地鐵圍護結(jié)構(gòu)地墻加長與土層擾動的關(guān)系

朱益龍 閆小杰 徐乃芳

(1.寧波市軌道交通集團有限公司，浙江 寧波 315000； 2.中國電建集團華東院勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 寧波 315000)

1 工程簡介

連續(xù)墻支護一般采用鋼絲繩和液壓抓斗成槽設(shè)備，也有用多頭鉆和切削輪式成槽設(shè)備的。槽段采用膨潤土泥漿護壁灌注水下混凝土使其形成混凝土擋土墻結(jié)構(gòu)。為加強支護能力一般采用鋼橫撐和錨桿拉緊連續(xù)墻共同受力的方式。連續(xù)墻不僅能承受較大的荷載同時具有隔水的作用。

以地下3層站車站為例，主體結(jié)構(gòu)形式為雙柱三跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)外皮寬22.1 m，車站覆土埋深約為3.0 m。車站主體挖深約25.69 m，車站底板主要落于④2b黏土層。采用明挖順作法施工，各層土質(zhì)參數(shù)詳見表1。

表1 土層物理力學(xué)指標設(shè)計參數(shù)

設(shè)計荷載：

結(jié)構(gòu)自重：鋼筋混凝土重度：γ=25 kN/m3；

水平壓力：水平壓力施工階段對于黏性土地層采用水土合算，對于砂性土地層采用水土分算；使用階段均按水土分算。基坑周邊的地面超載按30 kPa計。

以最不利端頭井的設(shè)計數(shù)據(jù)和施工數(shù)據(jù)為例。

2 土體各項參數(shù)折減0.9計算模型

端頭井圍護型式為1 000 mm厚地下連續(xù)墻，采用明挖順作法施工，其中第一道和第五道采用鋼筋混凝土支撐，支撐之間的間距為9 m；第二道和第四道鋼支撐以及換撐采用φ609壁厚16 mm鋼支撐，鋼支撐之間的間距為3 m,第三、六、七道鋼支撐采用φ800壁厚16 mm鋼支撐，支撐間距為3 m，使用啟明星計算軟件模擬基坑受力情況，建立計算模型(如圖1所示)。

圖中土體的各項參數(shù)，如粘聚力、內(nèi)摩擦角等相對應(yīng)于表1中的數(shù)據(jù)進行折減0.9計算。

2.1 坑底抗隆起計算

坑底抗隆起計算模型如圖2所示。

下滑力：7 988.5 kN/m；

抗滑力：15 475.7 kN/m；

每延米墻體抗滑力：0.0 kN/m；

安全系數(shù)：2.19，要求安全系數(shù)：2.2。

2.2 墻底抗隆起計算

墻底抗隆起計算模型如圖3所示。

坑內(nèi)側(cè)向外25.7 m范圍內(nèi)總荷載：26 921.3 kN/m。

驗算斷面處土體內(nèi)聚力：29.5 kPa；內(nèi)摩擦角：13.4°。

安全系數(shù)：2.48，要求安全系數(shù)：2.5。

2.3 整體穩(wěn)定性計算

整體穩(wěn)定計算模型如圖4所示。

滑弧：圓心(8.12 m,-0.00 m)，半徑：55.75 m，起點(-47.63 m,0.00 m)，終點(57.60 m,25.69 m)，拱高比0.785；

下滑力：12 473.51 kN/m；

土體(若有則包括攪拌樁和坑底加固土)抗滑力：17 202.74 kN/m；

土釘/錨桿抗滑力：0.00 kN/m；

樁墻的抗滑力：0.00 kN/m；

安全系數(shù)：1.34。

3 土體各項參數(shù)折減0.9(地墻加長2 m)

3.1 坑底抗隆起計算

坑底抗隆起計算模型如圖2所示。

下滑力：8 481.5 kN/m；

抗滑力：16 643.0 kN/m；

每延米墻體抗滑力：0.0 kN/m；

安全系數(shù)：2.22，要求安全系數(shù)：2.2。

3.2 墻底抗隆起計算

墻底抗隆起計算模型如圖3所示。

坑內(nèi)側(cè)向外25.7 m范圍內(nèi)總荷載：27 897.5 kN/m；

驗算斷面處土體內(nèi)聚力：29.5 kPa；內(nèi)摩擦角：13.4°；

安全系數(shù)：2.53，要求安全系數(shù)：2.5。

3.3 整體穩(wěn)定計算

整體穩(wěn)定計算模型如圖4所示。

滑弧：圓心(6.88 m,-0.00 m)，半徑：57.54 m，起點(-50.67 m,0.00 m)，終點(58.37 m,25.69 m)，拱高比0.792；

下滑力：13 030.63 kN/m；

土體(若有則包括攪拌樁和坑底加固土)抗滑力：18 380.49 kN/m；

土釘/錨桿抗滑力：0.00 kN/m；

樁墻的抗滑力：0.00 kN/m；

安全系數(shù)：1.36。

4 土體各項參數(shù)折減0.85計算

4.1 坑底抗隆起計算

坑底抗隆起計算模型如圖2所示。

下滑力：7 988.5 kN/m；

抗滑力：14 663.8 kN/m；

每延米墻體抗滑力：0.0 kN/m；

安全系數(shù)：2.04，要求安全系數(shù)：2.2。

4.2 墻底抗隆起計算

墻底抗隆起計算模型如圖3所示。

坑內(nèi)側(cè)向外25.7 m范圍內(nèi)總荷載：26 921.3 kN/m；

驗算斷面處土體內(nèi)聚力：27.9 kPa；內(nèi)摩擦角：12.7°；

安全系數(shù)：2.34，要求安全系數(shù)：2.5；

起點(-47.60 m,0.00 m)，終點(57.65 m,25.69 m)，拱高比0.785。

4.3 整體穩(wěn)定性計算

整體穩(wěn)定計算模型如圖4所示。

滑弧：圓心(8.16 m,-0.00 m)，半徑：55.76 m；

下滑力：12 472.89 kN/m；

土體(若有則包括攪拌樁和坑底加固土)抗滑力：16 212.65 kN/m；

土釘/錨桿抗滑力：0.00 kN/m；

樁墻的抗滑力：0.00 kN/m；

安全系數(shù)：1.3。

5 土體各項參數(shù)折減0.85(地墻加長2 m)計算模型

5.1 坑底抗隆起計算

坑底抗隆起計算模型如圖2所示。

下滑力：8 481.5 kN/m；

抗滑力：15 790.0 kN/m；

每延米墻體抗滑力：0.0 kN/m；

安全系數(shù)：2.18，要求安全系數(shù)：2.2。

5.2 墻底抗隆起計算

墻底抗隆起計算模型如圖3所示。

坑內(nèi)側(cè)向外25.7 m范圍內(nèi)總荷載：27 897.5 kN/m；

驗算斷面處土體內(nèi)聚力：27.9 kPa；內(nèi)摩擦角：12.7°；

安全系數(shù)：2.39，要求安全系數(shù)：2.5。

5.3 整體穩(wěn)定性計算

整體穩(wěn)定計算模型如圖4所示。

滑弧：圓心(6.91 m,-0.00 m)，半徑：57.55 m，起點(-50.64 m,0.00 m)，終點(58.40 m,25.69 m)，拱高比0.792；

下滑力：13 029.58 kN/m；

土體(若有則包括攪拌樁和坑底加固土)抗滑力：17 337.53 kN/m；

土釘/錨桿抗滑力：0.00 kN/m；

樁墻的抗滑力：0.00 kN/m；

安全系數(shù)：1.32。

6 設(shè)計標準

1)基坑安全等級為一級，車站基坑變形控制保護等級為一級，重要性系數(shù)1.1。

2)圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)力和變形計算，可沿區(qū)間縱向取單位長度按彈性地基梁計算，坑內(nèi)開挖面以下地層對墻體的約束采用一系列彈簧支座模擬。

3)地面最大沉降量不大于0.1%H(H為基坑開挖深度)，圍護墻最大水平位移不大于0.14%H，坑底抗隆起Ks≥2.2，墻底抗隆起系數(shù)不小于2.5。

對上述各個工況的計算結(jié)果進行匯總，同時和規(guī)范所規(guī)定的標準進行對比，詳見表2。

表2 計算結(jié)果統(tǒng)計

7 結(jié)語

實際工程中對于擾動土并沒有明確的計算方法，本文采用對土體參數(shù)進行適當(dāng)?shù)恼蹨p的方法，來模擬實際工程中已經(jīng)擾動的土體，并通過加強圍護結(jié)構(gòu)抵抗土體的擾動，通過同濟啟明星的計算結(jié)果和原工程數(shù)據(jù)的比較得出以下結(jié)論：1)擾動土體對工程有很大的影響，通過加長地墻，一定程度上可以加強基坑的穩(wěn)定性和安全性，但在實際工程中需要考慮工程造價和實際施工的難度，并不能無限制的加長地墻長度；2)在計算的過程中沒有考慮到“窄坑效應(yīng)”，需要通過實驗進一步的確定土體的特征，來確定最優(yōu)的地墻插入比。