上海地鐵北中路站基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為工程背景，利用通用結(jié)構(gòu)分析軟件選取合適計(jì)算方法，對地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)在基坑開挖、回筑、正常使用階段的內(nèi)力、變形進(jìn)行計(jì)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(yàn)證基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確、可靠;鋼支撐自動伺服系統(tǒng)的運(yùn)用對于地下連續(xù)墻側(cè)向位移的控制可行有效。

關(guān)鍵詞：地鐵車站;基坑圍護(hù);伺服支撐;設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)段為雙層單柱雙跨箱型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，站中心覆土厚約3.5m，標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)：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(xì)砂、⑧1粉質(zhì)黏土。車站主體結(jié)構(gòu)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(xì)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(fù)雜，且場地內(nèi)分布有暗浜。車站西側(cè)第十七稅務(wù)所辦公樓（5層框架結(jié)構(gòu)、條形基礎(chǔ)）距離主體基坑約12.4m，蓮中四村5～10號樓（6層磚混結(jié)構(gòu)、條形基礎(chǔ)）距離主體基坑約11m，蓮溪一村23～25號（7層磚混結(jié)構(gòu)、復(fù)合樁基）、蓮溪一村19～21號（7層磚混結(jié)構(gòu)、復(fù)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(yán)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(hù)等級為一級。因此，車站主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用0.8m 厚地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐設(shè)計(jì)，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(gòu)均采用明挖順做法施工。

2 車站主體基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 車站主體基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案

北中路站主體基坑標(biāo)準(zhǔn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求，地下連續(xù)墻的插入深度及穩(wěn)定性計(jì)算應(yīng)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(yīng)≤0.14%H（H為基坑開挖深度），同時(shí)地下連續(xù)墻底部應(yīng)進(jìn)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(shè)計(jì)如下。

（1）經(jīng)計(jì)算分析，車站主體基坑標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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。考慮車站周邊建筑物保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(shè)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(qiáng)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行疏干性預(yù)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(jìn)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(jìn)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(gòu)計(jì)算

對于地鐵車站標(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻的計(jì)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(jì)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(jì)算，分布模式為矩形，被動側(cè)基床系數(shù)計(jì)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(biāo)，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(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見》的建議值。

目前常用的地下連續(xù)墻內(nèi)力、變形計(jì)算方法主要有總和法和增量法2類。總和法可直接求得當(dāng)前施工階段完成后地下連續(xù)墻的實(shí)際內(nèi)力及位移;增量法所求得的圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力是相對于前一個(gè)施工工況完成后的增量，當(dāng)墻體剛度不發(fā)生變化時(shí)，與前一個(gè)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(dāng)前施工工況完成后體系的實(shí)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(yīng)按相應(yīng)的墻體剛度區(qū)別疊加。

常用基坑計(jì)算軟件對于圍護(hù)墻內(nèi)力、位移的計(jì)算多采用總和法，運(yùn)用于設(shè)計(jì)方案初期，具備結(jié)果可靠、調(diào)整操作簡便的優(yōu)點(diǎn)。對于疊合墻體系，對比上述2種計(jì)算方法在開挖階段的計(jì)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(jì)啟明星深基坑支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)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(jìn)行計(jì)算，圍護(hù)墻體系內(nèi)力結(jié)果不準(zhǔn)確，因此采用增量法對回筑階段地下連續(xù)墻內(nèi)力進(jìn)行復(fù)核檢算。本文以車站主體基坑標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算結(jié)果。

2.2.1 開挖階段地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)計(jì)算

開挖階段采用同濟(jì)啟明星深基坑支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，根據(jù)上海市DG/TJ 08-61-2010《基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程》有關(guān)規(guī)定進(jìn)行車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)斷面計(jì)算，計(jì)算簡圖如圖3所示。軟件模擬基坑開挖施工全過程，在計(jì)算中計(jì)入圍護(hù)結(jié)構(gòu)的先期位移值及支撐變形。車站主體基坑標(biāo)準(zhǔn)段800 mm厚地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示，分析如下。

（1）車站主體基坑標(biāo)準(zhǔn)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(hù)等級一級的要求。

（2）車站主體基坑標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算結(jié)果，對車站主體基坑標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，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(gòu)受力要求。

2.2.2 回筑階段地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)計(jì)算

鑒于同濟(jì)啟明星深基坑支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)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(jì)算采用SAP2000有限元程序建立荷載-結(jié)構(gòu)模型，模型如圖5所示。按回筑階段的實(shí)際施工及受荷狀態(tài)計(jì)算內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(gòu)回筑階段疊合墻彎矩包絡(luò)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(jì)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(gòu)受力要求。

2.2.3 正常使用階段地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)計(jì)算

地下連續(xù)墻和車站主體結(jié)構(gòu)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(gòu)計(jì)算模型為支承在彈性地基上的平面框架結(jié)構(gòu)，按平面變形問題考慮，沿結(jié)構(gòu)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(shè)置水平向土彈簧邊界。

圖7給出了車站主體結(jié)構(gòu)橫斷面彎矩、剪力包絡(luò)圖，由圖7可見，車站主體結(jié)構(gòu)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(jì)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(gòu)受力要求。

3 基坑圍護(hù)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(guān)要求，本站監(jiān)測等級為一級，車站主體基坑圍護(hù)測點(diǎn)平面布置如圖8所示，包括圍護(hù)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(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻側(cè)向位移監(jiān)測點(diǎn)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(shí)測最大值為26.99mm<0.14%H，滿足環(huán)境保護(hù)等級一級的保護(hù)要求，略大于理論設(shè)計(jì)計(jì)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(shí)，地下連續(xù)墻側(cè)向位移最大實(shí)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(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖到底且底板完成時(shí)各道支撐出現(xiàn)的最大軸力值，并與車站主體基坑標(biāo)準(zhǔn)段斷面計(jì)算中各道支撐軸力計(jì)算包絡(luò)值進(jìn)行比較，如表 1 所示。由表1可見，鋼支撐實(shí)測軸力均大于設(shè)計(jì)計(jì)算值，表明基坑開挖過程中鋼支撐自動伺服系統(tǒng)軸力補(bǔ)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(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案研究可知，常規(guī)基坑計(jì)算軟件對于基坑開挖階段的圍護(hù)內(nèi)力和變形計(jì)算較為準(zhǔn)確，但無法準(zhǔn)確模擬回筑工況下結(jié)構(gòu)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(jì)算原理，對基坑開挖和回筑過程進(jìn)行模擬計(jì)算，為地下連續(xù)墻配筋計(jì)算和疊合墻設(shè)計(jì)提供補(bǔ)充，保證基坑結(jié)構(gòu)安全，節(jié)省工程造價(jià)。

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

（3）基坑計(jì)算基礎(chǔ)理論成熟、計(jì)算方法可靠，但在實(shí)際施工過程中受諸多因素的影響，因此，工程設(shè)計(jì)人員在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮這些因素的影響，保證設(shè)計(jì)方案安全、經(jīng)濟(jì)、可靠。

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收稿日期 2020-02-14

責(zé)任編輯 朱開明