随着城市化进程日益加快, 城市地下空间得到广泛的开发与利用。随着基坑深度、开挖面积不断增加, 为减少基坑的变形, 确保基坑的安全性与稳定性, 基坑内支撑体系中换撑技术值得深入探讨和研究。以往换撑技术不仅增加了工作量, 而且造成工作面闲置, 延误了施工进度;换撑通常在主体结构施工完成后地下2层中进行拆除, 大型吊装设备无法在狭小的空间内进行正常吊装, 因此换撑的拆除以及运输全部依靠人工操作, 施工效率低, 影响后续施工。另外, 由于大量拆除、运输作业需要使用人工完成, 造成人工费用增加巨大。

在确保围护结构安全与稳定的前提下, 对车站基坑内支撑体系进行了优化创新。

天津地铁洞庭路站位于津南区规划渌水道与规划内江交口, 周边场地空旷, 洞庭路站为地下2层岛式车站, 车站长198.6m, 标准段主体结构宽20.7m, 高13.5m。围护结构采用宽度为800mm的地下连续墙。标准段及盾构井沿基坑深度方向共设置4道支撑, 其中首道支撑采用C30钢筋混凝土支撑, 截面为1 000mm×1 200mm, 其余采用φ800×16钢支撑, 支撑间距约8.5m (见图1) 。

在保证基坑围护结构稳定的前提下, 进行换撑优化设计。优化的总体思路是利用地下2层梁板模板施工时搭设的承插型盘扣式脚手架, 在其上施设多排φ48×3.5水平钢管对撑, 以代替大直径钢管。

1) 基础底板施工完成后, 待达到设计强度, 拆除第4道钢支撑, 浇筑侧墙混凝土 (施工高度在第3道钢支撑下, 如图2所示) 。侧墙采用整体式大模板支撑架, 由定型三角支撑架和木模板按照结构流水段长度组合而成。

2) 侧墙达到设计强度后, 拆除侧墙整体式大模板及支撑架, 搭设满堂支架, 架体采用承插型盘扣式支撑体系 (插盘式支撑架体横距1.5m, 纵距1.5m, 步距1.5m) 。

3) 取消所有换撑。在原设计换撑标高处向下采用7根附加水平钢管φ48×3.5支顶侧墙与满堂架体连接, 侧向设置水平杆与结构墙顶紧, 水平杆竖向间距0.5m, 横向间距0.75m, 抵消侧墙的压力, 取代φ800临时换撑。附加水平钢管及满堂脚手架搭设完毕后, 拆除第3道钢支撑, 施工剩余地下2层侧墙、中柱、中板及中纵梁混凝土 (见图3) 。

4) 施工地下1层防水层, 浇筑侧墙混凝土 (施工高度在第2道钢支撑下) 。

5) 待地下1层侧墙达到设计强度后, 拆除第2道钢支撑, 搭设满堂支架, 施工地下1层剩余侧墙防水层并浇筑剩余侧墙、顶板、顶纵梁混凝土 (见图4) 。

车站主体结构分为7个施工段, 将第2施工段作为试验段, 加强基坑周边地面沉降、地下连续墙墙顶沉降及水平位移变化、地下水位变化等情况的监测, 确保基坑安全。

基于BIM技术、三维有限元架体模拟技术和虚拟现实技术、基坑综合监控系统, 开发架体监测系统, 提升架体施工过程的可视化、精细化管理水平和工作效率, 将基坑的安全隐患消除在萌芽之中。

承插型盘扣式架体的连接形式采用横杆和斜杆端头的铸钢接头上的自锁式楔形销, 用榔头由上至下垂直击打销子, 销子的自锁部位与花盘上的孔型配合而锁死。

无扫地杆的立杆接地处只有垂直方向的一个自由度受到约束, 在水平面内只有钢管与地面的摩擦约束, 因各立杆的摩阻力实际上强弱不一并且不足以约束立杆水平位移, 所以容易发生立杆“跑位”, 难以形成固定铰的作用。因此, 为增加架体整体稳定性, 需增设扫地杆。

为满足支撑系统的整体刚度, 防止构架纵横侧滑、倾斜, 必须增设斜拉杆。竖向斜拉杆按照隔一搭一的方式设置。

地下连续墙主动土压力由φ800钢管承担。利用满堂钢管支架置换深基坑内钢管支撑施工工法, 采用φ48临时钢管代替换撑, 代换后需对其进行稳定性验算。计算公式为:

式中:N为支顶水平杆轴心压力设计值;i为计算立杆的截面回转半径 (cm) , i=2.01;A为立杆净截面面积 (cm²) , A=5.71;φ为轴心受压立杆的稳定系数, 由长细比λ=l₀/i查表得到;σ为钢管立杆抗压强度计算值 (N/mm²) ;[f]为钢管立杆抗压强度设计值, [f]=200.00N/mm²;L₀为计算长度 (m) ;L₀=k (h+2a) ;k为计算长度附加系数, k=1.15, 计算长细比时, k取1;a为水平支撑杆伸出支撑点的长度, h为架体步距。

坑外主动区土压力荷载作用下水平撑杆设置间距满足其自身稳定性的要求, 在保障架体搭设质量及结点牢固性的前提下, 水平撑杆可以取代原设计换撑的作用。

计算时首先假定一个支撑范围内的土压力全部由该支撑承担, 采用架体代撑法换撑后, 支撑范围内的土压力也全部由换撑处的架体承担。该假设忽略了地下连续墙的挡土作用, 故增加了基坑的安全储备, 进而也提高换撑处架体的稳定性。通过启明星软件 (FRWS) 计算得到原换撑处轴力设计值为1 260.85k N, 则单根钢管承受的集中荷载为26.3k N。盘扣架体Q345钢材和附加钢管Q235钢材屈服强度、弹性模量、泊松比取值按JGJ300—2013《建筑施工临时支撑结构技术规范》中4.1.5条取值。

为了安全起见, 斜撑与架体的连接按铰接处理, 不考虑斜撑的转动刚度影响, 即斜撑只传递轴力, 不传递弯矩。立杆的接长按刚接考虑, 立杆底部约束为铰接。纵横向水平杆的连接按半刚性节点考虑。支撑架体虽然是临时结构, 但是使用后的残余变形会给架体的拆卸和再安装带来不便, 所以架体在设计和使用过程中不应该考虑钢材的弹塑性。节点的转动刚度按JGJ300—2013《建筑施工临时支撑结构技术规范》中4.1.4条及条文说明, 采用不考虑安全系数时节点转动刚度, 承插式节点转动刚度K=35k N·m/rad, 扣件式节点转动刚度K=50k N·m/rad。

屈曲分析主要用于研究结构在特定荷载下的稳定性以及确定结构失稳的临界荷载, 屈曲分析包括:线性屈曲和非线性屈曲分析。运用SAP2000进行屈曲分析计算, 架体的极限稳定承载力为48k N (大于单根钢管轴力设计值26.3k N) 。对架体附加钢管两端施加集中荷载26.3k N, 架体杆件轴力最大值为架体与侧墙接触端部26.3k N, 应力最大为62MPa<[f]=205MPa, 满足规范要求。位移最大为与侧墙接触的最边跨, 其值U_max=4.16mm, 沿着轴力施加方向。按JGJ231—2010《建筑施工承插型盘扣式脚手架安全技术规范》中5.1.8条, 容许挠度值为10mm, 故该变形值在规定范围之内。

通过上述分析可知, 无论是单根钢管的内力、挠度变化值, 还是整个架体的稳定性都能在换撑过程中得到保证, 足以证明这种代换方式在技术上可行, 在安全上有保证。但上述模型也暴露出在实际施工中的问题, 即不便于施工。因为水平钢管的竖向间距过小, 设置过于保守。因此, 应在施工的便捷性和安全性中找到平衡点。为此考虑将换撑处附加水平钢管竖向间距由原来的0.5m变成0.75m, 与架体横杆仍采用扣件相连。水平钢管进一步的优化更好地适应了现场施工空间需求。优化方案示意如图5所示。

为进一步考虑在实际工况中地下连续墙的整体刚度对架体受力及变形的影响, 确保架体与地下连续墙能协调变形, 对架体施加位移荷载。影响位移荷载取值的因素有:基坑等级、因传力接触面之间缝隙挤紧造成位移荷载损失、架体搭设完工后换撑处的地下连续墙已发生变形、后续变形允许增量、必要的安全储备等。以本工程为例, 该基坑为一级基坑, 围护结构的允许变形值为30mm, 架体搭设完工后, 地下连续墙已经发生变形约16mm, 除位移荷载损失与适当的安全储备外, 架体允许的变形值在0~10mm, 取5mm作为架体的位移荷载。

在模型中对架体附加的36根钢管两端施加位移荷载5mm, 单根钢管轴力最大值仍为架体与侧墙接触端部为34.33k N。故5mm位移荷载作用下架体不会发生失稳, 即该架体代撑方案安全可行。

通过将监测数据与预测值做比较, 判断上一步施工工艺和施工参数是否符合或达到预期要求, 同时实现对下一步的施工工艺和施工进度控制, 从而切实实现信息化施工, 使得整个基坑开挖过程能始终处于安全、可控范畴。

墙顶水平位移监测受施工影响较小, 变化量及变化速率均在正常范围之内, 无异常数据。墙顶水平位移最大累计位移为11.52mm, 最大变化量为2.00mm。

支撑轴力监测受施工影响较小, 变化量均在正常范围之内, 无异常数据。轴力变化最大为-974.98k N。

7根附加水平钢管轴力监测结果如图6所示。3个图形均表现出同样的曲线形状, 说明3个监测位置的水平附加钢管的轴力值均呈现出相同特征, 轴力值最大的测点均在该组测点的第4个点位上, 其中最大的数值出现在第3组监测点, 其第4个监测点位水平钢管所受实际内力最大值为17.58k N。与理论分析对比可知, 理论计算得到的钢管最大轴力值为45.3k N。这说明水平附加钢管仍具有较大的安全储备。

通过采用软件建模分析与实际监测相结合, 可得出结论, 利用在中板支撑架体上增加临时水平钢管支撑的方式取代传统的大直径钢支撑的换撑方式可行。附加钢管的内力均在允许范围之内, 且距极限值相差近60%, 说明附加钢管还有较大的安全储备。对于支撑架体而言, 通过屈曲分析, 保证了在外力作用下架体不会出现较大的屈曲变形。对于架体内水平和竖向的杆件, 也能够保持稳定, 出现的挠度变形值均在规范规定的允许值范围内。

洞庭路站换撑优化施工实际经济费用为9.52万元, 其中包括施工人员及材料租赁费、25t汽车式起重机租赁等各项施工费用;如采用换撑施工, 需增设100t履带式起重机以配合钢支撑安装及拆除, 施工造价约44.2万元。经比较分析, 换撑优化施工可节省施工费用34.68万元。

以洞庭路站第2施工段为例, 地下2层侧墙混凝土浇筑时间为2015年4月4日, 达到70%强度时间为2015年4月11日, 从4月12日开始搭设中板结构满堂脚手架系统, 4月22日架体搭设完成, 5月5日中板结构混凝土浇筑。如采用换撑施工, 需在从4月12日开始植筋焊接钢支撑背板、托板, 预计施工3d, 钢支撑提前拼装、吊装安放及应力施加预计需要3d, 2015年4月18日完成, 为保证现场作业人员安全施工, 钢支撑施工期间无法同期进行满堂红支架系统搭设施工。从4月19日才可开始搭设中板结构满堂红支架系统, 中板结构完成时间将顺延6d。架体拆除后, 至少还需要6d换撑部分钢支撑。经比较分析, 换撑优化施工可缩短有效施工工期12d。

通过对附加水平钢管的设置优化, 按照750mm的水平和竖向间距进行布置, 在水平钢管的内力和架体的变形均能满足要求的情况下, 也便于施工, 提高了通过性, 减少了工作量, 是较好的设置方式。

基坑内支撑体系施工技术的大胆革新, 不但确保了天津地铁6号线洞庭路站保质保量完成, 而且基坑内支撑体系施工技术推到了一个新的高度, 为天津市今后类似工程提供了宝贵的施工经验及技术理论。