高地下水位区地铁工程U型结构的设计方法

2018-03-09李琬荻

中国地质调查 2018年1期

李琬荻

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300143)

0 引言

近几年，随着国家对交通基础设施建设投入的逐渐加大，城市轨道交通和高速铁路飞速发展，U型结构设计在铁路干线和地铁中应用广泛。例如铁路、公路下钻式立交地段，地铁区间从地下盾构隧道爬升至地面高架时的过渡段以及地铁出入段线，等等。当线路以路堑形式通过地下水位较高、地层渗透系数较大、地下水排水困难区域时，U型槽结构设计的刚度大、稳定性高、防水性能好的优势得以体现，同时该结构具有收坡支护的功能：丁兆锋等[1]对U型结构设计中的理论计算模型、内力计算以及结构施工图等问题进行过探讨；孟美丽等[2]主要研究了U型结构的计算模型及原理；崔俊杰等[3]对边墙水土压力问题进行了讨论；吴剑锋等[4]阐述了路堤段U型结构的应用。

本工程位于天津某地铁出入段线，沿城区由西向东敷设。线路两侧有鱼塘及沟渠，地下水位较高。为保持同地下区间整体道床的顺接，故采用U型结构设计。本文在借鉴国内其他工程实例的基础上，结合该工程特点对U型结构的设计方法进行介绍，为相关工程设计提供参考。

1 工程地质条件

1.1 地层岩性

本工程范围内第四系自上而下主要为：

(1)全新统人工填土层Qml。

岩性主要为填土、淤泥质土、黏性土、粉土及砂土。工程地质剖面如图1所示。

1.2 特殊土

特殊土主要为人工填土和软土。场地范围内表层普遍分布有人工填土，以杂填土及素填土为主(路面为混凝土或沥青路面)。杂填土厚度0.6～4.2 m，素填土厚度0.5～4.9 m，变化较大，填筑时间一般较短，成分复杂，分布不均匀。填土土质不均，易造成不均匀沉降，工程性质差，不适宜做天然地基，对基坑开挖及支护有较大影响。场地坑塘底部分布有新近沉积层淤泥，根据勘探揭示厚度0.2～1.8 m，第Ⅰ海相层普遍分布有淤泥质土，分布厚度差异大，其中淤泥质黏土厚0.9～18.4 m、淤泥质粉质黏土厚0.8～11.8 m。软土具高含水量(w=31.1%～55.0%)、高灵敏度、高压缩性、低强度和触变性及欠固结等特点，极易发生蠕动和扰动，工程性质差[5]。

1.3 场地地下水类型及特征

场地浅层地下水为第四系孔隙潜水。赋存于第Ⅱ、第Ⅲ陆相层中的粉土、砂土层中的地下水具微承压性，为浅层承压水。第Ⅴ陆相层以下的粉土、砂土层中的地下水与浅层地下水没有直接联系或联系很小，为深层承压水[6]。

上部潜水埋藏较浅，勘察期间地下水埋深1.0～2.5 m，主要赋存于人工填土层、第Ⅰ陆相层粉土与黏土以及第Ⅰ海相层中的粉土、粉砂、黏土与淤泥质土层中。

下部微承压水主要以第Ⅱ陆相层及以下的黏土为相对隔水顶板，主要赋存于第Ⅱ陆相层、第Ⅲ陆相层及以下的粉土、砂类土中。根据勘探揭示第一层微承压水基本与上部潜水连通；第二层微承压水，以第Ⅱ海相层黏土及第Ⅳ陆相层粉质黏土、黏土为相对隔水顶板，顶板埋深30.4～35.1 m，微承压水主要赋存于第Ⅳ陆相层黏质粉土、粉砂中，相对含水层基本呈层状分布，大部分含水层未揭穿，含水层厚度大于1.8 m。

2 结构形式

U型槽结构横断面具有多样性。边墙截面形式一般为矩形、阶梯形、梯形截面。一般而言，如果矩形截面上下宽度较大，易导致材料浪费，故截面形式多用于墙高较低结构[2]；而阶梯形截面宽度变化处易产生应力集中的问题。因此，本工程边墙横截面采用梯形形式，该横断面上窄下宽，能很好地适应土压力和水压力的应力分布。胸坡直立，背坡坡率为1∶0.15，根据边墙高度和地下水位的高低，边墙顶部宽度为0.3 m。底板采用矩形截面，考虑边界宽度的限制，同时根据抗浮计算确定本工程底板两端伸出边墙外侧0.5 m[7]。U型结构采用C50防水钢筋混凝土现场浇筑，箍筋采用HPB300钢筋，其余钢筋采用HRB400钢筋。本工程U型槽结构的横断面如图2所示(L为U型槽净宽(路面宽度)；L′为底板宽度；H为边墙高度；h为底板厚度；h′为边墙顶高程；b为边墙顶宽；B为边墙底宽)。

图2 U型结构横断面图(单位： m)

3 结构设计

3.1 边墙设计计算

U型槽结构边墙视作固定在底板的悬臂梁,主要受力包括边墙自重、墙背土压力及水压力、罩棚作用力、结构外地面的车辆及人群荷载等活载。

边墙自重应根据初步拟定的断面尺寸和材料容重计算，同时应考虑梯形边墙上部三角形土体重力[8]。

墙背土压力及水压力，边墙土压力和水压力是进行边墙、底板断面尺寸设计以及验算其稳定性和强度的重要依据。对于渗透性较强的土，例如砂性土和粉土，一般采用水、土分算。也就是，分别计算作用在边墙上的水压力和土压力，然后相加；对于渗透性较弱的土，如黏土，可以采用水土合算的方法[9]。在实际工程计算中，如果严格按照砂性土和黏性土困难较大，本工程统一采用水土分算原则[10]。由于结构为钢筋混凝土，边墙和底板视为刚性连接，边墙不发生侧向位移、偏转和弯曲变形，作用在其上的土压力即为静止土压力[3]，地下水压力按静止水压力计算。

地下水位以上及以下边墙土压力的计算式分别为[11]

(1)

(2)

静止水压力的计算式为

(3)

式1—3中：E1为地下水位以上边墙土压力；E2为地下水位以下边墙土压力；H为边墙高度,m；H0为地下水位距墙顶距离,m；K0为静止土压力系数；γ′为土的天然重度,kN/m3；γ′为土的浮重度,kN/m3，γ′=γsat-γw，其中，γsat为土的饱和重度，kN/m3，γw为水的重度，kN/m3。

罩棚采用轻钢结构，柱底采用铰接柱脚，柱脚底板采用500 mm×500 mm，沿线路方向每6 m设一个柱脚。本设计荷载仅为钢罩棚荷载，不包括各种管线及管线需要的支架荷载。每个柱脚轴力为85 kN，每个柱脚水平剪力为22 kN。

结构外地面的车辆及人群荷载等活载，采用等效均布荷载代替，并将其换算成等效土压力。

边墙最大设计高度为8.5 m，根据承载能力极限状态法，按正截面受弯构件进行内力及截面配筋计算[12]，荷载分项系数采用1.65。边墙配筋形式见图3(边墙主筋N1-2、分布筋N3-1、负筋N3-2为HRB400钢筋，箍筋N2-2为HPB300钢筋)。

图3 钢筋布置断面图

3.2 底板设计计算

U型槽结构底板视作支撑于地基上的地基梁。主要受力包括底板自重、地基反力、地下水浮力、板上荷载(车辆荷载、轨道荷载、道床荷载等)、边墙对底板作用力。其中，边墙对底板压力为边墙结构自重，固端弯矩由水压力和土压力在边墙底部产生，是作为集中弯矩施加在底板与边墙连接处[13]。

沿线路纵向取1 m宽底板作为计算单元，按照弹性地基梁理论计算底板内力弯矩、剪力、轴力及挠度等[11]，取其最大值按极限状态法进行截面配筋计算，并且底板地基应力应小于容许承载力。以墙高8.5 m为例，表1给出了最大和最小扰度、剪力、弯矩值及所在位置和对应工况。

表1 所有工况计算结果

表2及图4给出了计算所得弯矩最大时的工况地基梁所承受的荷载及其分布情况。地基梁刚度为1.41×107kN/m2，地基的基床系数取2.0×104kN/m3。

表2 地基梁梁段所承受的集中荷载及均布荷载

图4地基梁梁段所受集中荷载及均布荷载

Fig.4Concentratedloadanduniformloadoffoundationbeam

最大弯矩时的内力计算结果如图5所示。

图5 最大弯矩内力计算结果

底板配筋形式见图3，底板下部主筋N1-1、上部主筋N1-3、分布筋N3-1为HRB400钢筋，箍筋N2-1为HPB300钢筋。

4 裂缝宽度及抗浮稳定性验算

4.1 裂缝宽度验算

由于长期的荷载作用致使混凝土收缩，导致裂缝宽度逐渐增大；受拉区混凝土应力松弛及滑移徐变影响，裂缝间受拉钢筋的平均应变将不断增大，从而使裂缝宽度不断增大。根据本工程环境类别，确定钢筋混凝土构件的裂缝控制要求计算限值不大于0.2 mm，经计算均满足要求。

最大裂缝宽度计算公式[12]为

(4)

式中：αcr为构件受力特征系数，本工程中边墙及底板按受弯构件计算取1.9；Ψ为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；σs为按荷载准永久组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉普通钢筋应力；Es为钢筋的弹性模量；cs为最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离，mm；ρte为按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率；deq为受拉区纵向钢筋的等效直径，mm。

4.2 抗浮稳定性验算

场地地下水水位较高，结构设计时应考虑抗浮稳定性问题，按最不利情况进行抗浮稳定验算[14]。根据本场地地下潜水水位、天津地区经验及工程性质，抗浮设计水位可按大沽高程2.50 m考虑。在进行抗浮稳定性验算时，各荷载分项系数均取1.0。在不考虑侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.05；当计及侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.10～1.15。

抗浮稳定系数计算公式[9]为

Kw=γ∑Gk/KNw,f,

(5)

式中：Kw为抗浮稳定安全系数；Gk为U型结构和附属设施自重及压重之和；Nw，f为地下水压对U型结构的浮力；γ为荷载分项系数，取1.0；K为浮力折减系数，取1.05。

经验算，不同墙高段抗浮稳定系数均大于1.05，满足设计要求，故无需采用增加压重和设置抗拔桩(锚)等措施[15]。

5 基坑围护及地下水控制

由于场地地下水位较高，在水平、垂直水平方向具有明显差异，U型结构埋深较大，明挖基坑工程开挖过程中在水压力作用下易产生潜蚀、突水及管涌现象，设计时必须采取支护及止水、降水措施。

5.1 基坑围护

围护结构采用C30钢筋混凝土钻孔桩。基坑开挖可能造成坑底土体回弹隆起，会导致土体的强度降低，严重时造成周围土体的流失，危及基坑及附近构筑物的安全，导致基坑失稳等工程事故。故在冠梁处设置带活络接头的圆钢管支撑。

5.2 地下水控制

场地基坑开挖深度及影响范围内分布有粉土、粉砂，基坑开挖时，若不采取降水措施，土在水头差的作用下，易产生流砂或涌泥现象，且邻近有沟渠和道路，故采用基坑内管井降水结合截水措施，管井设置为沿线路按每10～20 m一个，位于结构中心位置。场地基坑开挖范围内有厚层潜水含水层的粉土和粉砂层，含水量大，故在基坑开挖前，预先沿基坑埋设滤水井，抽水使地下水降至坑底下一定深度，同时在基坑开挖和地下主体结构施工过程中仍不断抽水。该降水方法排水量大、效果好且所用的设备简单[16]。

线路沿线两侧分布的河流和大型鱼塘，对基坑的开挖和支护有很大影响，因此设计及施工中应考虑其对地铁基坑开挖及支护的影响，应做好截水措施，防止鱼塘及河流水对基坑降水的补给而导致地表变形破坏。采用的截水方案是在围护桩外侧设双排水泥土搅拌桩(桩长6～16 m，桩径均为0.6 m)作为止水帷幕。当需要严格控制邻近道路或建筑物的附加沉降时，必须加强地下水控制方案，可采用水帷幕+搅拌桩封底措施，这样在基坑内降水的同时，可保证基坑外的地下水位不变。