地铁围护结构地墙加长与土层扰动的关系

朱益龙 闫小杰 徐乃芳

(1.宁波市轨道交通集团有限公司，浙江 宁波 315000； 2.中国电建集团华东院勘测设计研究院有限公司，浙江 宁波 315000)

1 工程简介

连续墙支护一般采用钢丝绳和液压抓斗成槽设备，也有用多头钻和切削轮式成槽设备的。槽段采用膨润土泥浆护壁灌注水下混凝土使其形成混凝土挡土墙结构。为加强支护能力一般采用钢横撑和锚杆拉紧连续墙共同受力的方式。连续墙不仅能承受较大的荷载同时具有隔水的作用。

以地下3层站车站为例，主体结构形式为双柱三跨钢筋混凝土框架结构，结构外皮宽22.1 m，车站覆土埋深约为3.0 m。车站主体挖深约25.69 m，车站底板主要落于④2b黏土层。采用明挖顺作法施工，各层土质参数详见表1。

表1 土层物理力学指标设计参数

设计荷载：

结构自重：钢筋混凝土重度：γ=25 kN/m3；

水平压力：水平压力施工阶段对于黏性土地层采用水土合算，对于砂性土地层采用水土分算；使用阶段均按水土分算。基坑周边的地面超载按30 kPa计。

以最不利端头井的设计数据和施工数据为例。

2 土体各项参数折减0.9计算模型

端头井围护型式为1 000 mm厚地下连续墙，采用明挖顺作法施工，其中第一道和第五道采用钢筋混凝土支撑，支撑之间的间距为9 m；第二道和第四道钢支撑以及换撑采用φ609壁厚16 mm钢支撑，钢支撑之间的间距为3 m,第三、六、七道钢支撑采用φ800壁厚16 mm钢支撑，支撑间距为3 m，使用启明星计算软件模拟基坑受力情况，建立计算模型(如图1所示)。

图中土体的各项参数，如粘聚力、内摩擦角等相对应于表1中的数据进行折减0.9计算。

2.1 坑底抗隆起计算

坑底抗隆起计算模型如图2所示。

下滑力：7 988.5 kN/m；

抗滑力：15 475.7 kN/m；

每延米墙体抗滑力：0.0 kN/m；

安全系数：2.19，要求安全系数：2.2。

2.2 墙底抗隆起计算

墙底抗隆起计算模型如图3所示。

坑内侧向外25.7 m范围内总荷载：26 921.3 kN/m。

验算断面处土体内聚力：29.5 kPa；内摩擦角：13.4°。

安全系数：2.48，要求安全系数：2.5。

2.3 整体稳定性计算

整体稳定计算模型如图4所示。

滑弧：圆心(8.12 m,-0.00 m)，半径：55.75 m，起点(-47.63 m,0.00 m)，终点(57.60 m,25.69 m)，拱高比0.785；

下滑力：12 473.51 kN/m；

土体(若有则包括搅拌桩和坑底加固土)抗滑力：17 202.74 kN/m；

土钉/锚杆抗滑力：0.00 kN/m；

桩墙的抗滑力：0.00 kN/m；

安全系数：1.34。

3 土体各项参数折减0.9(地墙加长2 m)

3.1 坑底抗隆起计算

坑底抗隆起计算模型如图2所示。

下滑力：8 481.5 kN/m；

抗滑力：16 643.0 kN/m；

每延米墙体抗滑力：0.0 kN/m；

安全系数：2.22，要求安全系数：2.2。

3.2 墙底抗隆起计算

墙底抗隆起计算模型如图3所示。

坑内侧向外25.7 m范围内总荷载：27 897.5 kN/m；

验算断面处土体内聚力：29.5 kPa；内摩擦角：13.4°；

安全系数：2.53，要求安全系数：2.5。

3.3 整体稳定计算

整体稳定计算模型如图4所示。

滑弧：圆心(6.88 m,-0.00 m)，半径：57.54 m，起点(-50.67 m,0.00 m)，终点(58.37 m,25.69 m)，拱高比0.792；

下滑力：13 030.63 kN/m；

土体(若有则包括搅拌桩和坑底加固土)抗滑力：18 380.49 kN/m；

土钉/锚杆抗滑力：0.00 kN/m；

桩墙的抗滑力：0.00 kN/m；

安全系数：1.36。

4 土体各项参数折减0.85计算

4.1 坑底抗隆起计算

坑底抗隆起计算模型如图2所示。

下滑力：7 988.5 kN/m；

抗滑力：14 663.8 kN/m；

每延米墙体抗滑力：0.0 kN/m；

安全系数：2.04，要求安全系数：2.2。

4.2 墙底抗隆起计算

墙底抗隆起计算模型如图3所示。

坑内侧向外25.7 m范围内总荷载：26 921.3 kN/m；

验算断面处土体内聚力：27.9 kPa；内摩擦角：12.7°；

安全系数：2.34，要求安全系数：2.5；

起点(-47.60 m,0.00 m)，终点(57.65 m,25.69 m)，拱高比0.785。

4.3 整体稳定性计算

整体稳定计算模型如图4所示。

滑弧：圆心(8.16 m,-0.00 m)，半径：55.76 m；

下滑力：12 472.89 kN/m；

土体(若有则包括搅拌桩和坑底加固土)抗滑力：16 212.65 kN/m；

土钉/锚杆抗滑力：0.00 kN/m；

桩墙的抗滑力：0.00 kN/m；

安全系数：1.3。

5 土体各项参数折减0.85(地墙加长2 m)计算模型

5.1 坑底抗隆起计算

坑底抗隆起计算模型如图2所示。

下滑力：8 481.5 kN/m；

抗滑力：15 790.0 kN/m；

每延米墙体抗滑力：0.0 kN/m；

安全系数：2.18，要求安全系数：2.2。

5.2 墙底抗隆起计算

墙底抗隆起计算模型如图3所示。

坑内侧向外25.7 m范围内总荷载：27 897.5 kN/m；

验算断面处土体内聚力：27.9 kPa；内摩擦角：12.7°；

安全系数：2.39，要求安全系数：2.5。

5.3 整体稳定性计算

整体稳定计算模型如图4所示。

滑弧：圆心(6.91 m,-0.00 m)，半径：57.55 m，起点(-50.64 m,0.00 m)，终点(58.40 m,25.69 m)，拱高比0.792；

下滑力：13 029.58 kN/m；

土体(若有则包括搅拌桩和坑底加固土)抗滑力：17 337.53 kN/m；

土钉/锚杆抗滑力：0.00 kN/m；

桩墙的抗滑力：0.00 kN/m；

安全系数：1.32。

6 设计标准

1)基坑安全等级为一级，车站基坑变形控制保护等级为一级，重要性系数1.1。

2)围护结构设计内力和变形计算，可沿区间纵向取单位长度按弹性地基梁计算，坑内开挖面以下地层对墙体的约束采用一系列弹簧支座模拟。

3)地面最大沉降量不大于0.1%H(H为基坑开挖深度)，围护墙最大水平位移不大于0.14%H，坑底抗隆起Ks≥2.2，墙底抗隆起系数不小于2.5。

对上述各个工况的计算结果进行汇总，同时和规范所规定的标准进行对比，详见表2。

表2 计算结果统计

7 结语

实际工程中对于扰动土并没有明确的计算方法，本文采用对土体参数进行适当的折减的方法，来模拟实际工程中已经扰动的土体，并通过加强围护结构抵抗土体的扰动，通过同济启明星的计算结果和原工程数据的比较得出以下结论：1)扰动土体对工程有很大的影响，通过加长地墙，一定程度上可以加强基坑的稳定性和安全性，但在实际工程中需要考虑工程造价和实际施工的难度，并不能无限制的加长地墙长度；2)在计算的过程中没有考虑到“窄坑效应”，需要通过实验进一步的确定土体的特征，来确定最优的地墙插入比。