等厚水泥土地下连续钢墙结构设计及受力特性研究

李吉勇李耀良罗云峰张哲彬

1. 上海市基础工程集团有限公司 上海 200433；2. 上海市地下工程施工泥浆专业技术服务平台 上海 200433

随着城市地上空间日益稀缺，地下空间的开发快速发展，基坑朝更深、更大方向发展已成必然趋势。在闹市区，深基坑受到周围建筑、道路交通、地下管线等环境的影响也越来越复杂。目前，国内的基坑常规支护工艺受施工场地和施工速度等因素的限制，与城市交通及周边环境的冲突日趋严重。

为此，研发了一种占地小、施工快速方便的围护体系——水泥土地下连续钢墙，满足了目前地下空间的发展需求。相对于传统地下连续墙，水泥土地下连续钢墙采用水泥浆替代混凝土，同时采用预制型钢作为劲性骨架，较原地下连续墙中的钢筋施工，占地小、安装方便、工期短、对周边环境影响小，造价相对较低，将大大改善传统地下连续墙工法在城市工程建设中的用地和环境影响问题，也为城市复杂区域的基坑开挖工程提供一种新的支护方案。

在地下环境影响方面，地下连续墙集挡土及止水功能为一体，是目前深基坑主要的围护形式。为保证基坑的各项稳定性，作为板式支护体系，地下连续墙的插入比通常控制在0.9～1.2。

目前，基坑开挖深度越来越深，30～60 m及60 m以上的超深基坑也逐步增多。按照常规插入比设置，地下连续墙围护深度将达60～120 m，而坑底以下围护通常仅仅是考虑开挖阶段地下止水及基坑稳定性要求，所受内力较小，通常为构造配筋（图1）。而当基坑内部结构施工完成后，坑底以下的钢筋混凝土地下连续墙围护由于结构强度大、止水性能高，将大大影响地下水系环境，同时也将成为后续地下空间开发的障碍物。

图1 地下连续墙围护剖面示意

水泥土地下连续钢墙作为一种复合体材料围护，在竖向断面可进行适应性地分段加劲设计，在开挖段及坑底附近围护内力较大区域采用等厚水泥土墙内插锁扣型钢，对坑底以下内力较小区域及隔水需求段仅设置等厚水泥土墙（图2）。

图2 等厚水泥土连续钢墙围护剖面示意

型钢按需设置大大减小了用钢量。等厚水泥土作为一种水泥系加固体，其强度及耐久性远小于地下连续墙，在基坑施工周期完成后，加筋体以下水泥土墙不会成为后续地下空间开发的障碍，同时对地下水系环境影响小。

在施工条件方面，地下连续墙施工由于需要考虑钢筋笼吊装，对现场净空（通常H＞20 m）和吊机平面尺寸都有较大的要求，大质量吊装会带来施工风险的增加。目前，常规地下连续墙在复杂环境条件下的适用性越来越受到限制。

水泥土地下连续钢墙劲性骨架可采用标准的锁扣型钢，型钢节段质量轻，且可根据现场高度按需定制标准节段长度，最小节段长度可为4 m，满足低净空条件下施工要求，标准化节段安装速度快、安全性高。

在经济性方面，水泥土连续钢墙所使用的水泥较常规地下连续墙中混凝土的造价低，劲性材料标准锁扣型钢截面用钢量与常规地下连续墙基本相同，但插入的锁扣型钢可竖向按需设置，围护结构施工完成后，结合现场条件，型钢还可拔除循环利用。总体造价较常规地下连续墙大幅降低。

作为一种新的围护工艺，国内目前关于水泥土地下连续钢墙的研究，无论在理论设计方面还是现场施工方面都尚属空白。

国内外、各地区的地质条件及基坑周边环境的复杂性差异较大，如何合理精确地计算出水泥土地下连续钢墙围护施工过程中的位移和内力，以此拟定合理的围护尺寸、型钢规格及连接方法，并精确评价工程对周边环境的影响，是需要解决的首要问题。

1 等厚水泥土地下连续钢墙设计及节点构造

1.1设计构造

常规型钢水泥土搅拌墙（SMW工法）往往受水泥土间的抗剪薄弱截面限制，基坑开挖深度通常控制在12 m以内。为保证大深度的基坑开挖及受力要求，等厚水泥土地下连续钢墙采用了等厚度截面，此结构形式的有效止水面积大，内插锁扣型钢，保证了劲性材料的平面连续性，避免了SMW工法水泥土间薄弱面的影响，增大了该工艺围护的基坑开挖深度。针对大深度基坑，等厚水泥土地下连续墙厚度可设置为900～1 200 mm，内插对应高度的锁扣型钢。

结合地下工程基坑尺寸，地下水泥土连续钢墙的平面布置形式主要为一字形，标准开挖槽段长为2.8 m，标准围护平面如图3所示。

图3 等厚水泥土钢墙标准一字形围护

1.2水泥土地下连续钢墙锁扣连接节点设计

为保证水泥土地下连续钢墙劲性材料的连续性，锁扣连接设计是关键。锁扣连接设计需充分考虑围护锁扣止水、型钢插入、型钢索力连接约束等因素。通常连续型钢接头由C形锁扣和T形接头构成。咬合接头的标准配置是沿着锁扣型钢的构件轴向间断布置。

锁扣约束越强，自由度越小，锁扣止水效果越好，连接效果也更好，但现场施工就越困难。反之，锁扣止水效果和连接强度就较弱。为此，综合比选分析日本NS-BOX相关工程案例设计，以900 mm×700 mm×16 mm×28 mm的H型钢为基础，设计采用开口圆插入T形雌雄锁扣连接的形式。雌口为外径130 mm、内径106 mm、壁厚12 mm的C形锁扣，雄头为高76 mm、厚28 mm的T形插头，如图4所示。

图4 型钢与型钢间的锁扣形式

1.3水泥土地下连续钢墙竖向连接节点设计

水泥土地下连续钢墙作为围护结构，随着基坑开挖工况不同，其竖向受力是不断变化的。为确保围护的强度和安全，对于型钢对接连接，按等强连接设计。以900 mm×700 mm×16 mm×28 mm锁扣连续H型钢竖向连接为例，对其竖向连接进行设计验算。H型钢等强连接时，翼板拉应力以截面抗弯承载控制，腹板以截面主要承担剪力进行节点螺栓设计。

通过等强连接设计验算，900 mm×700 mm×16 mm×28 mm锁扣H型钢竖向连接时，翼板连接螺栓采用（4×5）×2×2个M30-8.8级高强螺栓，腹板连接螺栓采用（3×6）×2个M30-8.8级高强螺栓，如图5所示。

图5 锁扣型钢竖向高强螺栓连接设计

2 等厚水泥土地下连续钢墙承载特性分析研究

等厚水泥土地下连续钢墙由锁扣型钢劲性骨架和水泥土共同组成，围护体主要承受受弯荷载。对两种材料的荷载承担比采用理论和数值分析。

根据材料力学知识，材料的抗弯刚度K与其截面的惯性矩I成正比，即K＝EI＝EsIs＋EcIc，其中E为弹性模量，下标中的s代表型钢、c代表水泥。

本次进行截面特性分析采用的是900 mm×700 mm×16 mm×28 mm的H型钢，其截面特性为：高h＝900 mm，宽b＝700 mm，翼缘厚t＝28 mm，腹板厚tw＝16 mm，截面积A＝527.040 cm2，x方向惯性矩Ix=825 594.0 cm4，Iy＝160 095.4 cm4。

对于水泥土，选取其900 mm×700 mm矩形截面，忽略其中型钢截面所占区域的影响，则其惯性矩为4 252 500 cm4。经计算，2种材料的抗弯刚度比为160。

在进行数值分析时，采用与上述同样的截面材料。以上海机场联络线浦东机场三期配套工程浦东机场站为例，对其标准段基坑围护断面采用三维“m”法[2]建立实体单元进行分析，选取单幅槽段宽度，锁扣型钢插入48 m，竖向设置5道支撑，基坑开挖深度20 m。

在组合荷载作用下，由水泥土连续锁扣型钢应力云图可知，墙体主要支撑骨架为连续锁扣型钢，锁扣型钢在荷载作用下的最大应力为81 MPa。土体受力最大位置为型钢翼板锁扣连接区域的中间薄弱位置，该处水泥土错动剪应力为0.3 MPa。型钢和水泥土的位移和内力沿深度方向的变化如图6、图7所示。

图6 锁扣型钢与水泥土位移对比

图7 锁扣型钢与水泥土弯矩对比

综合上述理论分析与数值分析结果，等厚水泥土地下连续钢墙作为锁扣型钢劲性骨架与水泥土的组合截面，变形协调较好，其抗弯刚度是传统水泥土地下连续墙的160倍。结合结构荷载作用下的变形协调理论，水泥土地下连续钢墙承担的荷载作用也是传统水泥土地下连续墙的160倍。

因此，从刚度分配理论分析，等厚水泥土地下连续钢墙的主要受力构件是内插劲性骨架，从设计安全性考虑，建议可只考虑锁扣型钢的作用，将水泥土视为不承受荷载而只考虑其止水作用。连续锁扣型钢两端翼缘端部间的型钢和水泥土交界面处剪应力较明显，为最弱剪切面[3]。

3 水泥土地下连续钢墙锁扣刚度特性分析研究

通过上述分析可知，水泥土地下连续钢墙主要承受荷载的结构为内插的锁扣型钢。对于连续锁扣型钢，其锁扣连接是薄弱环节，如何合理地考虑和计算型钢连续锁扣间的受力与约束作用，既是关键也是难点。

连续锁扣型钢锁扣连接约束主要是由于两种型材锁扣之间的接触摩擦，接触连接刚度的大小对锁扣型钢间的传力及荷载分配影响很大。合理的锁扣约束及刚度模拟对型钢结构受力影响很大。为此，通过有限元模拟考虑锁扣之间摩擦的影响，确定合理的锁扣间摩擦刚度取值。

3.1锁扣刚度模拟分析

采用Midas有限元分析软件，模拟锁扣连续型钢在同一荷载作用下，不同锁扣间的摩擦刚度对连续钢墙内力变化的影响。

结合C-T锁扣连接现场限位状态，采用“三点两向约束”的弹性连接模拟连接摩擦效应（图8），取弹簧刚度为10 000、50 000、100 000 kN/m，以及释放板单元约束的铰接等4种情况。考虑在板的一侧施加均布荷载模拟土压力，本次按200 kPa考虑。通过锁扣连接摩擦的不同刚度模拟计算分析（图9），得出锁扣连接50 000 kN/m刚度约束下的钢墙应力、位移分别为68.1 MPa和9.4 mm。

图8 锁扣连接三点两向摩擦弹簧刚度连接示意

图9 不同摩擦刚度下的强度及位移

由不同弹簧刚度下锁扣型钢细部应力及位移变化可知，随着刚度的增大，锁扣连接处的应力和变形数值逐渐减小，变化量越来越小。当二者完全处于刚性连接时，锁扣间的连接会共同作用，二者位移量相同。以50 000 kN/m刚度模拟锁扣连接约束的偏差较小，因此以该刚度模拟锁扣连接作用较为合理。

3.2锁扣连接极限压力荷载确定

在合理的锁扣连接刚度约束作用下，分级逐步加载以模拟确定锁扣约束的极限承载压力。锁扣型钢间的弹簧刚度系数取50 000 kN/m，分级加载100、200、300 kPa压力进行试算，得出对应的锁扣型钢应力、位移变化（图10）。

图10 不同荷载作用下强度及位移

通过多级加载计算可知，随着荷载的增大，截面应力及变形同样增大，当压力荷载达300 kPa时，应力增量出现了离散的特点。为控制锁扣连接效应，建议连续钢墙围护压力控制在300 kPa，对应基坑开挖深度在25 m左右。

4 工程案例验算

上海机场联络线浦东机场三期配套工程浦东机场站的标准段基坑设计深度23.088 m，基坑安全等级为一级。本工程原围护竖向共6道支撑，第1、第5道为混凝土支撑，第2～4道为φ800 mm钢支撑。地下连续墙厚1 m，地下连续墙配筋段长48 m，素混凝土段长17 m，总长65 m。受机场连廊净空影响，拟将影响区域地下连续墙围护调整为水泥土地下连续钢墙。

结合浦东机场站基坑开挖深度及目前铣削深层搅拌技术（cutter soil mixing，CSM）施工等厚度地下连续墙的常规厚度及型钢结构尺寸，采用厚1 200 mm水泥土墙内插900 mm×700 mm×16 mm×28 mm锁扣H型钢形式，型钢长度48 m（4节×12 m）。内支撑竖向和水平布置方式不变。土层参数如表1所示。

表1 土层参数

相继采用极限平衡法对支护结构在基坑开挖过程中的受力变形进行计算，计算结果如图11、图12所示。

图11 厚1 m地下连续墙围护内力变形包络图

图12 厚1 200 mm等厚水泥土内插H900型钢围护内力变形包络图

通过2种围护基坑剖面计算可知，在抗弯刚度上，H900 mm×700 mm× 16 mm×28 mm连续钢墙是厚1 m地下连续墙抗弯刚度的0.76倍，在相同插入比设计下，两者的整体稳定和抗倾覆性相同，最大变形也相差不多，连续锁扣型钢为42.8 mm，地下连续墙围护为39.3 mm，相差2.5 mm。

采用型钢结构材料的最大强度应力为114 MPa＜205 MPa，围护强度有一定的安全储备及变形延展性，说明等厚水泥土连续钢墙围护具有理论可实施性。

5 结语

本文结合地下空间发展，对新型的水泥土地下连续钢墙设计及理论分析进行了研究，主要内容如下：

1）从施工条件、地下环境影响、经济造价等方面，系统分析了水泥土地下连续钢墙的适用性及应用需求。

2）综合考虑现场施工、止水连接及受力特性，探讨了连续钢墙锁扣型钢的锁扣连接及竖向对接连接等关键节点的尺寸设计。

3）采用三维“m”法实体组合材料建模分析，实现了水泥土地下连续钢墙精确的整体变形受力状态分析。针对型钢锁扣连接，首次采用“三点两向约束”的弹性连接支座进行模拟，并进行合理的刚度模拟，实现了连续锁扣型钢局部受力及变形特性的精确分析。

4）本文主要以劲性骨架主要承载状态体系对水泥土地下连续钢墙进行受力分析。当基坑深度较大，锁扣变形较大而引起水泥土错动时，将会影响围护体系的止水效果。后续将进一步针对水泥土地下连续钢墙在水泥土大变形下的止水性能进行分析。