上海地铁北中路站基坑围护设计研究

2020-07-04丰阳东

现代城市轨道交通 2020年6期

丰阳东

摘要：以上海地铁 18 号线北中路站车站主体围护结构设计为工程背景，利用通用结构分析软件选取合适计算方法，对地下连续墙结构在基坑开挖、回筑、正常使用阶段的内力、变形进行计算分析;通过对车站基坑第三方监测数据的整理分析，验证基坑围护设计准确、可靠;钢支撑自动伺服系统的运用对于地下连续墙侧向位移的控制可行有效。

关键词：地铁车站;基坑围护;伺服支撑;设计研究

中圖分类号：U231+.4

1 工程概况

上海地铁18号线一期工程北中路站位于北中路与莲安东路之间的莲溪路上，沿莲溪路南北向布置，为地下二层岛式站台车站，车站主体规模205m×19.6m（内净）。车站标准段为双层单柱双跨箱型钢筋混凝土结构，站中心覆土厚约3.5m，标准段底板埋深约17.74m，端头井底板埋深18.93～19.8m（图 1）。

车站地基土在65m深度范围内主要由饱和黏性土、粉土和粉砂组成，一般具有成层分布特点：①1填土、①2浜填土、②1粉质黏土、③淤泥质粉质黏土、③t砂质粉土、④淤泥质黏土、⑤11黏土、⑤1t砂质粉土与粉质黏土互层、⑤31粉质黏土、⑤4粉质黏土、⑦2粉细砂、⑧1粉质黏土。车站主体结构底板位于⑤11层黏土层中。

地下水潜水水位埋深0.5m，⑤1t层砂质粉土与粉质黏土互层为微承压水层，顶面埋深20m，微承压水水位埋深为3.37～5.49 m;⑦2粉细砂层为承压水层，顶面埋深39 m，承压水水位埋深为6.42～6.65 m。

车站施工场地狭窄，附近建筑物密集，地下管线复杂，且场地内分布有暗浜。车站西侧第十七税务所办公楼（5层框架结构、条形基础）距离主体基坑约12.4m，莲中四村5～10号楼（6层砖混结构、条形基础）距离主体基坑约11m，莲溪一村23～25号（7层砖混结构、复合桩基）、莲溪一村19～21号（7层砖混结构、复合桩基）距离主体基坑约15.3m，房屋建造年代为1994 年—1995年，目前房屋老化较严重，已经产生一定程度的不均匀沉降，房屋向北倾斜较为明显。

本站主体基坑深度>12 m，且1倍坑深范围内存在重要建筑物，主体基坑安全等级为一级，环境保护等级为一级。因此，车站主体基坑围护结构采用0.8m 厚地下连续墙+内支撑设计，地下连续墙与内衬墙形成叠合墙，作为正常使用阶段的侧墙。西侧附属基坑采用0.6m厚地下连续墙+内支撑，东侧附属基坑采用800mm@

1000mm钻孔灌注桩+850mm@600mm三轴搅拌桩止水帷幕+内支撑。车站主体和附属结构均采用明挖顺做法施工。

2 车站主体基坑围护设计

2.1 车站主体基坑围护设计方案

北中路站主体基坑标准段深17.74m，端头井段基坑深18.93～

19.8m。根据上海市DG/TJ 08-61-2018《基坑工程技术标准》要求，地下连续墙的插入深度及稳定性计算应满足基坑安全等级一级的要求，地下连续墙最大水平位移应≤0.14%H（H为基坑开挖深度），同时地下连续墙底部应进入隔水层以隔断坑内外潜水及承压水的水力联系。具体设计如下。

（1）经计算分析，车站主体基坑标准段地下连续墙插入深度为15.26m，插入比为0.86，地下连续墙墙趾位于第⑤31b粉质黏土层中，以隔断⑤1t微承压含水层。

（2）沿车站主体基坑深度方向设置5道支撑，第 1 道采用800mm×900 mm钢筋混凝土支撑，第4道钢支撑采用800 mm（t = 16mm），其余采用609mm（t = 16mm）钢管支撑，其中第4道钢支撑在回筑阶段采用留撑后拆。钢筋混凝土支撑水平向间距8 m，钢支撑间距约3 m。考虑车站周边建筑物保护要求极高，主体基坑钢支撑全部采用自动伺服支撑系统。车站主体基坑标准段围护结构断面如图2所示。

（3）地下连续墙接缝采用锁口管接头，并在每条接缝处基坑外侧设置3根800 mm高压旋喷桩，桩长为基底以上1 m至基底以下8.5～9.5 m，以加强墙缝位置在⑤1t层范围的止水效果。

（4）车站基坑底面下的⑤11、⑤1t层软黏性土具有较明显的触变及流变特性，在动力作用下土体强度极易降低。为提高坑底土体抗力，控制地下连续墙的侧向位移，车站主体基坑端头井段底部采取裙边+抽条地基加固，裙边宽3 m，抽条宽3 m，抽条间隔4.5 m;标准段采取抽条加固，抽条宽3 m，抽条间隔3 m。基坑端头井段及标准段加固深度为基底以下3 m，基底加固采用800 mm@600 mm高压旋喷桩，水泥掺量不小于25%，水灰比1.0，加固土体28天无侧限抗压强度qu≥1.0 MPa。

（5）场地浅部③t层为砂质粉土，渗透性较大，可能产生流砂、漏水等不良地质现象。在地下连续墙成槽阶段，槽壁易坍塌，会进一步引发地面沉降，对周边建筑物的沉降控制极为不利。为此在③t层厚度大于3 m的地层范围，地下连续墙槽段两侧采用650mm@450mm

三轴搅拌桩（桩长9m）进行槽壁加固。

（6）基坑开挖前，对于场地浅层的潜水采用疏干井进行疏干性预降水。⑤1t层微承压水含水层抗突涌稳定性不满足规范要求，考虑地下连续墙墙趾进入相对隔水层⑤3-1b粉质黏土层中，隔断基坑内外⑤1t微承压水层水力联系。在施工过程中，采用疏干井对潜水及⑤1t微承压水含水层进行联合疏干降水。⑦2层承压水层抗突涌稳定性满足规范要求，无需处理。

2.2 地下连续墙结构计算

对于地铁车站标准段地下连续墙的计算，一般情况下可沿车站纵向取单位长度按竖向弹性地基的基床系数法计算，地层和内支撑对墙体的约束作用以一系列弹簧支座模拟，基坑外侧土压力按朗肯主动土压力计算，分布模式为矩形，被动侧基床系数计算方法采用“m”法。各层土黏聚力c，摩擦角值采用直剪固快指标，天然地基土水平基床系数Kh和垂直向基床系数Kv取值采用上海市STB-DZ-010005《地下连续墙围护结构设计指导意见》的建议值。

目前常用的地下连续墙内力、变形计算方法主要有总和法和增量法2类。总和法可直接求得当前施工阶段完成后地下连续墙的实际内力及位移;增量法所求得的围护结构位移和内力是相对于前一个施工工况完成后的增量，当墙体刚度不发生变化时，与前一个施工工况完成后墙体已产生的位移和内力叠加，可得到当前施工工况完成后体系的实际位移及内力。在内力叠加过程中墙体刚度发生变化，则应按相应的墙体刚度区别叠加。

常用基坑计算软件对于围护墙内力、位移的计算多采用总和法，运用于设计方案初期，具备结果可靠、调整操作简便的优点。对于叠合墙体系，对比上述2种计算方法在开挖阶段的计算结果，地下连续墙的内力和弯矩非常接近，故开挖阶段采用同济启明星深基坑支挡结构设计计算软件进行计算。在回筑阶段，内衬墙和地下连续墙形成叠合墙体系，墙身刚度相对于开挖阶段单地下连续墙已发生较大变化，若仍采用总和法进行计算，围护墙体系内力结果不准确，因此采用增量法对回筑阶段地下连续墙内力进行复核检算。本文以车站主体基坑标准段地下连续墙为例，对比分析基坑开挖、回筑和正常使用阶段地下连续墙内力及变形计算结果。

2.2.1 开挖阶段地下连续墙结构计算

开挖阶段采用同济启明星深基坑支挡结构设计计算软件，根据上海市DG/TJ 08-61-2010《基坑工程设计规程》有关规定进行车站基坑标准段围护结构断面计算，计算简图如图3所示。软件模拟基坑开挖施工全过程，在计算中计入围护结构的先期位移值及支撑变形。车站主体基坑标准段800 mm厚地下连续墙结构内力计算结果如图4所示，分析如下。

（1）车站主体基坑标准段800 mm厚地下连续墙侧向位移23.3 mm<0.14%H（H为基坑深度），满足基坑环境保护等级一级的要求。

（2）车站主体基坑标准段800mm厚地下连续墙基坑侧最大弯矩为999.6kN · m，迎土侧最大弯矩为704.6kN · m，最大剪力为503.9kN。根据此内力计算结果，对车站主体基坑标准段进行配筋设计，800mm厚地下连续墙基坑侧最大配筋量为8210mm2（28mm@

75mm），迎土侧最大配筋量为5741mm2（28mm@

150mm、25mm@300mm），配筋满足结构受力要求。

2.2.2 回筑阶段地下连续墙结构计算

鉴于同济启明星深基坑支挡结构设计计算软件在回筑工况中无法考虑回筑内衬墙与地下连续墙形成的叠合墙体系的刚度，故回筑阶段叠合墙的内力计算采用SAP2000有限元程序建立荷载-结构模型，模型如图5所示。按回筑阶段的實际施工及受荷状态计算内部结构各工况的内力和变形。将开挖工况弯矩与底板浇筑后的回筑施工工况弯矩逐步叠加，得到车站主体结构回筑阶段叠合墙弯矩包络图，如图6所示。

由图6可见，对于回筑阶段车站主体800mm厚地下连续墙与400mm厚内衬墙组成的1200mm厚叠合墙体系，其墙底板、中板、顶板处迎土侧最大弯矩分别为1547kN· m、 948kN· m、 1306kN· m，底板以下800mm厚地下连续墙迎土侧最大弯矩为602kN· m。此阶段车站中板、顶板位置迎土侧弯矩最大值为叠合墙迎土侧配筋计算控制值，对于厚度1200mm叠合墙最大配筋量为11103mm2（22mm@150mm、28mm@

150mm），对于800mm地下连续墙迎土侧最大配筋量为5741mm2（28mm@150mm、25mm@300mm），满足结构受力要求。

2.2.3 正常使用阶段地下连续墙结构计算

地下连续墙和车站主体结构内衬墙形成叠合墙，使用阶段地下连续墙与车站主体内衬墙一起作为使用阶段的侧墙。车站主体结构计算模型为支承在弹性地基上的平面框架结构，按平面变形问题考虑，沿结构纵向取1m单位宽度，箱底下土抗力用土弹簧模拟（GAP单元只受压力不受拉力弹簧），地下连续墙位于底板以下部分设置水平向土弹簧边界。

图7给出了车站主体结构横断面弯矩、剪力包络图，由图7可见，车站主体结构底板、中板、顶板处叠合墙迎土侧最大弯矩分别为2400kN· m、240kN· m、 650kN· m，最大剪力分别为1063kN、407kN、463kN。此阶段与回筑阶段相同，车站中板、顶板位置迎土侧弯矩最大值为叠合墙迎土侧配筋计算控制值，对于厚度

1200mm叠合墙最大配筋量为11103mm2（22mm@

150mm、28mm@150mm），对于800mm地下连续墙迎土侧最大配筋量为5741mm2（28mm@150mm、25mm@300mm），满足结构受力要求。

3 基坑围护监测

根据沪轨指（2014）2号《上海轨道交通测量、监测管理办法》有关要求，本站监测等级为一级，车站主体基坑围护测点平面布置如图8所示，包括围护顶部位移、侧向位移、立柱垂直位移，支撑轴力、坑外潜水位。

（1）本文选取车站主体基坑标准段地下连续墙侧向位移监测点数据，绘制地下连续墙侧向位移曲线如图 9 所示。由图可见，地下连续墙侧向位移实测最大值为26.99mm<0.14%H，满足环境保护等级一级的保护要求，略大于理论设计计算值26.6mm;随基坑开挖深度增加，地下连续墙最大侧向位移逐步下移，待基坑开挖到基底时，地下连续墙侧向位移最大实测值出现在距地面16m处，底板浇筑完成后，地下连续墙侧向位移趋于稳定，监测数值趋于收敛。

（2）车站主体基坑全部钢支撑均采用自动伺服系统，为此，本文选取标准段基坑开挖到底且底板完成时各道支撑出现的最大轴力值，并与车站主体基坑标准段断面计算中各道支撑轴力计算包络值进行比较，如表 1 所示。由表1可见，钢支撑实测轴力均大于设计计算值，表明基坑开挖过程中钢支撑自动伺服系统轴力补偿效果明显，对控制地下连续墙侧向位移具有显著效果。

4 结论及建议

（1）通过对上海地铁北中路站车站主体围护结构设计方案研究可知，常规基坑计算软件对于基坑开挖阶段的围护内力和变形计算较为准确，但无法准确模拟回筑工况下结构侧墙刚度发生的变化，因此引入有限元软件，利用荷载增量法计算原理，对基坑开挖和回筑过程进行模拟计算，为地下连续墙配筋计算和叠合墙设计提供补充，保证基坑结构安全，节省工程造价。

（2）传统钢支撑安装后，基坑围护结构可能因钢支撑本身应力消散或温差应变而变形。钢支撑轴力自动伺服系统可以弥补钢支撑由于自身应力消散、温度应变等引起的变形，更好地控制围护墙变形，还能及时准确地反馈各道支撑轴力数据，指导施工，对于围护结构自身变形起到很好的主动控制作用。

（3）基坑计算基础理论成熟、计算方法可靠，但在实际施工过程中受诸多因素的影响，因此，工程设计人员在工程设计中应综合考虑这些因素的影响，保证设计方案安全、经济、可靠。

参考文献

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