地下连续墙刚度对地铁车站结构的影响

刘 攀

（中铁十八局集团有限公司， 天津 300000）

1 引言

随着环境条件复杂的深大基坑工程越来越多， 地下连续墙支护形式被广泛应用， 同时地下连续墙还能与主体结构相结合。 在基坑开挖期间， 地连墙有挡土止水作用； 在基坑使用时期，地连墙作为侧墙可与内衬墙形成复合式结构， 它们之间仅能传递法向压力， 不能传递弯矩和剪力。

针对地下连续墙在深基坑工程中的应用问题， 众多学者通过不同手段开展了一系列的研究。 沈磊等［1］以长峰商场超大深基坑工程为研究对象， 通过有限元软件建立三维模型， 并与现场监测结果对比， 总结了逆作法施工基坑中地表变形和地连墙变形。 孙峰等［2］基于某采用地下连续墙支护结构的深基坑工程， 结合主体结构沉降和现场静载试验， 研究了地连墙极限承载力理论。 基于采用地下连续墙+钢支撑联合支护的望京站基坑工程， 孙长军等［3］通过现场监测获得了基坑变形及周边地表沉降规律。 研究表明， 在基坑开挖范围内基坑施工对周边环境影响显著。邸国恩等［4］以浦江耀华站为研究对象， 针对临近建筑地下室与地铁车站整体施工问题， 提出了地下连续墙作为支护结构的设计方法。 金志仁等［5］以马氏距离判别分析理论为基础， 从可行性、 经济性、 安全性三个方面， 研究了不同影响因素下基坑施工方案的效果。 陈有亮等［6］以某地铁车站端头井采用地连墙支护结构工程为例，通过PLAXIS 3D 有限元软件建立两种不同墙体模型， 对比分析了地连墙采用实体单元和壳单元两种模型， 并对监测结果进行对比。 其他一些学者也通过数值模拟、 现场监测等手段对采用地连墙支护结构的深基坑工程进行了研究。

在实际设计时， 应考虑在试用期内围护结构的材料劣化影响， 需将地下连续墙刚度进行一定程度的折减后与内衬墙共同承载。 但是上述研究对地下连续墙刚度的折减程度并无统一， 导致对材料利用率的差异。 因此， 本文通过有限元软件对实际工程进行建模， 对考虑不同刚度时地下连续墙与车站结构协同受力情况进行分析， 从而对地铁车站主体结构进行优化。

2 工程概况

某车站主体结构为12m 岛式站台双柱三跨地下两层矩形框架结构， 车站中心里程顶板覆土厚度0.96m， 起点里程顶板覆土厚度1.26m， 终点里程顶板覆土厚度0.59m。 车站采用明挖法施工，采用地下连续墙加内支撑的支护型式， 墙厚0.8 m，标准段基坑竖向设三道支撑+一道倒撑。 第一道为钢筋混凝土支撑， 主撑截面800mm×1000mm，第二～三道及倒撑为直径800mm、 壁厚16mm 的钢管支撑。

3 计算分析

本文利用有限元软件建立了车站及地下连续墙的二维有限元模型。 采用荷载－结构模型， 考虑连续墙与主体结构共同受力， 结构为弹性地基上的平面框架。 水压力作用在结构上， 土压力作用在地连墙上。 分别采用水平弹簧和竖向弹簧模拟坑底地层对结构的水平位移和底板垂直位移的约束作用， 结构底部竖向弹簧仅能承受压力； 连续墙结构外侧部分水平弹簧只能承受压力， 入土部分则为拉压弹簧。

因连续墙与主体结构之间设置防水层， 连续墙与内衬墙的相互作用采用水平刚性连杆模拟，该连杆只能传递压力， 不能传递拉力、 剪力和弯矩［7］。

为分析考虑不同刚度地下连续墙对主体结构侧墙的影响， 按800mm 厚地下连续墙分别按不考虑地下连续墙作用、 刚度10%、 刚度20%、 刚度30%、 刚度40%、 刚度50%、 刚度60%、 刚度70%、 刚度80%、 刚度90%、 刚度100%等11种情况。 分析侧墙顶板支座、 侧墙负一层跨中、侧墙中板支座、 侧墙负二层跨中、 侧墙底板支座等几个控制界面的弯矩变化情况。

为分析地下连续墙的不同刚度情况， 本次引入地下连续墙的刚度系数概念， 地下连续墙的抗弯刚度见式（1）。

式中：E为混凝土的弹性模量， kN/m2；b为地下连续墙沿竖向的划分单元长度， 取1m；h为地下连续墙厚度， m； β 为地下连续墙的刚度系数。

本次计算分别采取0.1、 0， 2、 0， 3、 0.4、0.5、 0.6、 0.7、 0.8、 0.9、 1 模拟地下连续墙刚度10%、 刚度20%、 刚度30%、 刚度40%、 刚度50%、 刚度60%、 刚度70%、 刚度80%、 刚度90%、 刚度100%等十种情况。

考虑地下墙时计算的弯矩形态如图1 所示。

图1 考虑地下墙时计算的弯矩形态

为全面对比地下连续墙刚度的影响， 本文考虑地下连续墙刚度为0 时即不考虑地下连续墙的作用时的情况， 此时侧向土压力直接作用在结构侧墙上， 不考虑地下墙时计算的弯矩形态如图2所示。

图2 不考虑地下墙时计算的弯矩形态

4 结果分析

由于不同车站的结构参数、 土层参数各不相同， 本次以考虑地下连续墙100%刚度时结构构件的弯矩为基准， 取其他刚度模型的结构构件弯矩的变化率。 以考虑地下连续墙100%刚度时的变形为基准， 取其他刚度模型的结构变形的变化率。

4.1 考虑地下连续墙不同刚度系数对结构应力的影响

4.1.1 对侧墙结构应力的影响

考虑地下连续墙不同刚度系数对侧墙结构的影响如图3 所示。

图3 考虑地下连续墙不同刚度系数对侧墙结构的影响

从图3 中可以看出：

（1） 地下连续墙刚度变化对侧墙顶板支座位置弯矩影响： 从考虑地下连续墙100%刚度到不考虑地下连续墙侧墙的顶板支座位置的弯矩增加了40%。

（2） 地下连续墙刚度变化对侧墙负一层跨中位置弯矩影响： 从考虑地下连续墙100%刚度到不考虑地下连续墙侧墙负一层跨中的弯矩增加了38%。

（3） 地下连续墙刚度变化对侧墙中板支座位置弯矩影响： 从考虑地下连续墙100%刚度到不考虑地下连续墙侧墙的中板支座位置的弯矩增加了100%。

（4） 地下连续墙刚度变化对侧墙负二层跨中位置弯矩影响： 从考虑地下连续墙100%刚度到不考虑地下连续墙负二层跨中的弯矩增加了140%。

（5） 地下连续墙刚度变化对侧墙底板支座位置弯矩影响： 从考虑地下连续墙100%刚度到不考虑地下连续墙底板支座的弯矩增加了18%。

4.1.2 对顶板结构应力的影响

考虑地下连续墙不同刚度系数对顶板结构应力的影响如图4 所示。

图4 考虑地下连续墙不同刚度系数对顶板结构的影响

从图4 中可以看出：

（1） 地下连续墙刚度变化对顶板支座弯矩影响： 从考虑地下连续墙100%刚度到不考虑地下连续墙顶板支座的弯矩增加了25%。

（2） 地下连续墙刚度变化对顶板跨中弯矩影响： 从考虑地下连续墙100%刚度到不考虑地下连续墙顶板跨中的弯矩增加了0.88%。

4.1.3 对底板结构的影响

考虑地下连续墙不同刚度系数对底板结构的影响如图5 所示。

图5 考虑地下连续墙不同刚度系数对底板结构应力的影响

从图5 中可以看出：

（1） 地下连续墙刚度变化对底板支座弯矩影响： 从考虑地下连续墙100%刚度到不考虑地下连续墙底板支座的弯矩增加了15%。

（2） 地下连续墙刚度变化对底板跨中弯矩影响： 从考虑地下连续墙100%刚度到不考虑地下连续墙底板跨中的弯矩减少了24%。

4.2 考虑地下连续墙不同刚度系数对侧墙结构和地下连续墙变形的影响

考虑地下连续墙不同刚度系数对侧墙结构和地下连续变形的影响如图6 所示。

图6 考虑地下连续墙不同刚度系数对结构变形的影响

从图6 中可以看出：

（1） 地下连续墙刚度变化对侧墙变形影响：从考虑地下连续墙100%刚度到不考虑地下连续墙侧墙负二层跨中的变形增加了119.1%， 变形随地下连续墙的刚度减小而增加明显。

（2） 地下连续墙刚度变化对地下连续墙变形影响： 从考虑地下连续墙100%刚度到10%刚度地下连续墙的变形增加了111.7%。

4.3 考虑地下连续墙不同刚度系数对结构配筋的影响

4.3.1 对侧墙结构配筋的影响

考虑地下连续墙不同刚度系数对侧墙结构配筋的影响如图7 所示。

图7 考虑地下连续墙不同刚度系数对侧墙结构配筋的影响

从图7 中可以看出：

（1） 地下连续墙刚度变化对侧墙负二层跨中配筋的影响： 从考虑地下连续墙100%刚度到不考虑地下连续墙侧墙的负二层跨中的配筋增加了198.5%， 配筋率随地下连续墙的刚度减小而增加明显。

（2） 地下连续墙刚度变化对侧墙顶板支座底板支座位置的影响： 从考虑地下连续墙100%刚度到不考虑地下连续墙时侧墙底板支座的弯矩增加了20.6%， 侧墙顶板支座的弯矩增加了42.3%。4.3.2 对顶底板结构配筋的影响

考虑地下连续墙不同刚度系数对顶底板结构配筋的影响如图8 所示。

图8 考虑地下连续墙不同刚度系数对顶底板结构配筋的影响

从图8 中可以看出：

（1） 地下连续墙刚度变化对顶板配筋影响：从考虑地下连续墙100%刚度到不考虑地下连续墙顶板支座的配筋增加了26%， 顶板跨中的配筋几乎不变， 顶板支座配筋率随地下连续墙的刚度减小而增加明显。

（2） 地下连续墙刚度变化对底板配筋影响：从考虑地下连续墙100%刚度到不考虑地下连续墙底板支座的配筋增加了17%， 底板跨中的配筋减少了17%。

5 结论

利用有限元软件计算分析地下连续墙考虑不同刚度时与车站结构协同受力情况， 主要获得以下主要结论：

（1） 主体结构侧墙背土侧跨中弯矩随考虑地下连续墙刚度的减小而有较大幅度增加， 中板支座处弯矩增大幅度次之， 顶底板支座处弯矩增大幅度较小。

（2） 当地下连续墙考虑刚度在50%以上时，侧墙结构的弯矩变化较小， 当地下连续墙考虑刚度越小时对于侧墙结构弯矩的增大幅度越明显。

（3） 主体结构侧墙变形随地下连续墙的刚度减小而增加明显， 地下连续墙变形随地下连续墙刚度变化基本呈线性变化。

（4） 主体顶底板结构受地下连续墙刚度的影响较小， 其中顶板支座弯矩、 底板支座弯矩随考虑地下连续墙刚度的减小有小幅度增大， 底板跨中弯矩随地下连续墙刚度的减小而有小幅度减小， 顶板跨中弯矩受地下连续墙刚度的影响可忽略不计。

（5） 地下连续墙考虑不同刚度对于侧墙背土侧配筋优化作用最为明显， 对于侧墙临土侧配筋、 顶底板配筋的优化作用较小。

在实际的工程中， 由于各车站的工程地质、水文地质条件的不同， 需要对地下连续墙的折减情况进行进一步的研究， 以有效提高材料利用率， 节约社会资源。