不良地质深基坑围护结构设计优化思路

　摘　要:结合上海轨道交通杨浦线曲阳路车站的施工,介绍车站主体围护结构的优化方案。

关键词:轨道交通;深基坑;围护结构;方案优化

1 概述
上海市轨道交通杨浦线(ｍ8线)曲阳路车站位于大连西路和曲阳路交口,为地下二层侧式站台的存车加渡线车站,周围建筑林立,地下管线密布。工程地质主要为砂性土和粉性土(表1),地质条件较差,地下水十分丰富,第⑦层砂质粉土～粉砂层中分布有承压水,承压水的水头高度为地表下3.4ｍ。

　 初步设计车站主体围护结构采用0.8ｍ厚地下连续墙,标准段墙深29ｍ,入土于第⑤1层灰色砂质粉土;端头井墙深31ｍ,入土于第⑥层暗绿～草黄～灰绿色粉质粘土,局部进入第⑦1层砂质粉土层。标准段净宽26.9ｍ,基坑开挖深度约15.7ｍ,渡线段净宽13.6～20ｍ,开挖深度约17.67ｍ。
2 优化思路
2.1优化理由
(1)由于上海市轨道交通车辆已由ａ型车(大车)改为ｃ型车(小车),车体变窄,车站建筑布局因此进行了压缩调整,3跨结构段结构净跨由27.3ｍ调整为25.9ｍ,分布更为合理,结构受力条件改善,地下连续墙厚度可以减薄。
(2)由于技术标准的调整,钢筋混凝土结构裂缝宽度限制由原标准的0.2ｍｍ改为0.3ｍｍ,地下连续墙厚度可以减薄。
(3)根据上海地区基坑工程经验,基坑底抗隆起系数可适当调低,连续墙深度可适当减小。
(4)原设计端头井连续墙深31ｍ,穿透承压水地层,施工风险较大,故应将地下连续墙深度适当提高。为减少施工风险,提高施工效率,降低工程造价,对围护结构设计进行优化。
2.2 优化内容
车站主体围护结构主要优化内容见表2。
将原设计0.8ｍ厚地下连续墙+0.4ｍ厚内衬改为0.6ｍ厚地下连续墙+0.4ｍ厚内衬;端头井连续墙深度调整为28.5ｍ,标准段连续墙深度调整为27ｍ。

3围护结构计算
3.1基坑保护等级
车站周边除大连西路北侧2座12层建筑距车站主体距离10～14ｍ,其他建筑距车站主体结构基坑距离均大于20ｍ;车站周边地下管线改移后,距主体结构距离较远。车站主体结构基坑深度为15.7ｍ左右。根据《上海地铁基坑工程施工规程》(ｓｚ-08-2000),基坑保护等级为二级。
3.2 计算模型与原则
地下墙围护结构一般为无围囹支撑体系,地下墙内力计算沿车站结构纵向取单位长度按弹性地基梁计算。计算充分考虑基坑开挖过程中土层、地下墙、支护体系的“时空效应”,合理制定施工参数,按基坑开挖、回筑内部结构的施工过程和完成后的使用阶段进行内力计算。
围护结构开挖阶段计算时必须计入结构的先期位移值以及支撑的变形,按“先变形,后支撑”的原则进行结构分析,并计算内部结构回筑阶段各工况的内力组合(图1)。

3.3 围护结构设计参数(表3)
根据表3中土层物理力学参数,施工阶段②3-1,②3-2,⑦1层采用水土分算,其他土层采用水土合算,使用阶段全部土层采用水土分算。考虑上海地区土体流变性,模拟基坑开挖过程计算参数采用主动土压力系数ｋａ乘以经验系数φ(φ≈0.7),被动区水平基床系数ｋｈ乘以经验系数β(β≈0.4)。

3.4 地下连续墙入土深度的确定
地下墙的入土深度考虑车站所处环境条件、地质条件、围护结构的抗滑移、抗倾覆、基底抗隆起及整体稳定性等因素,满足《地基基础设计规范》(ｄｇｊ08-11-1999)有关规定,并结合上海地区软土深基坑的施工经验确定。为避免⑦层承压水对地下墙施工质量影响,地下墙的墙趾插入第⑥层,中间段墙深为27ｍ,入土比0.745;端头井墙深为28.5ｍ,入土比约为0.676。根据车站围护结构所处土层的力学指标,按规范进行各项验算,结果见表4。

邮电公寓12层住宅楼距车站基坑10ｍ,基础为27ｍ长预制桩,考虑摩擦力及端承力沿桩身分布情况,在基坑深度范围内附加荷载按60ｋｐａ计算;玉田新村2座12层住宅楼距车站基坑约14ｍ左右,基础为4ｍ深地下室箱型基础,考虑基底应力扩散,计算得在基坑深度范围内附加荷载为60ｋｐａ(距基坑边尚有7 4ｍ)。对此,3座12层住宅楼保护段地下墙深取28ｍ,抗隆起安全系数为1.64,满足抗隆起稳定性要求。
3.5　施工参数制定
为确保基坑工程安全,基坑施工充分考虑土层、支护墙、支撑体系三者的“时空效应”,严格按《上海地铁基坑工程施工规程》(ｓｚ-08-2000)进行施工。基坑开挖分段施工(<25ｍ),每段开挖中又分层分小段进行,每小段长度控制在6ｍ,以减少连续墙开挖后无支撑的暴露时间,并施加支撑预应力控制连续墙变形。第一层钢支撑在基坑开挖前抽槽埋设,以下各层每小段从开挖到支撑架设并施加预应力时间控制在24ｈ,最下层从开挖到浇筑混凝土垫层在24ｈ内完成。
施工中应重视降水措施,以降水为地基加固的重要手段,水位应降至坑底以下3ｍ。本站下卧层中分布有承压水,承压水水头在地面下3.4ｍ,抗承压水安全系数为0.99,不满足要求,故施工中应对承压水采取降水措施,经计算施工重需将承压水水头降至地面下5.5ｍ。
3.6计算结果
以车站标准段为例,围护结构开挖阶段变形包络图、弯矩包络图如图2所示。

3.7结构抗浮
车站施工阶段采用降水措施,使用阶段按最不利荷载组合计算,覆土加结构自重,考虑连续墙侧壁摩阻力,经验算本站抗浮安全系数为1.12,结构满足抗浮要求。施工阶段结构回筑时,为防止结构上浮,在底板中设置临时泻水孔。
3.8 结构计算图示与结果
结构计算模型为支承在弹性地基上对称的平面框架结构,箱底下用土弹簧模拟土体抗力。车站内部结构考虑水平及竖向荷载。
按荷载情况、施工方法,模拟开挖、回筑和使用阶段不同的受力状况,按最不利内力进行计算,车站以标准段为例,得弯矩图及轴力图如图3所示。

　计算结果表明拟定的结构尺寸满足强度和刚度要求,裂缝控制结构的设计参数,地震和人防不控制结构设计。
4 结论与效果
采用600ｍｍ厚地下连续墙+400ｍｍ厚内衬墙,调整深度后,能满足施工阶段及使用阶段结构强度、刚度及稳定性要求。在严格按施工规范、规程操作的前提下,同样能满足防水及耐久性要求。
该车站优化设计方案已于2003年7月通过了上海市建委科学技术委员会的方案评审。具体效果如下。
(1)初步设计采用0.8ｍ厚地下连续墙+0.6ｍ厚内衬墙,连续墙钢筋混凝土数量共计16911.9ｍ3。优化设计后,地下连续墙钢筋混凝土数量减少为12463.4ｍ3,减少混凝土4448.5ｍ3,占原设计数量的260.3%,降低工程造价670万元。
(2)端头井地下连续墙深度提高2.5ｍ,避免穿透承压水土层,降低了发生涌水、涌砂的风险,保证了施工安全。
(3)墙体减薄,工程量减少也为提高工效,加快工程进度创造了条件,具有极大的社会效益和经济效益。

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