(gè)斜槽中即可。這種形式簡(jiǎn)便易行，而且造價(jià)低廉。但它需將地下墻的內(nèi)側(cè)鋼筋割除，對(duì)地下墻較薄、開(kāi)挖深度較深的情況不合適，因支撐點(diǎn)處的地下墻承載力受到影響，應(yīng)用時(shí)須進(jìn)行受力驗(yàn)算和采取措施。
⑵ 端頭井與標(biāo)準(zhǔn)段連接處因基坑的寬度縮小而形成轉(zhuǎn)角，端頭井的斜撐造成轉(zhuǎn)角處應(yīng)力集中，為提高該處土體的承載力和防止該轉(zhuǎn)角處圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，目前通常在該轉(zhuǎn)角處外陰角的被動(dòng)區(qū)土體進(jìn)行加固。
⑶ 基坑施工中，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，及時(shí)加支撐和對(duì)支撐施加預(yù)應(yīng)力（設(shè)計(jì)支撐軸力的70%～80%），不但能保證支撐頂緊墻體，減小墻體變位量，而且改善了墻體受力條件。而在基坑施工過(guò)程中，支撐不可避免地會(huì)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失，由支撐預(yù)應(yīng)力損失所引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移，幾乎是不可逆的，所以要根據(jù)實(shí)測(cè)軸力，及時(shí)復(fù)加預(yù)應(yīng)力以補(bǔ)償損失。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移超過(guò)警戒值時(shí)，還可適量增加支撐軸力，以控制變形，但復(fù)加后的支撐軸力和擋墻彎矩必須滿足設(shè)計(jì)的安全要求。
⑷ 在基坑開(kāi)挖與支撐施工中，要充分發(fā)揮時(shí)空效應(yīng)，盡可能縮短圍護(hù)墻無(wú)支撐狀態(tài)的暴露時(shí)間，合理而科學(xué)地利用土體自身在開(kāi)挖過(guò)程中控制位移的潛力，合理地安排基坑開(kāi)挖及支撐步驟。
端頭井施工時(shí)，應(yīng)先撐好直撐段最靠近斜撐的2根對(duì)撐，再挖斜撐范圍內(nèi)的土方，最后挖除坑內(nèi)的其余土方。斜撐范圍內(nèi)的土方，應(yīng)自基坑的角點(diǎn)沿垂直于斜撐的方向向基坑內(nèi)分層、分段、限時(shí)地開(kāi)挖并架設(shè)支撐。對(duì)長(zhǎng)度大于20 m的斜撐，先挖中間再挖兩端，如圖5所示。
4 結(jié)束語(yǔ)
隨著施工技術(shù)的不斷發(fā)展，而對(duì)施工引起的基坑變形和對(duì)周圍環(huán)境的影響要求也越來(lái)越高，因此，在深基坑施工中，對(duì)支撐的布置與施工有許多值得探討的問(wèn)題。由于基坑的平面形狀和尺寸、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的形式、開(kāi)挖深度、周圍的環(huán)境、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、主體工程地下結(jié)構(gòu)的布置、施工方法、工期、成本等都不相同，因此，采用的支撐體系也不能局限于一種形式，應(yīng)因地制宜，不斷創(chuàng)新，提高基坑施工的技術(shù)水平。
