由于装配式结构具有建造速度快、受气候影响小、节约劳动力和建筑质量高等特点, 我国自2015年起已推出多项政策推进装配式结构的发展^[1,2]。而城市轨道交通作为解决城市交通拥挤的主要方法之一, 其与装配式结构相结合必然成为新的发展趋势^[3]。

目前, 我国地铁盾构衬砌管片已基本实现预制装配化, 但装配化在地下车站中的应用及研究较少, 国内已有装配式地下车站实例仅有长春市袁家店站及北京市金安桥站。苏会锋等^[4]以袁家店站为工程背景, 通过对预留空隙中灌浆榫槽式连接接头进行破坏性试验, 分析其连接可靠性和抵抗变形能力;钟春玲等^[5]总结目前已有装配式结构接头形式, 并分析榫槽式连接同螺纹钢进行张拉结合接头形式的特点;李兆平等^[6,7]利用数值模拟和室内试验研究榫槽式接头应力演变规律及接缝变形和接缝张开角与加载弯矩的关系;陈久恒^[8]从施工角度介绍装配式地下车站拼装形式、合理步序、构件吊运、定位纠偏及拼装装备研制等技术难题;张乐乐^[9]分别建立地铁车站结构接头模型和整体模型, 并对预制装配式地铁车站接头部分和整体结构进行力学性能分析;杜修力等^[10]以北京市金安桥装配整体式地铁车站为背景, 设计制作足尺预制拼装侧墙底节点和作为对比的足尺现浇侧墙底节点, 采用低周循环加载试验研究预制拼装侧墙底节点的破坏形态、滞回特性、承载力、变形能力、耗能性能及套筒灌浆连接接头受力状态等指标。

从上述研究成果及工程实例可知, 目前对于装配式地下车站的研究多以上述2个实际工程为基础, 均基于敞开式基坑 (基坑支护无内支撑, 车站仅考虑自身结构性即可) 。但在我国绝大多数地质条件较差或土地管理严格地区 (不允许基坑支护结构占用红线外用地) , 地铁车站基坑均采用内支撑支护结构, 此时, 内支撑不但影响车站墙板柱的正常吊运、安装, 还严重影响拆撑时机及拆撑后基坑安全。

如何在保证基坑安全的前提下解决拆撑与装配式车站协调施工问题是装配式地下车站能否在我国大力推广应用的前提。以南京市宁和华新路现浇车站为工程背景, 基于该车站实际地质水文条件、基坑支护结构及车站结构, 利用有限元软件从基坑支护结构变形、支撑内力等方面分析利用装配式车站底板、中板、顶板换撑的可能性, 研究装配式地下车站在内支撑支护结构中应用的可行性。

华新路站为宁和城际轨道交通一期工程的中间站, 位于规划纵六路与华新路交叉路口, 沿华新路布置。本站交叉路口东北象限为贾西经济适用房及社区中心, 为独立基础, 设1层地下室;东南象限为已拆迁区;西南象限为东升裕园砖混6层住宅小区;西北象限为南京恒基混凝土有限公司1～2层厂房。车站外包总长453.96m (含停车线段) , 为地下2层岛式站台车站, 主体标准段为双层双柱3跨、双层单柱双跨箱形框架结构。车站总平面如图1所示。

场区基坑开挖影响范围内主要土层及相关参数如表1所示。

场区地下水类型主要为松散岩类孔隙潜水、承压水及基岩裂隙水。 (1) 孔隙潜水近地表分布, 存在于人工填土层, 厚1.90～2.40m, 平均2.10m, 透水性和赋水性分布不均, 水量较小; (2) 孔隙承压水存在于局部粉质黏土夹卵、砾石层, 该层上部粉质黏土为相对隔水层, 与下伏基岩风化层中基岩裂隙水联系较密切, 局部水量较大; (3) 基岩裂隙水场区下伏凝灰岩及安山岩, 裂隙极发育, 局部岩体呈碎裂状, 风化裂隙、构造裂隙处有地下水分布, 透水性和赋水性受裂隙连通性及补给来源等因素控制。

车站主体基坑长273.2m, 标准段基坑宽19.2～20.5m, 深17.14～15.61m。围护结构采用钻孔桩+内支撑形式:采用1 000@1 400钻孔桩, 局部为1 000@1 350钻孔桩, 竖向设置3道支撑, 第1道采用水平间距7m的600mm×800mm混凝土支撑, 其余均采用水平间距3.5m的609×16钢管支撑。实际施工标准段典型剖面如图2所示。

应用PLAXIS 3D软件对上述工程进行建模分析, 土体均采用硬化土模型, 具体参数如表1所示, 地下水位设置在-1.500m处, 取车站标准段长100m, 模型宽120m, 深40m。建模时考虑坑顶10m范围内存在20kPa均布荷载, 距基坑16.5m处存在6层砖混结构90kPa竖向荷载, 建立结构模型如图3所示。

模型参数包括: (1) 支护桩设计采用C35混凝土、1 000@1 400钻孔桩, 根据刚度等效原则, 计算得到等效混凝土板桩厚度为0.75m; (2) 内支撑采用C30混凝土, 内支撑间距及截面尺寸前文已述; (3) 车站结构顶板厚800mm, 中板厚400mm, 底板厚900mm, 侧墙厚700mm; (4) 立柱截面尺寸为1 200mm×700mm。

模型边界条件为上表面自由、下表面约束3个方向位移, 4个侧面约束法向位移。

整个计算过程共分16种计算工况: (1) 施加荷载[Phase＿16]→ (2) 施工排桩[Phase＿1]→ (3) 开挖第1道土[Phase＿2]→ (4) 加第1道支撑[Phase＿3]→ (5) 开挖第2道土[Phase＿4]→ (6) 加第2道支撑[Phase＿5]→ (7) 开挖第3道土[Phase＿6]→ (8) 加第3道支撑[Phase＿7]→ (9) 开挖到底[Phase＿8]→ (10) 装配底板[Phase＿9]→ (11) 拆除第3道支撑[Phase＿10]→ (12) 装配地下2层墙、柱及中板[Phase＿11]→ (13) 拆除第2道支撑[Phase＿12]→ (14) 装配地下1层墙、柱及顶板[Phase＿13]→ (15) 拆除第1道支撑[Phase＿14]→ (16) 回填到顶[Phase＿15], 由于重点关注基坑开挖及车站装配过程中基坑支护结构及周边土体变位情况, 故施加荷载工况后所有应力、应变清零。每次开挖均挖至支撑下0.5m。

主要从混凝土支护桩总变形、内支撑轴力、坑周土体变形3方面分析整个模拟过程中利用装配式地下车站底板、中板、顶板换撑的可行性。应注意, 按照实际施工过程模拟, 在拆除第3道支撑时, 由于第2道支撑与底板竖向间距>8.5m, 计算中出现不收敛情况, 故将3道支撑均降低1m进行计算。

支护桩总变形如图4所示, 施工工况1～15分别表示施工排桩[Phase＿1]～回填到顶[Phase＿15], 由图4可知, 施工完成后支护桩最大总变形达9.038mm, 其中工况2增量最大, 从0mm左右发展为5.012mm, 增量占最大总变形的55.43%。工况5, 7, 9每次开挖变形增量接近, 分别为1.393, 0.843, 1.046mm, 开挖到底后变形达8.279mm, 占最大总变形的91.60%。装配底板及拆除第3道支撑、装配中板及拆除第2道支撑、装配顶板及拆除第1道支撑时, 由于原支撑与底板、中板、顶板竖向距离较近, 故三者可以很好地起到换撑作用, 且拆除第1, 2道支撑时, 车站结构与支护桩间土体已回填, 故支护桩变形基本保持稳定。

第1层土体开挖后, 支护桩变形自上而下逐渐减小, 当存在支撑时, 支护桩变形呈现凸形分布, 与诸多工程监测结果类似;在基坑开挖较浅时, 支护桩下部变形几乎为0, 邻近6层砖混结构荷载 (90kPa) 不会对支护桩变形产生影响, 故基坑两侧支护桩变形基本相同;而当基坑开挖超过一定深度时, 邻近荷载对支护桩变形的影响显著, 荷载作用侧邻近荷载位置段支护桩变形明显大于非荷载作用侧, 且由于内支撑对力的传递作用, 非荷载作用侧邻近荷载段变形受限, 小于其他段。

3道支撑轴力变化趋势如图5所示。第1道混凝土支撑受力时间最长, 所受轴力最大, 开挖到底时轴力达1 809kN;第2道钢管支撑次之, 开挖到底时轴力约为600kN;第3道钢管支撑受力时间最短, 所受轴力最小, 开挖到底时轴力仅为264kN左右, 约为同种工况下第1道支撑的14.59%。第2, 3道较小的支撑轴力为利用底板、中板换撑提供有利条件。

从图5中还可以看出, 随着基坑深度的增加, 支撑轴力逐渐增大, 而开挖到底后的换撑工况轴力虽有增大趋势, 但幅度明显减小。以第1道支撑为例, 开挖第2道土时, 支撑轴力为1 400kN, 开挖第3层土时增大到1 654kN, 开挖到底时增大到1 809kN;而拆除第3道支撑时轴力为1 868kN, 拆除第2道支撑时轴力仅增加到1 890kN。由支撑轴力变化趋势也可看出利用底板、中板换撑的可行性。

土体变形随施工工况的变化规律与支护桩类似, 基坑开挖引起的土体沉降小于土体水平变形, 但水平变形和沉降主要发生在4次挖土过程中, 施工完成后土体最大总变形为23.45mm, 基坑开挖到底后土体总变形已达23.06mm, 占最大总变形的98.34%, 后续每次拆撑引起的土体变形增量<0.1mm, 体现利用车站结构换撑的可行性, 如图6所示。

由开挖第1层土、开挖到底、回填完成后土体总变形云图可知, 开挖过程放大基坑周边6层砖混结构对土体的压力作用, 基坑开挖至建筑物基础以下后, 该放大作用更加显著;当基坑开挖较浅时, 土体变形主要发生在基坑边缘;当基坑开挖深度较大时, 土体最大变形转移至建筑物荷载边缘, 且靠近基坑开挖面土体变形超过非靠近基坑开挖面的2倍。

由于华新路站监测数据缺乏, 参照类似工程监测结果对本文模拟结果进行验证。根据基坑深度、支护形式、地层参数等选取南京地铁10号线凤凰大街站^[11]、南京地铁3号线新庄站^[12]及南京地铁2号线中和村站^[13]作为参考对象, 3个车站与华新路站基坑深度均为15～17m, 按照刚度等效原则计算得到的地下连续墙厚度相近。

本文模拟结果如表2所示, 与3个车站开挖到底时的实际监测数据对比可知, 对于支护桩最大变形、土体最大变形、内支撑最大轴力而言, 本文模拟结果与现场实测结果均较为接近, 其中中和村站土体位移过大, 其原因是钢支撑施工不及时、加力不足及土体中存在漏水漏浆现象^[13];新庄站混凝土支撑轴力约为本文模拟结果的2倍, 可能由于工程地质差异及施工现场环境不同引起的。但总体而言, 模拟结果与现场实测结果均处于同一数量级, 模拟结果可靠。

1) 仅从换撑角度而言, 当工程地质条件较好、支撑竖向间距较大时, 在基坑支护设计过程中尽量缩小内支撑与装配式地下车站底板、中板的竖向距离, 可较好地利用底板、中板换撑, 故装配式地下车站在内支撑支护结构中具有可行性。

2) 在内支撑支护结构中施工装配式地下车站时, 每层车站均应自成结构体系, 抵抗开挖产生的土压力后再装配上层车站。

3) 基坑周围环境对支护结构内力影响巨大, 会对换撑过程中的安全性产生影响, 在基坑施工过程中应尽量减小基坑外围荷载。

4) 支撑上大下小的轴力分布状态为利用底板、中板换撑提供有利条件, 但第1层支撑受力时间长、所受轴力大, 在设计中应重点考虑;且为较好抵消内支撑的轴力作用, 装配式地下车站建议采用矩形截面形式。

5) 本文仅从换撑角度分析内支撑支护结构中装配式地下车站的可行性, 采用内支撑支护结构的基坑一般地质、水文条件较差, 装配式地下车站是否适用仍需进一步深入研究。