摘  要: 东莞至惠州城际轨道交通松山湖地下车站深基坑因设计方案调整需对原基坑进行加宽加长。在基坑加宽过程中，需对原基坑钢支撑进行拆除，然后架设加宽后基坑的钢支撑。在这个钢支撑“拆”、“换”的过程中( 即基坑的扩挖换撑过程) ，基坑的受力体系将发生较大的变化，为保证深基坑在扩挖换撑过程中的施工安全，运用理正软件对深基坑的扩挖换撑受力体系进行了数值分析，同时制订了深基坑扩挖换撑施工技术方案，通过理论分析、现场关键施工技术控制、基坑监控量测等工作，保证了深基坑扩挖换撑施工安全。

关键词: 轨道交通; 地下车站; 深基坑; 扩挖换撑; 数值分析; 监控量测

 

      在城市深基坑的开挖与支护工程中，由于道路、地下管线、建筑物等紧邻基坑，为确保附近管线、构筑物及周边道路行车安全，需对基坑开挖和支护过程采取切实可行的技术方案。对此，文献［1］结合施工现场实际工况对支撑体系进行了优化，取消了首层腰梁的施工与破除工序; 文献［2 －4］从基坑的稳定性和变形方面进行了研究; 文献［5 －7］对基坑的监测布点进行分析。以上研究主要针对已有基坑的开挖与支护方案而言，但是在已有深基坑基础上进行加宽、加长，从而对基坑的内支撑体系进行相应调整的工程却并不多见。松山湖车站是广东省东莞至惠州城际轨道交通项目的明挖地下车站，因车站设计方案变更调整，整个车站基坑需在原基础上进行加宽、加长后，才能满足新标准的相关技术指标要求。为保证深基坑扩挖换撑施工安全，制订了深基坑扩挖换撑施工技术新方案，并对扩建基坑和内支撑拆换施工过程进行了监测。

 

      松山湖车站位于松山湖大道和新城路十字路口西侧，沿松山湖大道偏新城路口设置。车站的工程地质主要为素填土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、全风化混合片麻岩、强风化混合片麻岩和弱风化混合片麻岩。

      车站为地下2 层，岛式站台，车站原设计中心里程为 DK32 +927．303，轨面高程为 1．632，基坑长237．1 m，宽21．5 ～27．0 m，基坑深 18．88 ～20．93 m，围护结构采用 Φ1 200@1 300 钻孔桩 +Φ600 旋喷桩桩间止水。基坑内设置内支撑体系，竖向设 3 道内支撑，内支撑采用第 1 道 600 × 1 200 的钢筋混凝土支撑，水平间距约9． 0 m，其余采用Φ600，t = 16 钢管支撑，水平间距约3．0 m; 车站两端斜撑处设临时中立柱，临时中立柱由 4根角钢靠缀板连接而成。由于技术标准发生调整，需对原有车站进行改造，改造后的新基坑长度调整为305． 5 m，宽度调整为 30．44 ～ 35．94 m，深度调整为18．5 ～ 22．0 m。

 

      按原车站方案，基坑已开挖至基底且钢支撑已架设完成。因设计方案调整，整个车站原基坑需进行加宽、加长，原基坑围护结构需改造西北( 加长段) 、西南侧( 加宽段) 围护桩，同时在基坑扩挖过程中，为了保证基坑围护结构的稳定性，需对原基坑内的钢支撑进行换撑，同时考虑到新基坑加宽了6 m 左右，基坑内的第 1 道混凝土支撑及基坑内的钢支撑弯矩、挠度、内力比原基坑会增大，因此新基坑围护结构保留了需破除的原围护结构的部分钻孔灌注作为临时中立柱，同时将原基坑围护结构由原来的 3 道钢支撑增设至 4 道钢支撑，以保证整个支护结构的安全。

      基坑扩挖换撑施工流程步骤如下: 1) 先施作扩建基坑围护桩及冠梁; 2) 植筋接长第 1 道混凝土支撑，开挖扩建基坑，保留原有冠梁及部分围护桩( 作为临时立柱) ，其余围护桩随开挖凿除; 3) 开挖到新基坑支撑设计标高处架设第 2 道支撑，之后拆除原基坑的第2 道支撑( 新支撑比原支撑高 1． 4 m 左右) ; 4) 以此类推开挖，并增设第 4 道钢支撑，开挖至基坑底设计标高。车站改造前后平面图见图1，改造前后扩挖换撑剖面见图 2。

      由于新围护结构施工需改造西北、西南侧围护桩及在基坑开挖过程中需对基坑内支撑的受力体系进行转换，受力体系较为复杂，为了在施工过程中掌握基坑围护支撑体系的变形及内力情况，判断基坑围护结构的安全状态，运用理正深基坑支护 6． 0 PB1 软件，将主动侧土体简化成主动土压力，被动侧土体( 开挖面以下) 简化为水平弹簧，支护结构( 桩、立柱、内撑、斜撑、冠梁及腰梁) 剖分成有限单元进行整体建模计算，完成了混凝土支撑梁的内力、位移和内支撑的轴力计算。

      见表 1。

      见图 3。

      1) 换撑前后混凝土支撑梁位移比较。混凝土支撑梁一般作为基坑的第 1 道支撑，以保证围护结构的稳定性，控制围护结构的变形，换撑前后混凝土支撑梁的位移比较见图 4。

      2) 扩挖换撑前后混凝土支撑梁内力比较。见图 5。

      3) 换撑后内支撑轴力情况。换撑后混凝土支撑最大支撑轴力为 1 045．4 kN，小于原设计安全报警值1 307 kN。换撑后钢支撑最大支撑轴力位于第 3 道内支撑斜撑处，最大值为 1 200．013 kN，小于原设计安全报警值 1 520 kN。

      4) 换撑前后混凝土支撑梁内力和位移比较见表2。通过理论计算表明，深基坑换撑后支撑梁内力和位移比换撑前略微增大，但都小于设计^［8］和规范^［9］允许值，钢支撑轴力也小于原设计安全报警值，该换撑方案从理论上基本安全可行。

      5) 临时中立柱稳定性分析。基坑内部设置水平支撑的工程，一般需要设置竖向支承系统，用以承受混凝土支撑梁和钢支撑的自重等荷载。而基坑竖向支承系统目前采用较多的是角钢格构柱( 因其构造简单，便于加工且承载力较大) ，即临时中立柱，并通过架设纵向联系梁与混凝土支撑和钢支撑连接，形成共同受力。在深基坑施工中，临时中立柱是基坑实施期间的关键构件，临时中立柱的可能破坏形式有强度破坏、整体失稳和局部失稳等几种，一般情况下，整体失稳破坏是临时中立柱的主要破坏形式，强度破坏只可能是在其截面有削弱的条件下发生。因此，需要通过合理的布置临时中立柱的间距，以避免立柱上的荷载超过立柱的临界荷载而发生整体失稳破坏。临时中立柱是由4 根角钢组成的，角钢之间由由缀板连接而成，临时中立柱水平剖面如图 6 所示。

      原方案已有临时中立柱长 28．7 m( s =295．6 ﹥ p =100) ，为细长杆，该立柱可用欧拉公式^［10］计算临界应力F_cr= π²EI / ( μl)²= ( 3．14²×2．06 ×10¹¹×64 121．37 ×10^－8) /(2 ×28．7)²=395．28 kN。

      临时中立柱的布置间距为 6 m 时，有限元计算临时中立柱 LZ － 6 承受的最大荷载为 282．04 kN，而立柱的临界应力为395．28 kN ＞282．04 kN，因此，立柱的稳定性满足要求。

      按扩挖换撑方案施工时，保留部分原围护桩作为临时中立柱承担安全储备较大，因而不再对其进行稳定性验算。保留围护桩作为临时中立柱的布置间距主要依据原混凝土支撑梁之间的间距，原混凝土支撑梁通过植筋接长成为新的混凝土支撑梁后，混凝土支撑梁的荷载增加较多，且考虑植筋处结构连接比较薄弱，因而，保留每道混凝土支撑梁附近的围护桩作为新的临时中立柱，以确保结构安全。

 

      1) 先施作扩建基坑围护桩及冠梁。

      2) 植筋接长第 1 道混凝土支撑梁，开挖扩建基坑，保留原有冠梁及部分围护桩( 作为临时立柱) ，其余围护桩随开挖凿除。混凝土支撑植筋连接见图 7。

      3) 在开挖凿除过程中，在钢支撑的上部挂设安全防护网，防止在凿桩过程中，凿除的混凝土掉落到钢支撑上，造成钢支撑受力发生变化，影响围护结构安全。

      4) 开挖到新基坑支撑设计标高处架设第 2 道支撑( 新支撑比原支撑高 1． 4 m 左右) ，连续观察新老支撑的轴力变化情况，稳定之后拆除原基坑的第 2 道支撑，完成第 2 道钢支撑的受力体系转化。扩挖换撑现场施工见图 8。

      5) 以此类推开挖，并增设第 4 道钢支撑，开挖至基坑底设计标高。

      6) 在新老基坑扩挖换撑的过程，必须加强基坑的监控量测工作，随时将测试结果与设计及上述的计算结果进行比较。

 

      该车站换撑监控量测成果见表 3，监测结果表明，现场深基坑采用扩挖换撑方案组织施工是安全可靠的，满足设计要求。

      目前，该车站大部分主结构已施工完毕，从扩挖换撑各项监测数据分析来看，整个基坑围护结构及支撑受力体系转换平稳，各项监测指标均小于设计允许值，与模拟计算结果基本吻合，基坑处于稳定可控状态，说明该换撑方案切实可行。

 

      1) 在车站换撑方案施工中，保留原部分钻孔灌注桩作为临时中立柱，通过纵向联系梁让支撑和临时中立柱连接成整体，不仅保证了支撑的稳定性和基坑的安全要求，还避免了另外采取其他加固措施加固支撑的费用，合理地利用了废旧的桩基，降低了改造的成本。

      2) 在钢支撑施工中采取了先架设好新建支撑，再拆除原支撑的做法，实现了基坑受力体系的安全转换。

      总之，在基坑扩挖换撑过程中，只有结合工程实际，通过理论分析，掌握基坑扩挖换撑过程中的受力体系变化情况，在施工过程中采取切实可行的施工安全技术措施，同时加强施工过程中的监控量测，才能实现基坑扩挖换撑受力体系的安全转换，从而确保工程施工安全。

 

［1］ 雍毅． 内支撑位置优化在城际轨道深基坑施工中的应用［J］． 公路，2011( 7) : 30 －34．

［2］ 麻凤海，胡国栋，杨清源，等． 大连地铁车站基坑变形特性分析［J］． 辽宁工程技术大学学报: 自然科学版，2012( 2 ) : 155 － 158． ( MA Fenghai，HU Guodong，YANG Qingyuan，et al． Deformation characteristics analysis on foundation pit at Dalian subway station［J］． Journal of Liaoning Technical University: Natural Science，2012 ( 2 ) : 155 －158． ( in Chinese) )

［3］ 蔡海波，吴顺川，周喻． 既有基坑延深开挖稳定性评价与支护方案确定［J］． 岩土力学，2011，32 ( 11) : 3306 －3311． ( CAI Haibo，WU Shunchuan，ZHOU Yu． Stability evaluation and supporting scheme for deepening excavation of existing foundation pit［J］． Rock and Soil Mechanics ，2011，32( 11) : 3306 － 3311． ( in Chinese) )

［4］ 俞建霖． 基坑性状的三维数值分析研究［J］． 建筑结构学报，2002，23( 4) : 65 － 70． ( YU Jianlin． 3-D Numerical analysis on the behavior of excavation［J］． Journal of Building

Structures，2002，23( 4) : 65 － 70． ( in Chinese) )

［5］ 宋建学，郑仪，王原嵩． 基坑变形监测及预警技术［J］． 岩土工程学报，2006( Z1) : 1889 －1891． ( SONG Jianxue，ZHENG Yi，WANG Yuansong． Deformation monitoring and alerting technology of foundation pits［J］． Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006( Z1) : 1889 － 1891． ( in Chinese) )

［6］ 张明聚，由海亮，杜修力，等． 北京地铁某车站明挖基坑施工监测分析［J］． 北京工业大学学报，2006( 10) : 874 － 878．( ZHANG Mingju． YOU Hailiang． DU Xiuli，et al． Construction monitoring analysis for an open excavated foundation-pit of a subway station in Beijing［J］． Journal of Beijing University of Technology，2006( 10) : 874 － 878． ( in Chinese) )

［7］ 安关峰，宋二祥． 广州地铁琶州塔站工程基坑监测分析［J］． 岩土工程学报，2005，27( 3) : 333 －337． ( AN Guan-feng，SONG Erxiang． The analysis of excavation monitoring for the Pazhouta subway station in Guangzhou［J］． Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005，27 ( 3) : 333 －337． ( in Chinese) )

［8］ 中铁工程设计咨询集团有限公司． 松山湖北站( 第一部分) 车站主体围护结构图 DXJG －05 －02［R］． 北京: 中铁工程设计咨询集团有限公司，2009．

［9］ GB 50010—2002 混凝土结构设计规范［S］． 北京: 北京建筑工业出版社，2002．

［10］ 金康宁，谢群丹． 材料力学［M］． 北京: 北京大学出版社，2006．