不利環境因素影響下地連墻自穩性能研究

趙波

（中億豐建設集團股份有限公司，蘇州215000）

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，城市軌道交通事業得到大力發展，進而催生了大量深基坑工程，對此，有大批專業人員從深基坑周邊環境、支護和開挖方式等方面對深基坑施工進行了深入研究，如唐敏玲等[1]滇池泥炭土深基坑支護特殊技術與工法研究；李丹梅等[2]基坑形狀優化及有限元模型尺寸效應分析；邱明明等[3]地連墻與止水帷幕共同作用下富水砂層深基坑變形性狀研究；陳保國等[4]地鐵車站復合墻結構體系受力特性；杜建安[5]深大基坑開挖過程中地連墻位移與應力監測研究。但針對各種不利因素下地連墻本身穩定性的研究卻很少。

地連墻在施工工程中，除了設計考慮到的各種因素外，還存在很多現場偶然因素的影響，此時，地連墻自穩能力的研究給后續施工和現場應急處置提供理論依據，是對設計和正常施工環節以外不利環境因素疊加狀態下特殊環節的有效補充。

1 施工方案概述

1.1 方案綜述

金融街站是蘇州市軌道交通S1 線工程（唯亭站～花橋站）的第19 座車站，該站為地下兩層島式站臺車站，有效站臺寬度12m。車站外包總長度為506.85m，標準段結構寬度為20.7m，基坑采用明挖法施工，開挖深度約16.7m。

車站主體基坑采用地下連續墻+內支撐的圍護方案，標準段采用800mm 厚地下連續墻，豎向設置5 道支撐，其中第一道支撐為鋼筋砼支撐，第二道為φ609*16mm 鋼支撐，其余道均為φ800*16mm 鋼支撐；端頭井段采用800mm 厚地下連續墻，豎向設置5 道支撐+1 道換撐，其中第一道支撐為鋼筋砼支撐，第二道為φ800*16mm 鋼支撐，其余道均為φ800*20mm 鋼支撐。

主要施工步驟為隨開挖隨支護直至基坑底→拆除第四、五道支撐并施工地下二層站體→拆除第二、三道支撐并施工地下一層站體→拆除第一道支撐→附屬工程。

1.2 地連墻處地質情況

金融街站地連墻最大深度為33.5m，向下揭示地層依次為雜填土、粉質黏土、淤泥質土、黏土、粉砂夾粉土等，具體見表1。

表1 地連墻處地層統計表

2 不利環境因素界定

影響深基坑作業的因素眾多，本文僅將對地連墻造成影響的相關因素作為研究對象，在設計階段，設計單位已經考慮了較為全面的影響因素，如基坑的分層開挖、支撐的依次施加、站體結構的施工及相應支撐的拆除、基坑降水及基坑外行車荷載等，并對上述因素影響下的地連墻穩定性進行了詳細計算，結構的安全可靠性均能滿足設計規范，但對一些極端不利條件或突發的偶然因素對結構的影響卻沒有充分考慮，這些不利因素主要有以下幾個方面：

①實際淤泥質土層厚度偏大，地連墻底部更容易在“軟土”地質中發生位移，進而引發地連墻失穩。

②地連墻設計過程中，有一個工況為“拆除第四、五道支撐并施工地下二層站體”，而在施工工程中有可能在拆除第四、五道支撐后不能及時施做底板及相應站體，這就導致地連墻在少了兩道支撐+一道底板撐的情況下，依靠自身強度和剛度承擔背后主動土壓力的狀態。

③在“②”狀態下，遇到降雨，尤其是暴雨情況下，原有和新增基坑降水措施無法維持原有地下水位（即地下水位上升），這將加劇地連墻失穩與結構破壞的影響，這也是重要不利環境因素之一。

上述三種不利因素是設計階段不予考慮的，其既包括人為因素，也包括客觀因素，而實際施工工程中，三種因素的疊加狀態，即是本文要討論的不利環境因素。同時本文討論的“自穩性能”包含地連墻位移、地連墻強度剛度和周邊土體失穩三個方面。

3 因素不利性論證

根據上節所述，本文分別對三種不利因素進行理論論證。

3.1 淤泥質土層厚度偏大

在地勘階段，不可能做到連續緊密鉆孔，鉆孔之間土層分界線為線性擬合線，有可能實際軟土厚度大于擬合土層厚度；在設計階段，為了計算簡便，土層厚度采用勘探孔揭示土層厚度的平均值，這樣必然存在一部分厚度大于平均值的軟土。

根據地質勘探報告和設計圖紙，繪制地連墻受到的主動、被動土壓力，具體見圖1。

圖1 地連墻地質剖面及土壓力受力圖

在不考慮地下水和土體粘聚力的前提下求地連墻反彎點（假設地連墻反彎點在第五層土中）。

主動土壓力Pa計算如下：

被動土壓力計算如下：

式中：

K 為被動土壓力系數；

令 Pa=Pb，得

當淤泥質黏土厚度增加△時，相應的下層土減少△，則將△代入上式進行計算得：

由此可以看出，當軟土層厚度越大，反彎點嵌入深度就越大，同時還可以得出主動土壓力與被動土壓力的合力也就越大。

式中：

q 為主動土壓力與被動土壓力的合力；

l=h1+……h5為地連墻有效計算長度；

M 與 q 和 l 正相關。

由上式可以看出，當軟土層實際厚度比設計采用的厚度大時，q 值和l 值都會增加，進而導致地連墻承受的彎矩增加，對地連墻來說是一種不利因素。

3.2 未及時施做底板及下層結構

當拆除第四、五道支撐后，及時施工地層站體即可達到設計受力狀態，具體圖2（a），當不能及時施做，地連墻將出現圖2（b）受力狀態。

圖2 地連墻下層站體結構施工前后受力圖

根據公式（3），地連墻承受彎矩與跨度和荷載正相關，圖 2 中 q 不變，h2＞h1，可以得出 M2＞M1，則不及時施做底板及下層結構對地連墻來說也是一種不利因素。

3.3 強降雨時地下水位上升

按照設計圖紙，基坑開挖前采用井點降水將地下水位控制基坑底部以下一定深度，當降雨量比較大時，井點降水無法維持住原有地下水位，水位直至上漲至基坑底部，當水位超過基坑底部時即可以投入大量抽水設備抽水，因此水位可以控制在基坑底部不再上升。

為簡化計算，本文只選取水位變化部位的水土進行分析，土層也采用均質土層，則計算受力見圖3。

圖3 地下水位變化前后地連墻受力簡圖

水位變化前，地連墻土壓力合力：

水位變化后，地連墻土壓力合力：

則水位變化前后，地連墻合力變化：

上式可以說明，地下水位上漲時，地連墻受到土壓力的合力是增加的，這將導致地連墻反彎點下移，受到彎矩增加，也會導致地連墻向基坑內移。對地連墻來說顯然是不利的。

4 不利環境因素下地連墻自穩性能分析

上節從理論上定性地驗證了三種因素的不利性，本節將研究地連墻在這三種不利因素共同作用下的自穩性能。

4.1 地連墻位移

地連墻在不利因素疊加作用下，會向基坑內凹曲，其中最大內移出現在基坑底部，其次是地連墻底部，具體位移變形見圖4。

圖4 地連墻水平位移變形計算云圖

由計算可以看出，地連墻在基坑底部內凹9cm 左右，頂部三道支撐位置地連墻變形依次為2cm、3.3cm、5.4cm，底部地連墻變形為9cm 左右。

4.2 地連墻強度

①抗彎計算。

首先采用軟件計算地連墻在不利環境因素下的受力彎矩，具體見圖5。

圖5 地連墻彎矩計算云圖

采用軟件計算出地連墻在不利環境因素作用下，最大彎矩為1061.4kN.m，要驗證鋼筋混凝土結構的抗彎強度，還需要進一步計算，計算時選取1m 長地連墻作為對象，其斷面結構見圖6。

圖6 地連墻斷面構造圖

式中

x 為混凝土受壓區高度；

γ0-結構重要性系數，按二級考慮，取γ0=1.0；

Md-彎矩設計值，采用基本組合，組合中只有永久荷載作用，，γG為永久作用分項系數，根據規范，取γG=1.2，SGK為永久作用效應標準值，即為計算所得最大彎矩1061.4kN·m；

h-截面高度，地連墻h=800mm；

②抗剪計算。

由軟件計算地連墻在不利環境因素下承受的剪力，具體見圖7。

圖7 地連墻剪力計算云圖

根據計算結果，地連墻承受最大剪力為762.7kN，則地連墻抗剪能力要進一步計算。

式中

α2-預應力提高系數，對鋼筋混凝土構件，α2=1.0；

ftd-混凝土抗拉強度設計值，取ftd=1.65MPa；

Vd-剪力設計值，Vd=1.2×762.7=915.2kN；

b-截面寬度，取值1000mm；

h0-縱向受拉鋼筋合力點至受壓邊緣的距離，h0=800-70=730mm；

則 γVd=1.0×915.2=915.2kN 小 于 0.5 ×10-3α2ftdbh0=602.3kN，不滿足要求。

4.3 地連墻周邊土體失穩

基坑開挖過程，原狀土的受力平衡狀態被打破，基坑周邊土體會出現失穩，這種狀況下，土體的失穩本質上是剪切破壞，根據計算結果來看，土體沒有發生剪切破壞，富余系數為5.3，具體圖8。

圖8 基坑內土體失穩計算云圖

5 結論

①地連墻在“三種”不利環境因素疊加作用下，地連墻坑底和底部水平位移較大，這將影響站體結構的空間尺寸，所以，在底板不能及時施做時要施加臨時支撐體系，阻止其內凹變形。

②“不利因素”下，地連墻抗彎強度滿足要求，不會出現折斷現象，但抗剪強度不夠，剪斷處位于第三道支撐位置，因此，在該險情下，第一時間對第三道支撐位置的地連墻進行加固尤為必要。

③“不利因素”下，基坑不會出現失穩坍塌風險，過程中可將精力轉移至其他險情方面。

④地連墻在不利環境因素下自穩性能不能滿足要求。

⑤本文拋開了理想化施工過程，回歸現場實際，通過對不利環境因素影響的理論計算，我們能精確地定位地連墻“危險”點，有針對性地實施搶險措施，大大提高了現場應急處置能力。