上海地鐵北中路站基坑圍護設計研究

豐陽東

摘 要：以上海地鐵 18 號線北中路站車站主體圍護結(jié)構設計為工程背景，利用通用結(jié)構分析軟件選取合適計算方法，對地下連續(xù)墻結(jié)構在基坑開挖、回筑、正常使用階段的內(nèi)力、變形進行計算分析;通過對車站基坑第三方監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理分析，驗證基坑圍護設計準確、可靠;鋼支撐自動伺服系統(tǒng)的運用對于地下連續(xù)墻側(cè)向位移的控制可行有效。

關鍵詞：地鐵車站;基坑圍護;伺服支撐;設計研究

中圖分類號：U231+.4

1 工程概況

上海地鐵18號線一期工程北中路站位于北中路與蓮安東路之間的蓮溪路上，沿蓮溪路南北向布置，為地下二層島式站臺車站，車站主體規(guī)模205m×19.6m（內(nèi)凈）。車站標準段為雙層單柱雙跨箱型鋼筋混凝土結(jié)構，站中心覆土厚約3.5m，標準段底板埋深約17.74m，端頭井底板埋深18.93～19.8m（圖 1）。

車站地基土在65m深度范圍內(nèi)主要由飽和黏性土、粉土和粉砂組成，一般具有成層分布特點：①1填土、①2浜填土、②1粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③t砂質(zhì)粉土、④淤泥質(zhì)黏土、⑤11黏土、⑤1t砂質(zhì)粉土與粉質(zhì)黏土互層、⑤31粉質(zhì)黏土、⑤4粉質(zhì)黏土、⑦2粉細砂、⑧1粉質(zhì)黏土。車站主體結(jié)構底板位于⑤11層黏土層中。

地下水潛水水位埋深0.5m，⑤1t層砂質(zhì)粉土與粉質(zhì)黏土互層為微承壓水層，頂面埋深20m，微承壓水水位埋深為3.37～5.49 m;⑦2粉細砂層為承壓水層，頂面埋深39 m，承壓水水位埋深為6.42～6.65 m。

車站施工場地狹窄，附近建筑物密集，地下管線復雜，且場地內(nèi)分布有暗浜。車站西側(cè)第十七稅務所辦公樓（5層框架結(jié)構、條形基礎）距離主體基坑約12.4m，蓮中四村5～10號樓（6層磚混結(jié)構、條形基礎）距離主體基坑約11m，蓮溪一村23～25號（7層磚混結(jié)構、復合樁基）、蓮溪一村19～21號（7層磚混結(jié)構、復合樁基）距離主體基坑約15.3m，房屋建造年代為1994 年—1995年，目前房屋老化較嚴重，已經(jīng)產(chǎn)生一定程度的不均勻沉降，房屋向北傾斜較為明顯。

本站主體基坑深度>12 m，且1倍坑深范圍內(nèi)存在重要建筑物，主體基坑安全等級為一級，環(huán)境保護等級為一級。因此，車站主體基坑圍護結(jié)構采用0.8m 厚地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐設計，地下連續(xù)墻與內(nèi)襯墻形成疊合墻，作為正常使用階段的側(cè)墻。西側(cè)附屬基坑采用0.6m厚地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐，東側(cè)附屬基坑采用800mm@

1000mm鉆孔灌注樁+850mm@600mm三軸攪拌樁止水帷幕+內(nèi)支撐。車站主體和附屬結(jié)構均采用明挖順做法施工。

2 車站主體基坑圍護設計

2.1 車站主體基坑圍護設計方案

北中路站主體基坑標準段深17.74m，端頭井段基坑深18.93～

19.8m。根據(jù)上海市DG/TJ 08-61-2018《基坑工程技術標準》要求，地下連續(xù)墻的插入深度及穩(wěn)定性計算應滿足基坑安全等級一級的要求，地下連續(xù)墻最大水平位移應≤0.14%H（H為基坑開挖深度），同時地下連續(xù)墻底部應進入隔水層以隔斷坑內(nèi)外潛水及承壓水的水力聯(lián)系。具體設計如下。

（1）經(jīng)計算分析，車站主體基坑標準段地下連續(xù)墻插入深度為15.26m，插入比為0.86，地下連續(xù)墻墻趾位于第⑤31b粉質(zhì)黏土層中，以隔斷⑤1t微承壓含水層。

（2）沿車站主體基坑深度方向設置5道支撐，第 1 道采用800mm×900 mm鋼筋混凝土支撐，第4道鋼支撐采用800 mm（t = 16mm），其余采用609mm（t = 16mm）鋼管支撐，其中第4道鋼支撐在回筑階段采用留撐后拆。鋼筋混凝土支撐水平向間距8 m，鋼支撐間距約3 m?？紤]車站周邊建筑物保護要求極高，主體基坑鋼支撐全部采用自動伺服支撐系統(tǒng)。車站主體基坑標準段圍護結(jié)構斷面如圖2所示。

（3）地下連續(xù)墻接縫采用鎖口管接頭，并在每條接縫處基坑外側(cè)設置3根800 mm高壓旋噴樁，樁長為基底以上1 m至基底以下8.5～9.5 m，以加強墻縫位置在⑤1t層范圍的止水效果。

（4）車站基坑底面下的⑤11、⑤1t層軟黏性土具有較明顯的觸變及流變特性，在動力作用下土體強度極易降低。為提高坑底土體抗力，控制地下連續(xù)墻的側(cè)向位移，車站主體基坑端頭井段底部采取裙邊+抽條地基加固，裙邊寬3 m，抽條寬3 m，抽條間隔4.5 m;標準段采取抽條加固，抽條寬3 m，抽條間隔3 m。基坑端頭井段及標準段加固深度為基底以下3 m，基底加固采用800 mm@600 mm高壓旋噴樁，水泥摻量不小于25%，水灰比1.0，加固土體28天無側(cè)限抗壓強度qu≥1.0 MPa。

（5）場地淺部③t層為砂質(zhì)粉土，滲透性較大，可能產(chǎn)生流砂、漏水等不良地質(zhì)現(xiàn)象。在地下連續(xù)墻成槽階段，槽壁易坍塌，會進一步引發(fā)地面沉降，對周邊建筑物的沉降控制極為不利。為此在③t層厚度大于3 m的地層范圍，地下連續(xù)墻槽段兩側(cè)采用650mm@450mm

三軸攪拌樁（樁長9m）進行槽壁加固。

（6）基坑開挖前，對于場地淺層的潛水采用疏干井進行疏干性預降水。⑤1t層微承壓水含水層抗突涌穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求，考慮地下連續(xù)墻墻趾進入相對隔水層⑤3-1b粉質(zhì)黏土層中，隔斷基坑內(nèi)外⑤1t微承壓水層水力聯(lián)系。在施工過程中，采用疏干井對潛水及⑤1t微承壓水含水層進行聯(lián)合疏干降水。⑦2層承壓水層抗突涌穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，無需處理。

2.2 地下連續(xù)墻結(jié)構計算

對于地鐵車站標準段地下連續(xù)墻的計算，一般情況下可沿車站縱向取單位長度按豎向彈性地基的基床系數(shù)法計算，地層和內(nèi)支撐對墻體的約束作用以一系列彈簧支座模擬，基坑外側(cè)土壓力按朗肯主動土壓力計算，分布模式為矩形，被動側(cè)基床系數(shù)計算方法采用“m”法。各層土黏聚力c，摩擦角值采用直剪固快指標，天然地基土水平基床系數(shù)Kh和垂直向基床系數(shù)Kv取值采用上海市STB-DZ-010005《地下連續(xù)墻圍護結(jié)構設計指導意見》的建議值。

目前常用的地下連續(xù)墻內(nèi)力、變形計算方法主要有總和法和增量法2類。總和法可直接求得當前施工階段完成后地下連續(xù)墻的實際內(nèi)力及位移;增量法所求得的圍護結(jié)構位移和內(nèi)力是相對于前一個施工工況完成后的增量，當墻體剛度不發(fā)生變化時，與前一個施工工況完成后墻體已產(chǎn)生的位移和內(nèi)力疊加，可得到當前施工工況完成后體系的實際位移及內(nèi)力。在內(nèi)力疊加過程中墻體剛度發(fā)生變化，則應按相應的墻體剛度區(qū)別疊加。

常用基坑計算軟件對于圍護墻內(nèi)力、位移的計算多采用總和法，運用于設計方案初期，具備結(jié)果可靠、調(diào)整操作簡便的優(yōu)點。對于疊合墻體系，對比上述2種計算方法在開挖階段的計算結(jié)果，地下連續(xù)墻的內(nèi)力和彎矩非常接近，故開挖階段采用同濟啟明星深基坑支擋結(jié)構設計計算軟件進行計算。在回筑階段，內(nèi)襯墻和地下連續(xù)墻形成疊合墻體系，墻身剛度相對于開挖階段單地下連續(xù)墻已發(fā)生較大變化，若仍采用總和法進行計算，圍護墻體系內(nèi)力結(jié)果不準確，因此采用增量法對回筑階段地下連續(xù)墻內(nèi)力進行復核檢算。本文以車站主體基坑標準段地下連續(xù)墻為例，對比分析基坑開挖、回筑和正常使用階段地下連續(xù)墻內(nèi)力及變形計算結(jié)果。

2.2.1 開挖階段地下連續(xù)墻結(jié)構計算

開挖階段采用同濟啟明星深基坑支擋結(jié)構設計計算軟件，根據(jù)上海市DG/TJ 08-61-2010《基坑工程設計規(guī)程》有關規(guī)定進行車站基坑標準段圍護結(jié)構斷面計算，計算簡圖如圖3所示。軟件模擬基坑開挖施工全過程，在計算中計入圍護結(jié)構的先期位移值及支撐變形。車站主體基坑標準段800 mm厚地下連續(xù)墻結(jié)構內(nèi)力計算結(jié)果如圖4所示，分析如下。

（1）車站主體基坑標準段800 mm厚地下連續(xù)墻側(cè)向位移23.3 mm<0.14%H（H為基坑深度），滿足基坑環(huán)境保護等級一級的要求。

（2）車站主體基坑標準段800mm厚地下連續(xù)墻基坑側(cè)最大彎矩為999.6kN · m，迎土側(cè)最大彎矩為704.6kN · m，最大剪力為503.9kN。根據(jù)此內(nèi)力計算結(jié)果，對車站主體基坑標準段進行配筋設計，800mm厚地下連續(xù)墻基坑側(cè)最大配筋量為8210mm2（28mm@

75mm），迎土側(cè)最大配筋量為5741mm2（28mm@

150mm、25mm@300mm），配筋滿足結(jié)構受力要求。

2.2.2 回筑階段地下連續(xù)墻結(jié)構計算

鑒于同濟啟明星深基坑支擋結(jié)構設計計算軟件在回筑工況中無法考慮回筑內(nèi)襯墻與地下連續(xù)墻形成的疊合墻體系的剛度，故回筑階段疊合墻的內(nèi)力計算采用SAP2000有限元程序建立荷載-結(jié)構模型，模型如圖5所示。按回筑階段的實際施工及受荷狀態(tài)計算內(nèi)部結(jié)構各工況的內(nèi)力和變形。將開挖工況彎矩與底板澆筑后的回筑施工工況彎矩逐步疊加，得到車站主體結(jié)構回筑階段疊合墻彎矩包絡圖，如圖6所示。

由圖6可見，對于回筑階段車站主體800mm厚地下連續(xù)墻與400mm厚內(nèi)襯墻組成的1200mm厚疊合墻體系，其墻底板、中板、頂板處迎土側(cè)最大彎矩分別為1547kN· m、 948kN· m、 1306kN· m，底板以下800mm厚地下連續(xù)墻迎土側(cè)最大彎矩為602kN· m。此階段車站中板、頂板位置迎土側(cè)彎矩最大值為疊合墻迎土側(cè)配筋計算控制值，對于厚度1200mm疊合墻最大配筋量為11103mm2（22mm@150mm、28mm@

150mm），對于800mm地下連續(xù)墻迎土側(cè)最大配筋量為5741mm2（28mm@150mm、25mm@300mm），滿足結(jié)構受力要求。

2.2.3 正常使用階段地下連續(xù)墻結(jié)構計算

地下連續(xù)墻和車站主體結(jié)構內(nèi)襯墻形成疊合墻，使用階段地下連續(xù)墻與車站主體內(nèi)襯墻一起作為使用階段的側(cè)墻。車站主體結(jié)構計算模型為支承在彈性地基上的平面框架結(jié)構，按平面變形問題考慮，沿結(jié)構縱向取1m單位寬度，箱底下土抗力用土彈簧模擬（GAP單元只受壓力不受拉力彈簧），地下連續(xù)墻位于底板以下部分設置水平向土彈簧邊界。

圖7給出了車站主體結(jié)構橫斷面彎矩、剪力包絡圖，由圖7可見，車站主體結(jié)構底板、中板、頂板處疊合墻迎土側(cè)最大彎矩分別為2400kN· m、240kN· m、 650kN· m，最大剪力分別為1063kN、407kN、463kN。此階段與回筑階段相同，車站中板、頂板位置迎土側(cè)彎矩最大值為疊合墻迎土側(cè)配筋計算控制值，對于厚度

1200mm疊合墻最大配筋量為11103mm2（22mm@

150mm、28mm@150mm），對于800mm地下連續(xù)墻迎土側(cè)最大配筋量為5741mm2（28mm@150mm、25mm@300mm），滿足結(jié)構受力要求。

3 基坑圍護監(jiān)測

根據(jù)滬軌指（2014）2號《上海軌道交通測量、監(jiān)測管理辦法》有關要求，本站監(jiān)測等級為一級，車站主體基坑圍護測點平面布置如圖8所示，包括圍護頂部位移、側(cè)向位移、立柱垂直位移，支撐軸力、坑外潛水位。

（1）本文選取車站主體基坑標準段地下連續(xù)墻側(cè)向位移監(jiān)測點數(shù)據(jù)，繪制地下連續(xù)墻側(cè)向位移曲線如圖 9 所示。由圖可見，地下連續(xù)墻側(cè)向位移實測最大值為26.99mm<0.14%H，滿足環(huán)境保護等級一級的保護要求，略大于理論設計計算值26.6mm;隨基坑開挖深度增加，地下連續(xù)墻最大側(cè)向位移逐步下移，待基坑開挖到基底時，地下連續(xù)墻側(cè)向位移最大實測值出現(xiàn)在距地面16m處，底板澆筑完成后，地下連續(xù)墻側(cè)向位移趨于穩(wěn)定，監(jiān)測數(shù)值趨于收斂。

（2）車站主體基坑全部鋼支撐均采用自動伺服系統(tǒng)，為此，本文選取標準段基坑開挖到底且底板完成時各道支撐出現(xiàn)的最大軸力值，并與車站主體基坑標準段斷面計算中各道支撐軸力計算包絡值進行比較，如表 1 所示。由表1可見，鋼支撐實測軸力均大于設計計算值，表明基坑開挖過程中鋼支撐自動伺服系統(tǒng)軸力補償效果明顯，對控制地下連續(xù)墻側(cè)向位移具有顯著效果。

4 結(jié)論及建議

（1）通過對上海地鐵北中路站車站主體圍護結(jié)構設計方案研究可知，常規(guī)基坑計算軟件對于基坑開挖階段的圍護內(nèi)力和變形計算較為準確，但無法準確模擬回筑工況下結(jié)構側(cè)墻剛度發(fā)生的變化，因此引入有限元軟件，利用荷載增量法計算原理，對基坑開挖和回筑過程進行模擬計算，為地下連續(xù)墻配筋計算和疊合墻設計提供補充，保證基坑結(jié)構安全，節(jié)省工程造價。

（2）傳統(tǒng)鋼支撐安裝后，基坑圍護結(jié)構可能因鋼支撐本身應力消散或溫差應變而變形。鋼支撐軸力自動伺服系統(tǒng)可以彌補鋼支撐由于自身應力消散、溫度應變等引起的變形，更好地控制圍護墻變形，還能及時準確地反饋各道支撐軸力數(shù)據(jù)，指導施工，對于圍護結(jié)構自身變形起到很好的主動控制作用。

（3）基坑計算基礎理論成熟、計算方法可靠，但在實際施工過程中受諸多因素的影響，因此，工程設計人員在工程設計中應綜合考慮這些因素的影響，保證設計方案安全、經(jīng)濟、可靠。

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收稿日期 2020-02-14

責任編輯 朱開明