谈上海轨交8 号线淮海路站逆筑法结构
摘 要 对上海轨道交通8 号线淮海路站结构设计的难点、特点作了介绍,淮海路站为地下三层结构,北端头井采用明挖顺筑法施工,标准段和南端头井采用逆筑法施工。
关键词 地下三层车站 逆筑法 叠加法 逆筑立柱桩 两桩一柱
1 概述
1. 1 工程概况
上海轨道交通8 号线淮海路站位于上海市中心西藏南路。车站周边有青年会宾馆、兰生大厦、大世界等重要的保护性或标志性建筑物;附近有正在运行的地铁1 号线;有众多的电力、煤气、上水、雨水等市政管线。
车站主体结构外包尺寸约为173. 8 m (长) ×23. 04 m(宽) ×21. 99～24 m (深) ,为地下三层结构,站台中心处底板底埋深为21. 99 m。北端头井为盾构始发工作井,外包尺寸为27. 24 m ×16. 5 m ;南端头井为与远期M6 (14 号线) 同车站换乘段兼盾构工作井,外包尺寸为27. 24 m ×271 m ,北(南) 端头井底板底埋深约为23. 57 m(23. 88 m) 。
车站附属结构有1～4 号出入口、南北风井、设备用房等。其中北端头井至标准段⑦轴处外突部分为北风井和4 号出入口,外包尺寸约为22. 33 m ×48. 3 m ,为地下一层结构,底板底埋深约为9. 1 m ,其下有地铁1 号线穿越,两者的最小净距仅为7. 363m。标准段l{～1/ l~轴外突部分为南风井和3 号出入口,外包尺寸约为27 m ×32. 6 m ,地下二层结构,底板底埋深为15. 42 m。车站东北侧为1 号出入口,从车站的地下一层穿过西藏南路,与青年会宾馆北侧紧邻;车站东南侧为2 号出入口,并在地下与亚龙商厦地块的物业相连。
1. 2 工程地质条件
淮海路站场区内各土层特性简述如下:
① :杂填土。层厚1. 0～3. 20 m ,很湿,松散。
① 2 层:浜填土。层厚2. 0 m ,灰黑,饱和,松散。
② 层:褐黄色粉质粘土。层厚1. 4～2. 0 m ,湿～很湿、软塑～可塑,属中压缩性土。
③ 层:灰色淤泥质粉质粘土。层厚2. 7～6. 2m ,饱和、流塑,土质不均匀,属高压缩性土。
④ 层:灰色淤泥质粘土。层厚7. 8～10. 50 m ,饱和、流塑,土质均匀,属高压缩性土。
⑤ - 1 层:褐灰色粉质粘土。层厚3. 7～11. 00m ,很湿、软塑,土质较均匀,属中～高压缩性土。
⑤- 2 层:灰色砂质粉土。层厚5. 0～6. 0 m ,饱和、中密,土质不均匀,车站范围局部有分布,属中压缩性土。
⑤- 3 - 1 层:灰～褐灰色粉质粘土。层厚17. 0～21. 5 m ,很湿、可塑～软塑,土质不均,属中压缩性土。
⑤- 3 - 2 层: 灰～褐灰色粉质粘土夹砂质粉土。层厚2. 6～12. 9 m ,湿、可塑,局部呈粉质粘土与粉砂互层状,底部一般以粉性土为主,属中压缩性土。
⑦- 2 层:灰色粉细砂。未钻穿,饱和、密实,土质密实,属中～低压缩性土。
地下水位埋深一般为0. 8～1. 50 m。
局部区域第⑤- 2 层灰色砂质粉土属微承压水,其水头埋深为地表下5. 7 m ;第⑦层粉细砂是上海地区第一承压含水层,其水头埋深为地表下4. 0～12. 0 m。
车站北段底板位于⑤- 1 层中,车站南段底板位于⑤- 2 层内,围护结构地下墙墙趾插入⑤- 3 -1 层中。
2 基坑设计
车站主体结构的工程区域不占用原西藏南路15 m 路幅宽的交通,是拆除了原路西面的人行道、店面房及石库门房后才进行车站的施工。
2. 1 基坑设计考虑的几个重要因素
车站埋深大、地处软土区,施工时又要不影响西藏南路的交通。因此主体围护结构选用刚度大、防渗性能好的地下连续墙,同时作为主体结构侧墙的一部分,墙厚1 m。
(1) 淮海路站工期非常紧迫。为配合西藏南路综合改造工程,尽快恢复路面,市政府重大办要求8号线淮海路站必须于2003 年8 月30 日前完成封顶。因此,淮海路车站标准段和南端头井采用逆筑法施工;为配合2003 年4 月30 日两台盾构从端头井同向出发向人民广场站推进施工,北端头井采用顺筑法,设置了两个盾构吊装孔,并于2002 年12 月9 日先行施工。
(2) 北端头井沿基坑深度方向设置七道支撑。由于北端头井的开挖施工先于标准段,因此,两者之间设置了一道1 m 厚的封头墙。该封头墙的设置形成了小空间,增加了整体刚度,有效地提高了挖土速度,减小了基坑变形。标准段开挖时,封头墙两侧斜支撑尽可能同支点布置,以保证土压力传递后在支撑相交处力的平衡。
(3) 由于标准段、南端头井边挖边施作顶、中板支撑,所以沿基坑深度方向设置四道、五道钢支撑。
(4) 为配合金陵中路的道路翻交至北侧的标准段上,同时,不影响标准段和南端头井的先后逆筑施工。按照工期安排,当标准段逆筑至下一层板下(即基坑深为11 m) 时,南端头井也开始开挖土体逆筑施工。因此,在标准段和南端头井之间设置封头墙,采用«850 密插的SMW 工法,桩长24 m ,其内的H型钢不拔除,待南端头井往下挖时,才逐段割除。南端头井逆筑至基坑深11 m 时,与标准段同步往下开挖。
(5) 基坑开挖深度范围内有③层和⑤- 2 层土,在水头差的作用下,易产生流砂、涌砂现象; ④层土强度低,具有回弹、触变和流变特性,因此,采用坑内降水及地基加固。
基坑降水是在开挖前20 d 内进行,降至坑底下1 m。地基加固为:
①标准段:加固为裙边6 m 宽的深层搅拌桩,分强弱两部分:弱加固区,自顶板底至坑底上1 m ,土体加固后的强度指标qu ≥0. 4 MPa , ;强加固区,自坑底上1 m 至坑底下3 m ,土体加固后的强度指标qu ≥1. 5 MPa 。
②北端头井:加固为裙边4 m、6 m 宽的深层搅拌桩,深度为坑底下3 m。
③南端头井:由于施工工期的影响,加固在下一层板结构完成后进行,采用裙边6 m 宽的旋喷桩,深度为下一层板下1. 8 m 至坑底下3 m。
(6) 逆筑施工的一大特点是预先建立竖向支撑系统,其立柱桩可以采用如下方案:
①一桩一柱,即逆筑的立柱桩与永久结构柱处于同一位置,永久结构柱外包于逆筑立柱桩上。
②两桩一柱,即逆筑的立柱桩与永久结构柱不处于同一位置,用两根立柱桩的受力来代替一根永久结构柱的受力,永久结构柱施工完成后,再拆除逆筑立柱桩。
根据淮海路站顶部3 m 覆土的重量、地下三层板的自重、立柱桩(或永久结构柱) 自重、板上的活载大小以及地面超载等受荷情况,计算得到施工阶段立柱桩上的荷载设计最大值8 350 kN ,使用阶段永久结构柱的荷载设计最大值为10 780 kN。因此,单桩的竖向承载力是很大的。设计中立柱桩采用钻孔灌注桩上接格构柱。
如采用一桩一柱方案,一是要求立柱桩的平面定位准确,按垂直度偏差1/ 300H 计,24 m 深的基坑偏差80 mm ,加上格构柱本身的尺寸,底板处的格构柱有可能会偏出永久结构柱的断面;二是在有格构柱存在的情况下,永久结构柱的钢筋架设困难;三是桩的承载力很大,采用«850 mm 钻孔灌注桩须伸入底板下约70 m 以上,将给施工增加难度;四是当时的地质详勘最深仅达地面下70. 5 m , ⑦- 2 层以下的地质不明。
如采用两桩一柱设计方案,可解决上述难题,钻孔灌注桩伸入底板下38. 5 m 即可,桩尖落于⑦- 2层上。
经对两个方案的比选,设计采用了两桩一柱方案。
(7) 为配合西藏南路综合改造工程,地下墙顶标高比设计地面标高低了750 mm ,以减少道路改造时凿除地下墙的工程量。
(8) 出土口设置:分别在标准段中间跨沿纵向设置了五个出土口,大小为5. 5 m ×5. 1 m、7 m ×5. 1m、3 m ×5. 1 m ,下二层、下三层出土口利用楼梯孔来实施。顶板覆土后,又在下二层的l{～l}轴/ X～Z轴开设出土口,并利用与其连通的南风井口出土。
(9) 基坑安全等级:北端头井(离地铁1 号线最小净距12. 1 m) 、南端头井(离兰生大厦最小净距14. 8 m) 、标准段(离地铁1 号线最小净距16. 4 m) 、1 号出入口(与青年会宾馆净距约5. 6 m) 、北风井(保护其下的地铁1 号线) 为一级基坑,其余为二级基坑。
2. 2 车站标准段全逆筑基坑的围护结构设计
2. 2. 1 结构受力特点
①逆筑法车站是自上而下分步施工的。围护结构的主要受力体系为各层楼板梁、地下墙、逆筑立柱桩和钢支撑,其结构状态、土体支承状况和荷载情况随开挖过程不断变化,其效应有继承性,即某一施工工况是前面各施工工况的继续,使用阶段施工工况是施工阶段的继续。
②地下墙承受水平向荷载,又承受各层楼板传来的竖向荷载,两排逆筑立柱桩承受竖向荷载。
③逆筑法车站由于有大刚度楼板的支撑,开挖过程中墙体变位较小,因此,地下墙背的土压力接近于静止土压力。
④在基坑开挖和形成结构的过程中,由于竖向荷载的不断增加和土体卸载的影响,将会引起地下墙和立柱桩的沉降差异,在顶、中板之间产生较大的内力。
2. 2. 2 结构分析方法
根据结构受力特点,设计中采用了如下的分析方法:
② 用平面杆系有限元模型,把结构视为具有刚度的平面框架。
②用水平弹簧模拟开挖面以下的土体对地下墙水平位移的约束作用,用竖向弹簧模拟土体对底板、地下墙底部、立柱桩的约束作用。水平弹簧除加固区取15 000 kN/ m3 外,其余取10 000 kN/ m3 ;墙底竖向弹簧取100 000 kN/ m3 ;桩底竖向弹簧根据承载力与桩的允许变位比值,计算得48 000 kN/ m3 。
③计算荷载有:水土压力、结构自重、施工活载和地面超载,墙背土压力取静止土压力。
④分步计算各阶段的受力工况。
⑤用叠加法反映结构受力的继承性。对每个受力工况建立起荷载- 结构模型,计算出由于荷载增量引起的内力(变形) 与前面各步荷载增量引起的内力(变形) 叠加值,即得到当前阶段结构实际的内力(变形) 。
⑥地下墙与顶层、下一层、下二层、底板的连接为固结。
2. 2. 3 结构的计算简图
标准段逆筑计算简及计算步骤:
工况一:开挖至第一道钢支撑下,布置支撑,外侧作用水土压力;
工况二:作用第一道支撑,开挖至顶板下,浇筑顶板,外侧作用增量水土压力,内侧卸去挖去土的地层抗力;
工况三:顶板覆土作用荷载,拆除第一道支撑,开挖至第二道钢支撑下,布置支撑,外侧作用增量水土压力,内侧卸去工况一～二总和地层抗力;
工况四:作用第二道支撑,开挖至下一层板下,浇筑下一层板,外侧作用增量水土压力,内侧卸去工况一～三总和地层抗力;
工况五:下一层板作用自重及施工活载,拆除第二道支撑,开挖至第三道钢支撑下,布置支撑,外侧作用增量水土压力,内侧卸去工况一～四总和地层抗力;
工况六:作用第三道支撑,开挖至下二层板下,浇筑下二层板,外侧作用增量水土压力,内侧卸去工况一～五总和地层抗力;
工况七:下二层板作用自重及施工活载,拆除第三道支撑,开挖至第四道钢支撑下,布置支撑,外侧作用增量水土压力,内侧卸去工况一～六总和地层抗力;
工况八:作用第四道支撑,开挖至坑底,浇筑底板,外侧作用增量水土压力,内侧卸去工况一～七总和地层抗力;
工况九:底板作用自重及活载,拆除第四道支撑,底板下作用地层竖向地层抗力;
工况十:自下而上浇筑内衬及永久结构柱,外侧作用0. 1 侧向水压力;
工况十一:下一层、下二层、底板施工铺装层,并作用使用活载,卸去板面施工荷载;
工况十二: 卸去顶板、下一层、下二层、底板活载,底板上作用水反力并扣除前面工况已作用于底板上的土抗力。
2. 2. 4 结构计算结果
采用叠加法计算,每步工况计算后与前几次叠加,然后包络,即得内力和变形包络图。
3 逆筑结构设计
(1) 地下墙内预留逆筑板的接驳器,逆筑板与地下墙间连接按固结考虑。
(2) 与逆筑板一次浇筑的内衬墙为板面上200 mm ,板底下500 mm ,以利结构施工缝防水处理。
(3) 标准段纵向梁计算:
①自重工况:底板上作用10 000 kN/ m3 土弹簧地基抗力,有立柱桩处作用桩身受压抗力;
②水反力工况:底板上无地基抗力,有立柱桩处作用桩身受拉抗力;
③自重+ 水反力工况:底板上有地基抗力,有立柱桩处作用桩身受拉抗力。
(4) 底板纵梁钢筋穿格构柱,角钢开洞后用18mm 厚钢板补强,其余纵梁钢筋布置特点:
①纵筋从格构柱边和中部穿过;
②箍筋避开格构柱角钢布置;
③柱内箍筋伸入梁中。
(5) 标准段l{轴底梁下翻,以便底板上安装轨道供盾构小土车转弯、往复运输。
参考文献
1 孙长胜. 地铁黄陂南路车站逆筑法结构设计的特点和创新. 地下工程与隧道,1994 (3) :2～9.
2 章国忠. 上海地铁1 号线漕宝路车站主体结构设计. 地下工程与隧道,1993 (2) :16～23.
3 葛世平. 淮海路地铁车站逆筑法施工若干问题的研究. 地下工程与隧道,1993 (4) :49～53.