合肥弱膨脹土地層明挖車站結構設計方法

2013-06-24 09:36:32賈永剛

都市快軌交通 2013年1期

關鍵詞：設計

賈永剛

(北京城建設計研究總院有限責任公司北京 100037)

合肥市軌道交通1號線一、二期工程起點為合肥站，終點為徽州大道站，全部為地下線，線路全長約24.58 km，共設車站23座，其中換乘站6座，車站均采用明(蓋)挖法施工。1號線工程位于合肥市中心城區及濱湖新區，屬江淮波狀平原。根據勘察及區域地質資料，將合肥市軌道交通1號線一、二期工程劃分為3個工程地質單元。

工程地質Ⅰ單元:合肥站—明光路站(不含)，本段線路地形較為平坦，地勢自北向南逐漸降低，地貌類型主要為南淝河一級階地和二級階地，該范圍共2站2區間。

工程地質Ⅱ單元:明光路站—南一環站(不含)。本段線路地形略有起伏，總體地勢為自北向南逐漸升高，地貌類型主要為南淝河河床及河漫灘、南淝河一級階地，該范圍共3站3區間。

工程地質Ⅲ單元:南一環站—終點。本線路地形有一定起伏，地勢自北向南呈波狀起伏，自然地面標高約在11.55～29.70 m之間，地貌為南淝河二級階地，該范圍共18站17區間。

根據勘察報告顯示，南淝河一級階地和南淝河二級階地范圍內的土層膨脹性較為明顯，對工程影響較大，據統計合肥市軌道交通1號線一、二期工程受膨脹土影響的范圍占全線的82%，因此對于合肥地區弱膨脹潛勢地層地鐵明挖車站結構設計方法進行研究探討十分必要。

1 合肥地區膨脹土概況［1-2］

膨脹土是指具有較大的吸水后顯著膨脹、失水后顯著收縮特性的高液限黏土。1號線工程南淝河一級階地和南淝河二級階地范圍內分布的黏土②層、黏土③、黏土④層均具有膨脹性，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮的變形性能，即使在荷重作用下仍能浸水膨脹，產生膨脹壓力，同時膨脹土還具有脹縮變形的可逆性，在吸水膨脹、失水收縮后，有再吸水膨脹、再失水收縮的特性，在反復膨脹收縮過程中，能夠產生較高的膨脹力。具體以葛大店站為例，如表1所示。

表1 膨脹性指標

根據GBJ 112—87《膨脹土地區建筑技術規范》中南淝河一級階地和南淝河二級階地范圍內分布的黏土膨脹潛勢為弱膨脹潛勢，見表2。

表2 膨脹土的膨脹潛勢分類

2 明挖車站結構設計［2-7］

明挖車站結構設計工作一般分為基坑支護結構設計、主體結構設計兩部分，下面針對此內容分別結合合肥地區弱膨脹潛勢地層情況進行分析。

2.1 明挖車站基坑支護結構設計

由于膨脹土的脹縮特性，在明挖車站基坑支護設計時針對其特性設計首先從“短開挖、快封閉、強措施、防滲入、留基土”等構造措施入手最大限度地減少膨脹土的危害。

“短開挖”指基坑開挖深度不宜過大，一般不超過2 m，方便樁間掛網噴砼的施作。

“快封閉”指隨挖隨對樁間暴露土體進行掛網噴砼，保證土體的臨空面最短時間內封閉，保證土體天然含水量的變化較小。

“強措施”指由于樁間土體有膨脹性，為保證樁間土體的穩定，結合合肥地區基坑支護經驗，采取樁間掛網噴砼中增加加強鋼筋的做法來處理。

“防滲入”指雨水、施工用水、管網漏水等水體不得流入基坑圍護樁與土的縫隙，地表水滲入后會造成膨脹土的天然含水量發生較大變化從而發生危害。

“留基土”指基坑挖土接近基底設計標高時，宜在其上部預留150～300 mm土層，待下一工序開始前人工挖除，并及時對基坑底進行覆膜或墊層施工。

除上述構造措施之外，對于地鐵基坑支護結構設計至關重要的首先是土壓力的選取與計算，而土壓力的大小關鍵取決于勘察報告提供的土的抗剪強度指標，根據勘察單位提供的勘察報告，具體以葛大店站為例，見表3。

表3 葛大店站巖土物理力學性質綜合統計

由勘察單位提供的表3中可以看出，土的抗剪強度指標中平均值與建議值，對于黏聚力指標基本上是根據多年來合肥地區民用建筑基坑工程的經驗進行了0.52～0.67倍的折扣，對于內摩擦角則是采取了0.8倍的折扣。設計取用的抗剪強度指標是表3中的建議值。

明挖車站基坑設計主要原則是基坑圍護結構采用以分項系數表示的極限狀態設計法設計;圍護結構上作用土壓力及地面超載產生的側壓力，按朗肯主動土壓力，黏土中水土合算;圍護結構綜合荷載分項系數取1.25;對圍護樁(墻)的內力設計值，按照地勘報告提供的土體抗剪強度指標建議值選取;以內支撐為水平受壓為主的受力構件，是基坑工程失穩的首要關鍵，因此為保證基坑工程的整體穩定，內支撐穩定性計算時考慮3種工況進行分析:1)不考慮膨脹力因素，土壓力按照上述土體抗剪強度指標建議值選取，最后取軸力設計值計算支撐穩定;2)考慮膨脹力因素，膨脹力分項系數為1.0，此時對應的土壓力荷載按照上述土體抗剪強度指標建議值選取，最后取軸力標準值計算支撐穩定;3)考慮膨脹力因素，膨脹力分項系數為1.0，土壓力按照土體抗剪強度指標標準值選取，最后取軸力設計值計算支撐穩定。

膨脹力的取值按照支撐受荷面積內土體的膨脹率，查膨脹率-壓力曲線(見圖1)求得。膨脹率按下式計算

式中:δ為膨脹率;x為支撐受荷面積內圍護的平均變形值;h為膨脹土的大氣急劇影響深度，合肥地區為1500 mm。

圖1 膨脹率- 壓力曲線

2.2 明挖車站主體結構設計

明挖車站主體結構設計主要原則是明挖車站主體結構采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法，以可靠度指標度量結構構件的可靠度，采用分項系數的設計表達式進行設計;明挖車站主體結構上作用水、土壓力，按靜止水、土壓力取值，水土分算;明挖車站主體結構宜按底板支承在彈性地基上的結構物計算，結構宜簡化為平面問題進行分析并計入立柱和樓板的壓縮變形、斜托的影響。

明挖車站主體結構計算按照下述工況分析:一是正常使用極限狀態，此工況考慮永久荷載與基本可變荷載效應準永久組合，其中土壓力按照土體抗剪強度指標建議值選取，此工況一般以裂縫寬度為主要控制指標;二是承載能力極限狀態，此工況一般以強度為主要控制指標，此狀態可分為4種工況:1)考慮永久荷載與基本可變荷載效應組合設計值，其中土壓力按照土體抗剪強度指標建議值選取，對于明挖車站主體結構一般情況由永久荷載控制，永久荷載的分項系數取1.35;2)考慮地震作用效應和其他荷載效應的基本組合，其中重力荷載分項系數，一般取1.2，水平地震作用分項系數取1.3;3)考慮人防荷載和永久荷載效應的基本組合，其中永久荷載分項系數，一般取1.2，人防荷載作用分項系數取1.0，此工況材料強度設計值需根據《人民防空工程設計規范》中相關規定計算;4)考慮永久荷載與膨脹力荷載效應組合設計值，其中土壓力按照土體抗剪強度指標建議值選取，對于明挖車站主體結構一般情況由永久荷載控制，永久荷載的分項系數取1.2，膨脹力荷載分項系數取1.0。

2.3 例題

合肥市軌道交通1號線一期工程葛大店站位于二環路與祁門路之間的包河大道路口，車站偏包河大道東側敷設。本站為地下2層島式車站，總長為200 m，標準段寬度19.9 m，頂板覆土約3 m，底板埋深約16.5 m，基坑支護采用φ800@1300圍護樁支護，標準段豎向3道支撐，1道換撐，本站鄰近高架橋橋基，因此首道支撐采用混凝土支撐。下面依據上述設計原則對該站的基坑支護結構和車站主體結構進行相應分析。圖2地質柱狀圖中②黏土、③黏土、④黏土均為合肥弱膨脹土層，具體膨脹性能指標見表1。