緊鄰立交橋的連續(xù)墻受力分析和安全性評價(jià)

陳江 陽軍生 陳思明 張學(xué)民 歐雪峰

摘要：以深圳地鐵車公廟交通樞紐7 & 9號(hào)線車站深基坑工程為研究背景，選取典型的監(jiān)測斷面，埋置混凝土應(yīng)變計(jì)，進(jìn)行地下連續(xù)墻的內(nèi)力測試，分析了連續(xù)墻在深基坑開挖過程中的內(nèi)力變化規(guī)律，并對連續(xù)墻的安全性進(jìn)行了評價(jià)，得到以下結(jié)論：隨著基坑開挖深度的增加，地下連續(xù)墻的內(nèi)力變化越發(fā)明顯，基坑負(fù)二層和負(fù)三層開挖對連續(xù)墻的內(nèi)力變化影響較大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注和監(jiān)測；根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)得到兩側(cè)地下連續(xù)墻的內(nèi)力變化并非完全一致，主要受到緊鄰基坑開挖和周邊建筑物的影響；最后計(jì)算得到地下連續(xù)墻處于安全狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：地下連續(xù)墻；現(xiàn)場測試；彎矩；安全系數(shù)

中圖分類號(hào)：TU28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-4764（2016）03-0012-06

Abstract：A typical measurement-section was selected， and concrete strain meters were embedded to make measurement for diaphragm walls on the construction of Station of Metro Line 7&9 of Chegongmiao Station of Shenzhen Metro. The internal force change of diaphragm walls was discussed， and the reliability of diaphragm walls was evaluated. Results showed that with the increasing of the excavation depth of foundation pits， the variation of stresses of diaphragm walls was observable. According to the strain data from field measurement， safety factors of diaphragm walls were calculated， which turned out to meet national code. Meanwhile， it can be concluded that diaphragm walls were in the safe status. In the end， the variation relationship of their internal force， which would provide some references for the design and construction of similar projects in the future， was obtained.

Keywords：diaphragm wall； field measurement； bending moments； safety factor

隨著中國城市地鐵的大規(guī)模建設(shè)，施工中常遇到一些問題，尤其是地鐵車站深基坑施工的安全性，受到了工程建設(shè)者和專家的廣泛關(guān)注。為了確保深基坑施工過程的安全，對地下連續(xù)墻在施工過程中的受力變化規(guī)律進(jìn)行研究十分必要。由于缺少對地下連續(xù)墻內(nèi)力的現(xiàn)場測試，對地下連續(xù)墻在施工過程中的受力變化規(guī)律進(jìn)行研究就比較困難，因此，對連續(xù)墻進(jìn)行內(nèi)力測試是直接和有效的手段。

對地下連續(xù)墻的研究，許多學(xué)者通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場水平位移監(jiān)測來進(jìn)行。Emilios等[1]研究了地下連續(xù)墻的成槽和澆筑過程中對周邊建筑物的影響，但對連續(xù)墻的內(nèi)力沒有研究；Anthony等[2]、Wyjadlowski等[3]對地下連續(xù)墻在基坑開挖過程中的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；在地下連續(xù)墻內(nèi)力的現(xiàn)場測試方面，石鈺鋒等[4]通過對連續(xù)墻進(jìn)行水平位移的實(shí)測，得到了偏壓基坑地下連續(xù)墻的水平位移變化規(guī)律，并對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià)；王樹英等[5]通過埋置混凝土應(yīng)變計(jì)得到結(jié)構(gòu)底板的內(nèi)力變化規(guī)律；Yasushi等[6]、Paolo等[7]、Chu等[8]、Nicoleta等[9]通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值分析對地下連續(xù)墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)；Luis等[10-11]通過數(shù)值分析研究了雙層地下連續(xù)墻受力變化規(guī)律；Tan等[12]對上海大型基坑開挖對連續(xù)墻和結(jié)構(gòu)板的水平位移和豎向位移以及周邊建筑物的沉降進(jìn)行了研究，為上海地區(qū)地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)和施工提出了一些建議。

大多數(shù)學(xué)者的研究都通過數(shù)值模擬的方法來分析基坑開挖過程中地下連續(xù)墻的內(nèi)力和位移的變化，對基坑開挖過程中地下連續(xù)墻的現(xiàn)場內(nèi)力測試方面研究較少。本文以深圳地鐵車公廟交通樞紐7 & 9號(hào)線地鐵車站基坑為研究背景，選擇典型的監(jiān)測斷面，埋置混凝土應(yīng)變計(jì)，進(jìn)行了地下連續(xù)墻內(nèi)力測試，獲得了地下連續(xù)墻的軸力和彎矩變化規(guī)律。

1 工程概況

車公廟樞紐站為既有地鐵1號(hào)線與新建7 & 9、11號(hào)線綜合換乘樞紐站，位于深圳市福田區(qū)深南大道與香蜜湖路交叉處西南角。7 & 9號(hào)線車站基坑緊鄰香蜜湖立交橋和換乘大廳基坑以及物業(yè)開發(fā)基坑，車站整體為地下3層三柱四跨結(jié)構(gòu)，車站全長315 m，監(jiān)測斷面所在的蓋挖逆作段基坑長246.54 m，基坑寬41.2 m，深約25.3～26.4 m；7 & 9號(hào)線車公廟站基坑均采用1 m厚地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)[13]（如圖1、圖2所示）。

地層情況主要為粉質(zhì)粘土，礫質(zhì)粘土，全風(fēng)化花崗巖，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（如圖3所示）。

2 地下連續(xù)墻內(nèi)力測試方案

根據(jù)車公廟站換乘樞紐總平面圖并結(jié)合施工現(xiàn)場情況，準(zhǔn)備在地下連續(xù)墻E6和W7各埋設(shè)7對智能混凝土應(yīng)變計(jì)；共計(jì)28個(gè)智能混凝土應(yīng)變計(jì)（如圖3、圖4所示）。在連續(xù)墻不同深度不同位置的主筋上埋置混凝土應(yīng)變計(jì)，固定在連續(xù)墻不同深度位置內(nèi)外側(cè)豎向主筋上，通過導(dǎo)線統(tǒng)一引到冠梁上部。

3 連續(xù)墻內(nèi)力測試的結(jié)果分析

3.1 地下連續(xù)墻E6的內(nèi)力測試結(jié)果分析

2014年1月17日，地下連續(xù)墻E6冠梁施工完成后，開始采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，從圖5和圖6可以看出：

1） 從頂板覆土開始開挖（2月27日），地下連續(xù)墻的應(yīng)變值發(fā)生明顯變化，從地下連續(xù)墻E6測點(diǎn)最大的拉應(yīng)變?yōu)?13 με，地下連續(xù)墻N21測點(diǎn)最大壓應(yīng)變?yōu)?392 με；2） 由于地下連續(xù)墻E6的許多混凝土應(yīng)變計(jì)已經(jīng)損壞，所以圖6和圖7的應(yīng)變曲線未呈現(xiàn)明顯的對稱性；3） 隨著基坑的開挖深度增加，大多數(shù)測點(diǎn)的應(yīng)變值變化明顯；工序8和工序9施工時(shí)，混凝土應(yīng)變計(jì)的測試數(shù)據(jù)變化幅度最大；4） 每道工序在埋置混凝土測試元件附近施工時(shí)，測點(diǎn)應(yīng)變值變化較大，各條曲線表現(xiàn)為波動(dòng)明顯，在遠(yuǎn)離埋置混凝土測試元件施工時(shí)，測點(diǎn)應(yīng)變值變化很小，各條曲線表現(xiàn)為平滑；5） d51、d52和d32測點(diǎn)應(yīng)變值變化較大，主要由于這幾個(gè)測點(diǎn)的混凝土應(yīng)變計(jì)埋深較淺，受開挖的擾動(dòng)的影響較大。施工完成后，混凝土應(yīng)變計(jì)的測試數(shù)據(jù)變化很小，最后趨于穩(wěn)定。

根據(jù)混凝土應(yīng)變計(jì)測得應(yīng)變值，計(jì)算地下連續(xù)墻E6的軸力和彎矩，如圖7和圖8所示。從圖7看出，在工序8（開挖車站基坑的負(fù)2層）之前，地下連續(xù)墻的軸力變化較小，但是，從工序7（施作車站第1層中板）開始，連續(xù)墻軸力變化逐漸增大，工序10（開挖車站基坑的負(fù)3層）完成后軸力值最大達(dá)到-7 585 kN，而從工序8到工序10，地下連續(xù)墻埋深15.5 m處，測點(diǎn)軸力從-1 395 kN變?yōu)? 585 kN，因此，工序8到工序10，對地下連續(xù)墻軸力的影響較大。

從圖8看出，在工序8之前，各工序之間地下連續(xù)墻的彎矩變化不大，但是，隨著開挖深度的增加，彎矩變化越來越大，工序9（施作車站第2層中板）之后，最大彎矩值出現(xiàn)在埋深15.5 m處，最大值為-2 099 kN·m。從圖8看出，工序9和工序10的彎矩曲線變化最大，說明工序8到工序10，對地下連續(xù)墻的彎矩影響較大，彎矩計(jì)算結(jié)果與軸力計(jì)算結(jié)果規(guī)律相類似。因?yàn)槭┕がF(xiàn)場情況復(fù)雜，一些混凝土應(yīng)變計(jì)遭到了破壞，所以軸力和彎矩曲線變短。

3.2 地下連續(xù)墻W7的內(nèi)力測試結(jié)果分析

2014年1月20日，地下連續(xù)墻W7開始采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，從圖9和圖10可以看出：

1）從頂板覆土開始開挖（2月20日），地下連續(xù)墻的應(yīng)變值發(fā)生明顯變化，地下連續(xù)墻W7測點(diǎn)最大拉應(yīng)變?yōu)?96 με，最大壓應(yīng)變?yōu)?436 με；2） 隨著基坑的開挖深度增加，大多數(shù)測點(diǎn)的應(yīng)變值呈增長趨勢，工序8和工序9施工時(shí)，混凝土應(yīng)變計(jì)的測試數(shù)據(jù)變化幅度最大；3） 每個(gè)工序在埋置混凝土測試元件附近施工時(shí)，測點(diǎn)應(yīng)變值變化較大，各條曲線表現(xiàn)為波動(dòng)明顯，在遠(yuǎn)離埋置混凝土測試元件施工時(shí)，測點(diǎn)應(yīng)變值變化很小，各條曲線表現(xiàn)為平滑；4） c41、c51、c52和c61測點(diǎn)應(yīng)變值變化較大，受開挖的擾動(dòng)的影響較大；5） c71和c72測點(diǎn)埋深最深，在基坑開挖面以下，所以測點(diǎn)應(yīng)變值受基坑開挖的影響較小。施工完成后，混凝土應(yīng)變計(jì)的測試數(shù)據(jù)變化很小，最后趨于穩(wěn)定。E6和W7兩幅地下連續(xù)墻的測試數(shù)據(jù)變化規(guī)律整體相似。

根據(jù)混凝土應(yīng)變計(jì)測得應(yīng)變數(shù)值，計(jì)算地下連續(xù)墻W7的軸力和彎矩，如圖11和圖12所示。從圖11看出，在工序7之前，地下連續(xù)墻的軸力變化較小，工序9后軸力最大，達(dá)到8 439 kN。從工序8到工序10，地下連續(xù)墻埋深15.5 m處，測點(diǎn)軸力從-230 kN變?yōu)? 439 kN，說明工序8到工序10對地下連續(xù)墻軸力的影響較大。西側(cè)連續(xù)墻W7總體變化規(guī)律與東側(cè)連續(xù)墻E6相似。

從圖12看出，在工序7之前，各工序之間地下連續(xù)墻的彎矩變化不大，但是，隨著開挖深度的增加，彎矩變化越來越大，工序8之后，最大彎矩值出現(xiàn)在工序8，最大值為-2 318 kN·m。從工序8完成到工序10，地下連續(xù)墻W7埋深15.5 m處，彎矩值從-359 kN·m變?yōu)?2 209 kN·m。由于地下連續(xù)墻W7是7&9號(hào)線車站基坑和換乘大廳基坑的共用連續(xù)墻，受換乘大廳的基坑開挖的影響較大。從圖12看出，工序8到工序10的彎矩曲線變化較大，說明工序8到工序10對地下連續(xù)墻的擾動(dòng)較大。地下連續(xù)墻W7彎矩計(jì)算結(jié)果與軸力計(jì)算結(jié)果的規(guī)律相類似。

4 地下連續(xù)墻E6和W7的安全性評價(jià)

為了分析基坑開挖對地下連續(xù)墻安全性的影響，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]和截面配筋，計(jì)算得到地下連續(xù)墻E6、W7的抗彎承載力，并結(jié)合實(shí)測內(nèi)力計(jì)算數(shù)據(jù)，計(jì)算得到測試斷面連續(xù)墻的安全系數(shù)。如圖13所示，地下連續(xù)墻的最小安全系數(shù)出現(xiàn)在連續(xù)墻E6，最小安全系數(shù)為2.6，地下連續(xù)墻E6主要受到鄰近香蜜湖立交橋的高路堤的擠壓影響，受到軸力和彎矩要比另一側(cè)地下連續(xù)墻W7的軸力和彎矩大。滿足規(guī)范《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[15]的最小安全系數(shù)2.2的要求，說明地下連續(xù)墻E6和W7處于安全狀態(tài)，地下連續(xù)墻是穩(wěn)定安全的。

5 結(jié) 論

以深圳地鐵車公廟交通樞紐7 & 9號(hào)線車站深基坑工程為背景，選取典型的監(jiān)測斷面，埋置混凝土應(yīng)變計(jì)，進(jìn)行深基坑的地下連續(xù)墻內(nèi)力測試，得到以下結(jié)論：

1）隨著基坑開挖深度的增加，地下連續(xù)墻的內(nèi)力變化越發(fā)明顯，表現(xiàn)為7 & 9號(hào)線車站基坑負(fù)3層土體開挖的軸力和彎矩值大于負(fù)2層土體開挖的軸力和彎矩值，負(fù)2層土體開挖的軸力和彎矩值明顯大于負(fù)1層土體開挖的軸力和彎矩值。工序8到工序10對地下連續(xù)墻的內(nèi)力變化影響較大，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注和監(jiān)測。

2）由于受到緊鄰基坑開挖和周邊建筑物的影響，7 & 9號(hào)線車站深基坑兩側(cè)的地下連續(xù)墻E6和W7的軸力和彎矩變化曲線并非完全一致。

3）根據(jù)實(shí)測應(yīng)變數(shù)據(jù)，計(jì)算得到連續(xù)墻的安全系數(shù)，地下連續(xù)墻W7的最小安全系數(shù)為2.95，地下連續(xù)墻E6的最小安全系數(shù)為2.6，說明地下連續(xù)墻處于安全狀態(tài)，地下連續(xù)墻E6和W7是穩(wěn)定安全的，但是地下連續(xù)墻E6最小安全系數(shù)較小，主要受到鄰近香蜜湖立交橋的高路堤的擠壓影響，所以，連續(xù)墻設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮周邊環(huán)境的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] EMILIOS M C，MELLO C P，GEORGIOS K K.Effects from diaphragm wall installation to surrounding soil and adjacent buildings [J]. Computers and Geotechnics， 2013， 53： 106-121.

[2] GOH-ANTHONY T C，XUAN F，ZHANG W G. Reliability assessment of diaphragm wall deflections in soft clays [J]. Foundation Engineering in the Face of Uncertainty， 2013， 487-496.

[3] WYJADLOWSKI M，PULA W，BAUER J. Reliability of diaphragm wall in serviceability limit states [J]. Archives of Civil and Mechanical Engineering， 2015，288：1-9.

[4] 石鈺鋒，陽軍生，白偉，等.緊鄰鐵路偏壓基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力測試分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30（4）：826-833.

SHI Y F，YANG J S，BAI W，et al.Analysis of field measurementing for deformation and internal force of unsymmetrical loaded foundation pits enclosure structure close to railway [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2011， 30（4）： 826-833. （in Chinese）

[5] 王樹英，陽軍生，唐鵬，等.八車道明挖湖底隧道結(jié)構(gòu)受力現(xiàn)場測試與安全性評價(jià)[J].土木工程學(xué)報(bào)，2014，47（11）：120-127.

WANG S Y，YANG J S，TANG P， et al. Field measurement of stresses and safety evaluation of eight-lane framed lake tunnel with the cut-and-cover method [J]. China Civil Engineering Journal， 2014， 47（11）： 120-127. （in Chinese）

[6] YASUSHI A，OSAMU K，OSAMU M， et al. A numerical study on ground displacement and stress during and after the installation of deep circular diaphragm walls and soil excavation [J]. Computers and Geotechnics， 2008， 35： 791-807.

[7] PAOLO F，F(xiàn)RANCESCO C. Seismic performance-based design of flexible earth-retaining diaphragm walls [J].Engineering Structures， 2014， 78： 57-68.

[8] CHU E H， SC D， HU S. Design optimization of underground metro station diaphragm walls using numerical modeling [C]//Geo-Congress 2014 Technical Papers，ASCE， 2014： 439-470.

[9] NICOLETA M I，F(xiàn)ARCAS V S，POP M.Design optimization of diaphragm walls [J]. Procedia Technology， 2015， 19： 357-362.

[10] LUIS S C，ANTONIO A， ALEJANDRO J. Bi-layer diaphragm walls： Experimental and numerical structural analysis [J]. Engineering Structures， 2013， 56： 154-164.

[11] LUIS S C， ALEJANDRO J， ANTONIO A. Bi-layer diaphragm walls： Parametric study of construction processes [J]. Engineering Structures， 2014， 59： 608-618.

[12] TAN Y， WEI B. Observed behaviors of a long and deep excavation constructed by cut-and-cover technique in Shanghai soft clay [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2012， 138： 69-88.

[13] 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司. 深圳地鐵車公廟綜合交通樞紐工程施工圖設(shè)計(jì)[R]. 成都：中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 2012.

China Railway Eryuan Survey and Design Group Co.， Ltd. Design blueprint of Chegongmiao comprehensive transportation hub project of Shenzhen metro [R]. Chengdu：China Railway Eryuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， 2012. （in Chinese）

[14] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)編寫組.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50010—2010 [S].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2010.

The National Standards Compilation Group of Peoples Republic of China. Code for design of concrete structures： GB50010—2010 [S]. Beijing： China Architecture and Building Press， 2010. （in Chinese）

[15] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程：JGJ 120—2012 [S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2012.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the Peoples Republic of China. Technical specification for retaining and protection of building foundation excavations： JGJ 120—2012 [S]. Beijing： China Architecture and Building Press， 2012. （in Chinese）

（編輯 王秀玲）