等厚水泥土地下連續鋼墻結構設計及受力特性研究

李吉勇李耀良羅云峰張哲彬

1. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200433；2. 上海市地下工程施工泥漿專業技術服務平臺 上海 200433

隨著城市地上空間日益稀缺，地下空間的開發快速發展，基坑朝更深、更大方向發展已成必然趨勢。在鬧市區，深基坑受到周圍建筑、道路交通、地下管線等環境的影響也越來越復雜。目前，國內的基坑常規支護工藝受施工場地和施工速度等因素的限制，與城市交通及周邊環境的沖突日趨嚴重。

為此，研發了一種占地小、施工快速方便的圍護體系——水泥土地下連續鋼墻，滿足了目前地下空間的發展需求。相對于傳統地下連續墻，水泥土地下連續鋼墻采用水泥漿替代混凝土，同時采用預制型鋼作為勁性骨架，較原地下連續墻中的鋼筋施工，占地小、安裝方便、工期短、對周邊環境影響小，造價相對較低，將大大改善傳統地下連續墻工法在城市工程建設中的用地和環境影響問題，也為城市復雜區域的基坑開挖工程提供一種新的支護方案。

在地下環境影響方面，地下連續墻集擋土及止水功能為一體，是目前深基坑主要的圍護形式。為保證基坑的各項穩定性，作為板式支護體系，地下連續墻的插入比通?？刂圃?.9～1.2。

目前，基坑開挖深度越來越深，30～60 m及60 m以上的超深基坑也逐步增多。按照常規插入比設置，地下連續墻圍護深度將達60～120 m，而坑底以下圍護通常僅僅是考慮開挖階段地下止水及基坑穩定性要求，所受內力較小，通常為構造配筋（圖1）。而當基坑內部結構施工完成后，坑底以下的鋼筋混凝土地下連續墻圍護由于結構強度大、止水性能高，將大大影響地下水系環境，同時也將成為后續地下空間開發的障礙物。

圖1 地下連續墻圍護剖面示意

水泥土地下連續鋼墻作為一種復合體材料圍護，在豎向斷面可進行適應性地分段加勁設計，在開挖段及坑底附近圍護內力較大區域采用等厚水泥土墻內插鎖扣型鋼，對坑底以下內力較小區域及隔水需求段僅設置等厚水泥土墻（圖2）。

圖2 等厚水泥土連續鋼墻圍護剖面示意

型鋼按需設置大大減小了用鋼量。等厚水泥土作為一種水泥系加固體，其強度及耐久性遠小于地下連續墻，在基坑施工周期完成后，加筋體以下水泥土墻不會成為后續地下空間開發的障礙，同時對地下水系環境影響小。

在施工條件方面，地下連續墻施工由于需要考慮鋼筋籠吊裝，對現場凈空（通常H＞20 m）和吊機平面尺寸都有較大的要求，大質量吊裝會帶來施工風險的增加。目前，常規地下連續墻在復雜環境條件下的適用性越來越受到限制。

水泥土地下連續鋼墻勁性骨架可采用標準的鎖扣型鋼，型鋼節段質量輕，且可根據現場高度按需定制標準節段長度，最小節段長度可為4 m，滿足低凈空條件下施工要求，標準化節段安裝速度快、安全性高。

在經濟性方面，水泥土連續鋼墻所使用的水泥較常規地下連續墻中混凝土的造價低，勁性材料標準鎖扣型鋼截面用鋼量與常規地下連續墻基本相同，但插入的鎖扣型鋼可豎向按需設置，圍護結構施工完成后，結合現場條件，型鋼還可拔除循環利用?？傮w造價較常規地下連續墻大幅降低。

作為一種新的圍護工藝，國內目前關于水泥土地下連續鋼墻的研究，無論在理論設計方面還是現場施工方面都尚屬空白。

國內外、各地區的地質條件及基坑周邊環境的復雜性差異較大，如何合理精確地計算出水泥土地下連續鋼墻圍護施工過程中的位移和內力，以此擬定合理的圍護尺寸、型鋼規格及連接方法，并精確評價工程對周邊環境的影響，是需要解決的首要問題。

1 等厚水泥土地下連續鋼墻設計及節點構造

1.1設計構造

常規型鋼水泥土攪拌墻（SMW工法）往往受水泥土間的抗剪薄弱截面限制，基坑開挖深度通常控制在12 m以內。為保證大深度的基坑開挖及受力要求，等厚水泥土地下連續鋼墻采用了等厚度截面，此結構形式的有效止水面積大，內插鎖扣型鋼，保證了勁性材料的平面連續性，避免了SMW工法水泥土間薄弱面的影響，增大了該工藝圍護的基坑開挖深度。針對大深度基坑，等厚水泥土地下連續墻厚度可設置為900～1 200 mm，內插對應高度的鎖扣型鋼。

結合地下工程基坑尺寸，地下水泥土連續鋼墻的平面布置形式主要為一字形，標準開挖槽段長為2.8 m，標準圍護平面如圖3所示。

圖3 等厚水泥土鋼墻標準一字形圍護

1.2水泥土地下連續鋼墻鎖扣連接節點設計

為保證水泥土地下連續鋼墻勁性材料的連續性，鎖扣連接設計是關鍵。鎖扣連接設計需充分考慮圍護鎖扣止水、型鋼插入、型鋼索力連接約束等因素。通常連續型鋼接頭由C形鎖扣和T形接頭構成。咬合接頭的標準配置是沿著鎖扣型鋼的構件軸向間斷布置。

鎖扣約束越強，自由度越小，鎖扣止水效果越好，連接效果也更好，但現場施工就越困難。反之，鎖扣止水效果和連接強度就較弱。為此，綜合比選分析日本NS-BOX相關工程案例設計，以900 mm×700 mm×16 mm×28 mm的H型鋼為基礎，設計采用開口圓插入T形雌雄鎖扣連接的形式。雌口為外徑130 mm、內徑106 mm、壁厚12 mm的C形鎖扣，雄頭為高76 mm、厚28 mm的T形插頭，如圖4所示。

圖4 型鋼與型鋼間的鎖扣形式

1.3水泥土地下連續鋼墻豎向連接節點設計

水泥土地下連續鋼墻作為圍護結構，隨著基坑開挖工況不同，其豎向受力是不斷變化的。為確保圍護的強度和安全，對于型鋼對接連接，按等強連接設計。以900 mm×700 mm×16 mm×28 mm鎖扣連續H型鋼豎向連接為例，對其豎向連接進行設計驗算。H型鋼等強連接時，翼板拉應力以截面抗彎承載控制，腹板以截面主要承擔剪力進行節點螺栓設計。

通過等強連接設計驗算，900 mm×700 mm×16 mm×28 mm鎖扣H型鋼豎向連接時，翼板連接螺栓采用（4×5）×2×2個M30-8.8級高強螺栓，腹板連接螺栓采用（3×6）×2個M30-8.8級高強螺栓，如圖5所示。

圖5 鎖扣型鋼豎向高強螺栓連接設計

2 等厚水泥土地下連續鋼墻承載特性分析研究

等厚水泥土地下連續鋼墻由鎖扣型鋼勁性骨架和水泥土共同組成，圍護體主要承受受彎荷載。對兩種材料的荷載承擔比采用理論和數值分析。

根據材料力學知識，材料的抗彎剛度K與其截面的慣性矩I成正比，即K＝EI＝EsIs＋EcIc，其中E為彈性模量，下標中的s代表型鋼、c代表水泥。

本次進行截面特性分析采用的是900 mm×700 mm×16 mm×28 mm的H型鋼，其截面特性為：高h＝900 mm，寬b＝700 mm，翼緣厚t＝28 mm，腹板厚tw＝16 mm，截面積A＝527.040 cm2，x方向慣性矩Ix=825 594.0 cm4，Iy＝160 095.4 cm4。

對于水泥土，選取其900 mm×700 mm矩形截面，忽略其中型鋼截面所占區域的影響，則其慣性矩為4 252 500 cm4。經計算，2種材料的抗彎剛度比為160。

在進行數值分析時，采用與上述同樣的截面材料。以上海機場聯絡線浦東機場三期配套工程浦東機場站為例，對其標準段基坑圍護斷面采用三維“m”法[2]建立實體單元進行分析，選取單幅槽段寬度，鎖扣型鋼插入48 m，豎向設置5道支撐，基坑開挖深度20 m。

在組合荷載作用下，由水泥土連續鎖扣型鋼應力云圖可知，墻體主要支撐骨架為連續鎖扣型鋼，鎖扣型鋼在荷載作用下的最大應力為81 MPa。土體受力最大位置為型鋼翼板鎖扣連接區域的中間薄弱位置，該處水泥土錯動剪應力為0.3 MPa。型鋼和水泥土的位移和內力沿深度方向的變化如圖6、圖7所示。

圖6 鎖扣型鋼與水泥土位移對比

圖7 鎖扣型鋼與水泥土彎矩對比

綜合上述理論分析與數值分析結果，等厚水泥土地下連續鋼墻作為鎖扣型鋼勁性骨架與水泥土的組合截面，變形協調較好，其抗彎剛度是傳統水泥土地下連續墻的160倍。結合結構荷載作用下的變形協調理論，水泥土地下連續鋼墻承擔的荷載作用也是傳統水泥土地下連續墻的160倍。

因此，從剛度分配理論分析，等厚水泥土地下連續鋼墻的主要受力構件是內插勁性骨架，從設計安全性考慮，建議可只考慮鎖扣型鋼的作用，將水泥土視為不承受荷載而只考慮其止水作用。連續鎖扣型鋼兩端翼緣端部間的型鋼和水泥土交界面處剪應力較明顯，為最弱剪切面[3]。

3 水泥土地下連續鋼墻鎖扣剛度特性分析研究

通過上述分析可知，水泥土地下連續鋼墻主要承受荷載的結構為內插的鎖扣型鋼。對于連續鎖扣型鋼，其鎖扣連接是薄弱環節，如何合理地考慮和計算型鋼連續鎖扣間的受力與約束作用，既是關鍵也是難點。

連續鎖扣型鋼鎖扣連接約束主要是由于兩種型材鎖扣之間的接觸摩擦，接觸連接剛度的大小對鎖扣型鋼間的傳力及荷載分配影響很大。合理的鎖扣約束及剛度模擬對型鋼結構受力影響很大。為此，通過有限元模擬考慮鎖扣之間摩擦的影響，確定合理的鎖扣間摩擦剛度取值。

3.1鎖扣剛度模擬分析

采用Midas有限元分析軟件，模擬鎖扣連續型鋼在同一荷載作用下，不同鎖扣間的摩擦剛度對連續鋼墻內力變化的影響。

結合C-T鎖扣連接現場限位狀態，采用“三點兩向約束”的彈性連接模擬連接摩擦效應（圖8），取彈簧剛度為10 000、50 000、100 000 kN/m，以及釋放板單元約束的鉸接等4種情況?？紤]在板的一側施加均布荷載模擬土壓力，本次按200 kPa考慮。通過鎖扣連接摩擦的不同剛度模擬計算分析（圖9），得出鎖扣連接50 000 kN/m剛度約束下的鋼墻應力、位移分別為68.1 MPa和9.4 mm。

圖8 鎖扣連接三點兩向摩擦彈簧剛度連接示意

圖9 不同摩擦剛度下的強度及位移

由不同彈簧剛度下鎖扣型鋼細部應力及位移變化可知，隨著剛度的增大，鎖扣連接處的應力和變形數值逐漸減小，變化量越來越小。當二者完全處于剛性連接時，鎖扣間的連接會共同作用，二者位移量相同。以50 000 kN/m剛度模擬鎖扣連接約束的偏差較小，因此以該剛度模擬鎖扣連接作用較為合理。

3.2鎖扣連接極限壓力荷載確定

在合理的鎖扣連接剛度約束作用下，分級逐步加載以模擬確定鎖扣約束的極限承載壓力。鎖扣型鋼間的彈簧剛度系數取50 000 kN/m，分級加載100、200、300 kPa壓力進行試算，得出對應的鎖扣型鋼應力、位移變化（圖10）。

圖10 不同荷載作用下強度及位移

通過多級加載計算可知，隨著荷載的增大，截面應力及變形同樣增大，當壓力荷載達300 kPa時，應力增量出現了離散的特點。為控制鎖扣連接效應，建議連續鋼墻圍護壓力控制在300 kPa，對應基坑開挖深度在25 m左右。

4 工程案例驗算

上海機場聯絡線浦東機場三期配套工程浦東機場站的標準段基坑設計深度23.088 m，基坑安全等級為一級。本工程原圍護豎向共6道支撐，第1、第5道為混凝土支撐，第2～4道為φ800 mm鋼支撐。地下連續墻厚1 m，地下連續墻配筋段長48 m，素混凝土段長17 m，總長65 m。受機場連廊凈空影響，擬將影響區域地下連續墻圍護調整為水泥土地下連續鋼墻。

結合浦東機場站基坑開挖深度及目前銑削深層攪拌技術（cutter soil mixing，CSM）施工等厚度地下連續墻的常規厚度及型鋼結構尺寸，采用厚1 200 mm水泥土墻內插900 mm×700 mm×16 mm×28 mm鎖扣H型鋼形式，型鋼長度48 m（4節×12 m）。內支撐豎向和水平布置方式不變。土層參數如表1所示。

表1 土層參數

相繼采用極限平衡法對支護結構在基坑開挖過程中的受力變形進行計算，計算結果如圖11、圖12所示。

圖11 厚1 m地下連續墻圍護內力變形包絡圖

圖12 厚1 200 mm等厚水泥土內插H900型鋼圍護內力變形包絡圖

通過2種圍護基坑剖面計算可知，在抗彎剛度上，H900 mm×700 mm× 16 mm×28 mm連續鋼墻是厚1 m地下連續墻抗彎剛度的0.76倍，在相同插入比設計下，兩者的整體穩定和抗傾覆性相同，最大變形也相差不多，連續鎖扣型鋼為42.8 mm，地下連續墻圍護為39.3 mm，相差2.5 mm。

采用型鋼結構材料的最大強度應力為114 MPa＜205 MPa，圍護強度有一定的安全儲備及變形延展性，說明等厚水泥土連續鋼墻圍護具有理論可實施性。

5 結語

本文結合地下空間發展，對新型的水泥土地下連續鋼墻設計及理論分析進行了研究，主要內容如下：

1）從施工條件、地下環境影響、經濟造價等方面，系統分析了水泥土地下連續鋼墻的適用性及應用需求。

2）綜合考慮現場施工、止水連接及受力特性，探討了連續鋼墻鎖扣型鋼的鎖扣連接及豎向對接連接等關鍵節點的尺寸設計。

3）采用三維“m”法實體組合材料建模分析，實現了水泥土地下連續鋼墻精確的整體變形受力狀態分析。針對型鋼鎖扣連接，首次采用“三點兩向約束”的彈性連接支座進行模擬，并進行合理的剛度模擬，實現了連續鎖扣型鋼局部受力及變形特性的精確分析。

4）本文主要以勁性骨架主要承載狀態體系對水泥土地下連續鋼墻進行受力分析。當基坑深度較大，鎖扣變形較大而引起水泥土錯動時，將會影響圍護體系的止水效果。后續將進一步針對水泥土地下連續鋼墻在水泥土大變形下的止水性能進行分析。