目前国内多数大中型城市正在大规模开展地铁工程建设^[1]。地铁区间隧道一般采用盾构法施工, 车站基坑一般采用明挖法。为了给盾构始发 (接收) 提供条件, 明挖车站会兼作盾构始发井 (接收井) , 目前已有通用做法。由于常规的车站基坑属于长条形, 其支护体系基本不需要立柱桩, 因此在盾构空推过站时, 基本不存在立柱桩侵入空推范围的问题。但是, 随着地铁车站规模的不断增大, 结构形式复杂性提高, 工期要求越来越严格等, 在需要盾构空推过站时, 车站支护体系侵入空推范围的现象越来越普遍, 必须对侵限的支护结构进行割除、托换^[2]。如何保证立柱托换后整个支护体系的安全、保证盾构顺利过站, 并且将环境影响降到最低, 是一个亟须解决的问题^[3,4,5]。

本文以徐州地铁彭城广场站 (1, 2号线换乘站) 为工程背景, 介绍了本工程中采用的适用于复杂支护体系的立柱托换技术, 采用数值分析及现场实测, 验证了本方法的可行性及安全性。

彭城广场站为地铁1号线和2号线的超大规模换乘车站, 位于徐州主城区东西主轴客流走廊上最繁华的商业中心, 地下管线密集, 地下和地面建筑对变形敏感, 对施工过程变形控制要求高, 环境影响敏感度高。

车站主体结构 (见图1) 包括1号线半明半暗车站、2号线半盖挖车站、明挖外挂厅3部分。1号线明挖车站长度141.55m, 基坑最深处达34m, 暗挖段主洞长180m, 覆土21.51m。2号线车站长度141m, 标准段宽度22.9m, 深20.15m。1号线为分离岛式车站, 采用明挖顺作与暗挖施工, 围护结构采用1m厚地下连续墙和混凝土支撑。2号线为明挖岛式车站, 采用半盖挖顺作法施工, 围护结构采用1m厚地下连续墙配合混凝土、钢支撑。

彭城广场站下2～3m为素填土层, 6～8m为老城杂填土, 约10m为硬塑状黏土层, 其中, 老城杂填土以粉质黏土、粉土、淤泥质土为主, 土质极不均匀, 疏松易垮塌。土层下部为灰岩、泥质砂岩、砂岩、页岩层, 灰岩中有填充型及无填充型溶洞。地质构造条件复杂, 基坑开挖风险大。

本基坑根据不同开挖深度, 在标高8.450, 13.050, 19.000, 25.150, 32.350m处共设置5道钢筋混凝土支撑, 如图2所示。同时根据施工组织设计, 施工过程还存在格构柱托换、洞口拆撑、暗挖洞室群等多个结构体系转换工序, 变形协调控制难度大, 施工安全风险极高。

1号线围护结构采用1m厚地下连续墙+5道钢筋混凝土支撑, 明挖厅栈桥和路面板下临时中立柱采用600mm×600mm格构柱, 总计80根。根据原设计要求, 车站主体结构全部封顶并拆除栈桥板后才能拆除临时格构柱。1号线临时栈桥板作为1号线车站暗挖及出入口暗挖的主要运输通道, 车站及出入口暗挖阶段不能拆除栈桥板, 为此不能拆除格构柱。

按照设计线路, 左线盾构空推过站与站内14根格构柱存在空间位置冲突, 如图3a所示。根据1号线车站工期策划, 盾构过站阶段, 1号线4/5/6段主体结构尚未封顶, 盾构空推需割除最下层格构柱后才能顺利过站 (见图3b) , 因此必须托换该格构柱。

托换原理是使内支撑因格构柱拆除所产生的附加内力通过传力构件传递给具有足够承载力的第三方, 从而形成新的受力体系, 达到新的受力平衡。

针对车站内狭窄场地深大基坑施工难的特点, 采用新建换撑结合原有部分支撑, 形成空间组合式支撑, 共同抵抗结构竖向力。这种新型换撑体系保留部分原竖向支撑, 在空间受力较大的部位新建支撑, 与原有支撑共同构成稳固的空间框架体系, 抵抗竖向和水平受力。

1) 平面 格构柱割除前, 拟在格构柱穿过的主体结构地下4层中板上方新施作800mm×1 000mm的横梁, 在格构柱上焊接牛腿并将其锚入横梁内, 在纵梁下架立ϕ609钢管支撑, 形成门字形托架托换格构柱, 再割除格构柱, 如图4所示。

2) 立面 在下反梁及地下4层中梁上浇筑钢筋混凝土支座, 然后在地下4层中板梁支座上施作托换横梁 (钢支撑上部与中板梁接触位置同样施工钢筋混凝土支座) , 支座规格统一为800mm×800mm×500mm, 部分位置无侧墙时, 支座通过采用ϕ609×16钢管进行支撑, 如图5所示。待托换横梁达到设计强度后, 可割除下方影响盾构过站的格构柱。

3) 截面设计 格构柱需焊接牛腿钢板, 牛腿钢板坐落于新做横梁下排主筋上, 确保格构柱受力有效传递给横梁, 格构柱与新做横梁构造关系及横梁配筋如图6所示, 钢筋主筋无法穿过时将钢筋与格构柱型钢焊接。横梁下部主筋采用ϕ28@100, 共3排, 上部主筋采用ϕ22@100, 共1排, 箍筋采用ϕ22@150。

ANSYS软件能够对受力结构的静、动态力学特性进行分析^[6]。选取格构柱传力体系中最不利荷载进行验算分析, 最不利荷载组合工况为基坑东端头主体结构仅施工3层, 上部有2道支撑梁和栈桥板, 所对应的格构柱沉降测点编号为1LZC-17, 如图7所示。荷载分布如图8所示, 相应荷载取值如表1所示。

格构柱托换后, 横梁与钢管柱为承受竖向力的主要构件, 为此, 仅考虑新支撑体系完成后的施工工况。

由计算结果可知, 格构柱顶端最大竖向位移为-1.721mm, 符合位移限值范围±5mm要求^[7]。

选取8个立柱 (1LZC-17, 1LZC-13, 1LZC-08, 1LZC-04, 1LZC-18, 1LZC-19, 1LZC-20, 1LZC-21) , 其中1LZC-17为计算分析中割除的立柱桩所在的位置, 1LZC-17, 1LZC-13, 1LZC-08, 1LZC-04为轴向布置的测点, 1LZC-17, 1LZC-18, 1LZC-19, 1LZC-20, 1LZC-21为横向布置测点。分析格构柱托换阶段纵向布置的4个测点的竖向位移变化情况, 如图9a所示, 可知换撑阶段竖向位移发生突变, 在换撑阶段完成后竖向沉降继续增大至峰值-3.17mm, 与有限元计算结果最大竖向位移值相近, 而后沉降逐渐减小至稳定状态。

分析横向布置的5个测点竖向沉降变形, 如图9b所示。分析发现, 格构柱托换后至稳定阶段, 测点1LZC-17相较于其他横向测点沉降变化量最大, 但满足最大沉降控制指标±5mm要求^[7]。

综合有限元分析和实时监测数据, 可知以上格构柱托换方案满足现场施工需要。

本文针对盾构空推过站时, 与立柱发生空间位置冲突, 需要对立柱进行切除、托换的问题进行研究。以徐州地铁彭城广场站为工程背景, 提出了适用于复杂基坑支护体系中立柱托换的施工方法, 以保证整个支护体系的安全及盾构顺利过站, 并以期将环境影响降到最低, 其可借鉴的特点及优势在于:①新建换撑受力合理、传力清晰且具有足够的强度、刚度, 托换完成后立柱附加沉降控制在5mm以内;②施工便捷、缩短施工周期;③尽可能地保留原有支撑, 降低施工成本。