“兩墻合一”預(yù)制地下連續(xù)墻技術(shù)在軟土地區(qū)綜合管廊工程中的應(yīng)用*

王瀟宇 王建 趙香山

上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 200092

引言

綜合管廊作為保證城市平穩(wěn)運(yùn)行的“生命線”工程，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度和城市建設(shè)步伐的加快，城市對(duì)市政管線的需求不斷加大。綜合管廊工程作為一種淺埋隧道工程，基坑支護(hù)工程是土建階段一項(xiàng)非常重要的內(nèi)容。地下連續(xù)墻是在鋼筋籠吊裝完成后利用混凝土置換槽段中泥漿形成地下墻體的基坑垂直支護(hù)技術(shù)，具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、施工噪聲小、無擠壓、適用于任何土層等特點(diǎn)。但該技術(shù)存在墻體質(zhì)量控制難，容易出現(xiàn)斷樁、夾砂夾泥、墻體臌脹的缺陷。若兼做結(jié)構(gòu)外墻，一般需要在槽壁兩側(cè)采用水泥土攪拌樁進(jìn)行土體加固［1］。近年來，在泥漿中吊裝、插入集中化生產(chǎn)的預(yù)制墻段，用自凝泥漿或純水泥漿置換成槽用的護(hù)壁泥漿，形成預(yù)制地下連續(xù)墻技術(shù)［2］。采用該技術(shù)的基坑在開挖后，墻面光潔、墻體質(zhì)量好、強(qiáng)度高，并且避免現(xiàn)場綁制作鋼筋籠和澆筑混凝土［3］。

本文將預(yù)制地下連續(xù)墻技術(shù)在某軟土地區(qū)綜合管廊進(jìn)行應(yīng)用，明確設(shè)計(jì)計(jì)算過程，并分析現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以便后續(xù)工程應(yīng)用改進(jìn)、提高。

1 工程概況

本工程位于老舊城區(qū)中，綜合管廊工程為該區(qū)域市政基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，總體施工順序?yàn)椋合染C合管廊工程、再管線搬遷入廊、最后實(shí)施道路翻修。擬建管廊位于道路西側(cè)綠化帶內(nèi)，為單艙管廊，納入電力、電信、給水。現(xiàn)澆標(biāo)準(zhǔn)斷面段管廊頂覆土3.0m，綜合管廊主體結(jié)構(gòu)內(nèi)凈尺寸2.9m（B）×3.2m（H），底板、壁板、頂板厚度均為300mm，外包尺寸為3.5m（B）×3.8m（H），管廊標(biāo)準(zhǔn)段埋置深度為7.0m，如圖1所示。采用C35防水混凝土，主受力鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋，保護(hù)層厚度：迎土面為50mm，其余為30mm。

圖1 綜合管廊與道路相對(duì)位置關(guān)系（單位：m）Fig.1 Relative position relationship between utility tunnel and road（unit：m）

由于局部市政管線位于綜合管廊外墻外2.0m范圍內(nèi)，若采用傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，須對(duì)市政管線先進(jìn)行遷改，待綜合管廊工程完成后，二次搬遷進(jìn)入管廊。雖然基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)成本較低，但管線二次遷改成本較高、工期延誤較多。因此，設(shè)計(jì)采用預(yù)制地下連續(xù)墻“兩墻合一”，可以每側(cè)節(jié)省施工空間1.6m，節(jié)省土方開挖約60%；預(yù)制地下連續(xù)墻剛度大，可以有效減小基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響。

2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

2.1 工程地質(zhì)

工程范圍內(nèi)土層分布和物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)Tab.1 Soil parameters

2.2 水文地質(zhì)

場地淺部土層中的地下水屬潛水類型，其補(bǔ)給來源主要為大氣降水和地表涇流，雨季期間地下水位普遍升高。經(jīng)本次勘探期間實(shí)測(cè)，鉆孔穩(wěn)定地下水位埋深在0.00～1.80m之間，相應(yīng)標(biāo)高在1.10m～3.51m之間。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 使用工況計(jì)算

采用Autodesk Robot Structural Analysis Professional對(duì)綜合管廊使用工況進(jìn)行分析。使用工況分析全部結(jié)構(gòu)實(shí)施完畢后，新增底板及頂板同預(yù)制地下連續(xù)墻共同組成受力體系。

分析中采用幾何參數(shù)如圖2所示，綜合管廊主體結(jié)構(gòu)內(nèi)凈尺寸2.9m（B）×3.2m（H），地下連續(xù)墻（底板以下）插入深度為5.28m（0.8H＝0.8×6.6m），底板、頂板厚度為400mm，地下連續(xù)墻厚度為450mm，綜合管廊水平計(jì)算跨度為3.35m，豎向計(jì)算跨度為3.6m，地下連續(xù)墻（底板以下）計(jì)算跨度為5.48m。

圖2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.2 FEM model of structure

模型邊界條件：綜合管廊為平面應(yīng)變模型，取單位長度分析，底板、頂板、地下連續(xù)墻（兼作壁板）采用二維有限元框架分析，采用梁單元模擬，彈性模量取30GPa，泊松比取0.2；模型底部約束X向位移，底板下設(shè)置單向受壓彈簧，K＝10000kN／m2；地下連續(xù)墻（底板以下）設(shè)置雙向彈簧，K＝10000kN／m2。由于地下連續(xù)墻于基坑工況施工完成，底板及頂板與地下連續(xù)墻的連接節(jié)點(diǎn)介于固定和鉸接之間，將地下連續(xù)墻與頂板及底板的連接節(jié)點(diǎn)，按照固定和鉸接分別建立模型計(jì)算。

結(jié)構(gòu)上的荷載如圖3所示，結(jié)構(gòu)自重由軟件自動(dòng)計(jì)算，頂板荷載為覆土荷載及地面超載，壁板荷載為側(cè)土荷載及地面超載產(chǎn)生的側(cè)壓力，底板反力由軟件自動(dòng)計(jì)算。

綜合管廊使用工況荷載下，模型計(jì)算結(jié)果的包絡(luò)彎矩、配筋及裂縫如表2所示，根據(jù)耐久性規(guī)范，使用階段最大裂縫允許值按0.2mm控制，對(duì)應(yīng)的配筋率在0.45%～0.71%范圍內(nèi)，配筋率合理。預(yù)制地下連續(xù)墻兼作管廊主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻的結(jié)構(gòu)可滿足綜合管廊使用工況的要求，預(yù)制地下連續(xù)墻與現(xiàn)澆底板及頂板結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式合理可行。

圖3 結(jié)構(gòu)荷載Fig.3 Structure Loads

表2 計(jì)算結(jié)果及結(jié)構(gòu)配筋Tab.2 Calculation results and structural reinforcement

3.2 開挖工況計(jì)算

現(xiàn)場整平后場地標(biāo)高為相對(duì)標(biāo)高－0.400m，據(jù)此，基坑開挖深度H＝6.6m，基坑安全等級(jí)為一級(jí)。采用同濟(jì)啟明星深基坑設(shè)計(jì)軟件FRWS，按地方規(guī)范［4］計(jì)算得，圍護(hù)墻須坑底以下插入長度D＝10.70m。坑內(nèi)設(shè)一道H型鋼水平內(nèi)支撐，每幅墻設(shè)兩根；頂部利用導(dǎo)墻兼作擋土墻，并在預(yù)制連續(xù)墻頂部預(yù)埋鋼板，其上焊扶壁工字鋼，形成板肋結(jié)構(gòu)。剖面示意如圖4所示。

圖4 基坑橫剖面示意Fig.4 Section of foundation pit

但考慮到本工程基坑寬度B＝2.9m，基坑寬深比（B／H）僅為0.44、圍護(hù)墻插入比（D／H）為1.62、插入長度D／基坑寬度B等于3.69。圍護(hù)墻坑底以下插入長度D遠(yuǎn)大于基坑寬度B，導(dǎo)致基坑坑底以下土體被固定在有限空間內(nèi)，并且一側(cè)圍護(hù)墻位于另一側(cè)被動(dòng)區(qū)水土壓力滑動(dòng)面（破壞面）內(nèi)。可見，理論計(jì)算結(jié)果明顯不合理。因此，設(shè)計(jì)采用巖土工程有限元軟件PLAXIS建立數(shù)值模型，對(duì)實(shí)際工況模擬。

本次計(jì)算中，土體采用硬化模型本構(gòu)關(guān)系，鋼支撐采用線彈性本構(gòu)模型，變形計(jì)算考慮流固耦合；另外，采用摩爾-庫侖模型和強(qiáng)度折減法進(jìn)行穩(wěn)定性分析。模型計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 模型計(jì)算參數(shù)Tab.3 Model calculation parameters

本工程模型長78m、深30m，對(duì)于管廊基坑開挖，可認(rèn)為消除了邊界效應(yīng)的影響。工況按如下考慮：初始模型、插入預(yù)制地下連續(xù)墻、降水至坑底、加坑外超載、挖土至第一道支撐底、施加第一道支撐、挖土至坑底。

進(jìn)行模擬、分析后發(fā)現(xiàn)［5］：

（1）當(dāng)插入比D／H≥0.5時(shí)，圍護(hù)墻水平位移、周邊最大沉降量隨插入比增加小幅變化。基坑一側(cè)圍護(hù)墻已位于基坑另一側(cè)圍護(hù)墻被動(dòng)區(qū)土體朗金理論的被動(dòng)區(qū)剖壞面中，起到抗滑作用。

（2）當(dāng)插入比D／H≥0.5時(shí)，插入比D／H變化對(duì)圍護(hù)墻最大彎矩影響不大；但是，當(dāng)插入比D／H＝0.8時(shí)，圍護(hù)墻最大彎矩達(dá)到峰值，繼續(xù)增加插入比，圍護(hù)墻最大彎矩反應(yīng)減小。

因此，將插入比定為0.8，開展現(xiàn)場試驗(yàn)性應(yīng)用。

4 現(xiàn)場監(jiān)測(cè)成果與分析

4.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

施工過程中，在預(yù)制地下連續(xù)墻中預(yù)埋監(jiān)測(cè)元器件，測(cè)得：（1）預(yù)制地下連續(xù)墻不同深度的水土壓力，分析墻體主動(dòng)側(cè)和被動(dòng)側(cè)的水土壓力情況；（2）預(yù)制地下連續(xù)墻縱向鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變，得到墻體在各工況下的彎矩；（3）預(yù)制地下連續(xù)墻墻體在不同工況下的側(cè)向位移。

由圖5可知，預(yù)制地下連續(xù)墻迎土面的水土壓力在深度3.0m以內(nèi)增長較大，然后在深度3m～11m，由90kPa左右逐漸增大到140kPa。迎坑面的水土壓力隨著深度的增大而增大，在深度7.0m～11.0m處，水土壓力的平均值由125kPa逐漸增長到175kPa。

水土壓力實(shí)測(cè)結(jié)果普遍比計(jì)算值略大一些，尤其是在較淺的位置。經(jīng)分析，由于綜合管廊基坑寬度較小，內(nèi)支撐的剛度大，開挖面土體變形有限，主動(dòng)水土壓力更接近靜止水土壓力；被動(dòng)區(qū)土體受到兩側(cè)圍護(hù)墻體限制，水土壓力實(shí)測(cè)值要大于計(jì)算值。

由圖6可知，在開挖以前，預(yù)制地下連續(xù)墻已經(jīng)存在一個(gè)初始彎矩，這個(gè)彎矩可能是由于連續(xù)墻在溝槽中放置過程中，重心有所傾斜而造成的。但這個(gè)初始彎矩是否普遍存在還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。開挖過程中，在水土壓力作用下預(yù)制地下連續(xù)墻產(chǎn)生與初始彎矩方向相反的彎矩。開挖至坑底時(shí)預(yù)制地下連續(xù)墻的最大彎矩約為200kN·m，位置在距離地表約6.5m的位置。

圖5 水土壓力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值Fig.5 Measured and calculated values of water and soil pressure

圖6 地下連續(xù)墻總彎矩Fig.6 Total bending moment of diaphragm wall

由圖7可知，預(yù)制地下連續(xù)墻的最大水平位移為12mm，發(fā)生在深度為6.0m的位置。

圖7 預(yù)制地下連續(xù)墻深層水平位移監(jiān)測(cè)Fig.7 Deep horizontal displacement monitoring of precast diaphragm wall

4.2 改進(jìn)措施

本工程坑底以下采用空芯截面設(shè)計(jì)，預(yù)制地下連續(xù)墻與同類型的現(xiàn)澆地墻比造價(jià)可減少10%左右；節(jié)省施工用地、避免市政管線多次遷改。基坑開挖后，墻面質(zhì)量良好，但接縫處存在“錯(cuò)臺(tái)”現(xiàn)象，后續(xù)工程施工時(shí)應(yīng)采取限位措施加以預(yù)防；槽段接頭處采用灌注樁止水，效果與刷壁質(zhì)量有直接關(guān)系，一旦夾泥，極容易滲漏，建議灌注樁內(nèi)外均增加遇水膨脹止水條帶。

5 結(jié)語

綜合管廊工程中采用預(yù)制地下連續(xù)墻技術(shù)“兩墻合一”設(shè)計(jì)，既可以在基坑開挖工程中起臨時(shí)支護(hù)作用，亦可以在永久使用階段作為結(jié)構(gòu)外墻使用。可以大幅度降低臨時(shí)結(jié)構(gòu)在工程造價(jià)中的占比，減小基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響，同時(shí)提高基坑支護(hù)施工質(zhì)量、加快工程施工進(jìn)度。現(xiàn)場監(jiān)測(cè)表明，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)計(jì)算接近，該技術(shù)可在類似工程中推廣使用。

通過ROBOT進(jìn)行使用工況計(jì)算、同濟(jì)啟明星FRWS進(jìn)行開挖工況基坑計(jì)算，并結(jié)合有限元進(jìn)行優(yōu)化分析，將預(yù)制地下連續(xù)墻技術(shù)“兩墻合一”設(shè)計(jì)在軟土地區(qū)綜合管廊中進(jìn)行應(yīng)用。

本工程在取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的同時(shí)，也存在一定的不足。后續(xù)工程施工時(shí)采取限位措施，以預(yù)防接縫處“錯(cuò)臺(tái)”現(xiàn)象；建議槽段接頭處灌注樁內(nèi)外均增加遇水膨脹止水條帶，確保止水效果。