非对称侧向荷载地铁基坑围护结构土压力特性与变形性状研究

1、内容摘要本文首先简单介绍了张杨路地铁车站的施工技术措施，然后分析了土压力特性与地下墙的变形性状，结果发现，土压力与地下墙变形均呈现非对称的分布特征，即临近老车站侧的土压力与墙体水平变形比远离侧的小得多，这与车站围护结构在开挖阶段所受的非对称荷载作用有关。同时基坑围护结构变形小于相应的控制指标，这也充分说明了所采取的施工技术措施的有效性与合理性，为我国轨道交通平行换乘枢纽车站的建设积累了丰富的经验。关键词非对称荷载主动土压力地下连续墙变形平行换乘枢纽车站 Zhang ZhiyongChen Shaobo。Duyi。 (Shanghai Urban Construction Corperation

2、，Shanghai，200023) (Shanghai Tunnel engineering COLtd，Shanghai，200127)Abstract：A series of construction measures adopted in Zhangyang Road Subway station were de-scribed in briefly in this paperThe monitoring data showed that the deformation of southern dia-phragm wall(adjacent to DongtionRd Subway s

3、tation)was less than that of northern diaphragm wall，and SO did the active earth pressure acted on diaphragm waltThe asymmetrical lateral load seemedto make contribution to this phenomenonKey words：Asymmetrical lateral load active earth pressure deformation of daphragm wall parallelinterchanger stat

4、ion1 引 言目前我国大城市的轨道交通建设正呈现出蓬勃发展的态势，但城市轨道交通要解决城市交通拥堵的顽症就必须网络化，而网络化面临的首要技术问题就是解决不同线路之间的换乘同题。城市轨道交通换乘的方式主要有十字交叉换乘、三角换乘以及平行换乘等方式，而平行换乘方式因为具有换乘路线短、换乘时间少以及占地下空间小等优势必将在我国的轨道交通换乘枢纽中得到广泛的应用。平行换乘枢纽中后建地铁车站的一个显著特点是车站围护结构在施工阶段尤其是开挖尚未支撑时处于非对称荷载的作用下(临近老车站侧的荷载小，远离老车站侧的荷载大)，在这种荷载作用下，车站基坑围护结构的受力与变形特性呈现什么样的特征值得关注。S.Kaz

5、a-ma1采用修正的Es一y模型研究了围护墙两侧土体性质迥异、单侧放坡开挖、单侧堆土、单侧水位上升等四种工况导致的非对称荷载作用下围护墙的变形特性，发现了荷载大一侧的围护墙体变形较另一侧墙体大得多，甚至通过支撑的轴力传递使得小荷载侧的墙体向非开挖面土体方向变形；Miyazaki等2研究了不同侧向压力作用下的围护墙体的变形特性。本文结合我国轨道交通建设中第一个平行换乘枢纽车站上海地铁4号线张杨路车站施工实践，分析了该车站围护结构的受力及变形特性，以期对以后类似工程提供借鉴。2 工程概况21工程简介 上海地铁4号线张杨路车站位于浦东世纪大道(张杨路潍坊路之间)的慢车道及北侧人行道下，与世纪大道走向

6、一致。张杨路车站全长2186m，标准段宽199m，基坑开挖深度2082l22866m。车站主体结构为双柱三跨、地下三层的现浇钢筋混凝土箱形结构，围护结构采用厚1000mm、深35m的地下连续墙。22工程地质条件与水文地质条件车站场地60m深度范围内均为第四纪晚更新世以来的松散沉积物，施工场地平坦，地面标高为+39m左右(下文中均以0000m计)。本场地的地层分布及部分物理力学性质参数详见表l。表1土层分布及部分物理力学性质参数 23 周围环境 张杨路车站南侧约5m便是平行于张杨路车站、已经投入使用的地铁2号线东方路车站；北侧紧邻好美家装饰城和世纪联华大卖场等构筑物。根据文献3规定及本工程的实际

7、情况，本工程基坑为一级保护，即要求地面最大沉降量01H(23mm)，围护墙最大水平位移014H(32mm)。周围环境条件详见图l。图1周围环境、施工区划分以及部分测点布置图图2基坑标准段横剖面示意图3施工技术措施与变形控制措施简介3.1基坑“化整为零”施工技术在张杨路车站基坑中间增设4道临时封头墙（结构形式与深度同基坑围护结构），将车站分为五个小基坑（各小基坑长度分别为35m、56m、40m和50m），进行跳隔明挖施工，具体施工顺序为：先施工两端头井（第一、五施工区），再施工中间部分（第三施工区），最后施工第二、四施工区。3.2基坑内土体多方法加固施工技术考虑到两端头井与标准段的开挖深度以及空

8、间尺寸的差异，将整个基坑划分为重点部位（端头井）和非重点部位（标准段），从而选择不同的方法对坑内土体井加固，即：端头井内采用旋喷加固，坑底下至一244m满堂加固，坑上井字形抽条加固；标准段内坑底下即一20.8244m范围内土体采用水泥土搅拌桩抽条加固和双液注浆抽条加固，两种加固方法在平面上相互间隔。抽条加固平面上间隔距离约3m，每条加固宽度约3m。 一般而言，在上海的地铁基坑工程中，为了提高基坑抵抗变形的能力，在开挖前，对基坑被动区土体进行加固，加固范围一般为基坑底下36m。但该工程标高一244m下即为层土(黄色粉质粘土)，该层土土体c，值分别为4lkPa和22，强度已很高。而土体加固会造成土

9、体的扰动，反而不利于该层土体强度的提高，故该层土不加固，即整个基坑被动区加固范围为坑底至标高一244m处。33 土方开挖与组合支撑施工技术具体情况为：基坑标准段采用7道钢支撑，土层逐层开挖，每层开挖标高(支撑中心标高)分别为一2.3m(一0806)、一50m(一4.006)、一72m(一6206)、一102m(一9256)、一129m(一12256)、一165m(一15506)和一208m(一18106)。两端头井内采取组合支撑的方案，其中一、四道为钢筋混凝土支撑，其余则为钢支撑；西端头井每层开挖底标高分别为一70m(此标高上为东方路车站原风井结构，一次凿除)、一105m、一125m、一155

10、m、一190m一217m和一228m，每道支撑中心标高分别为一1550m、一5650m、一8750m、一11850m、14950m、一17750m、一20350m；东端头井每层开挖底标高分别为一65m(此标高上为东方路车站原出入口结构，一次凿除)、一95m、一129m、一159m、一189m和一228m，每道支撑中心标高分别为一0930m、一4830m、一8230m、一11660m、一14530m、一17330m、一19930m。34 基坑内降承压水施工技术 张杨路车站基坑内由于承压水头较高，故需采取降承压水措施。上海地铁基坑降承压水的常规做法是把降承压水井点打设在坑外，在本工程中，由于深35

11、m的围护结构已经将承压水隔断，若要使坑内承压水水头降低至相应要求，则这样井点管长度及降水深度势必很大，会造成周围土体的较大沉降，因此，在本工程中特将降承压水井点打设在坑内，共10口降承压水井点，各施工区分别为3、l、2、1、3口，在基坑开挖至一14000m时开始降承压水。 4 基坑围护墙外主动土压力特性分析41 基坑围护墙外侧开挖面上土压力理论计算静止土压力可以由式(1)计算。 P0=k0z (1)式(1)中： P0一静止土压力，kPa； K0一静止土压力系数；一土的容重，kNm3； z一深度，m。K0静止土压力系数的测定可由室内K0试验、现场旁压试验、扁铲侧胀定，也可由经验公式计算。本文采用

12、Jacy公式计算。 K0=095一sin (2)式(2)中：土的有效内摩擦角（0），由表1中数据计算得值为15.3主动土压力采用Rankine主动土压力理论计算，具体如式（3）。Pa=zka一2c(ka)0.5。 (3) ka=tg2(45一2) (4)式(3)和(4)中： Pa一主动土压力，kPa； Ka主动土压力系数；一土的容重，kNm3； z一深度，m。 采用式(1)和式(3)计算的墙后不同深度处土压力特性参见图3、图4和图5。图3墙外侧5m深度处土压力变化曲线图4墙外侧15m深度处土压力变化曲线图5墙外侧20m深度处土压力变化曲线42 基坑围护墙外侧开挖面上土压力实测分析图3、图4、图

13、5分别为第五施_工区南北两侧(El和E2)5m、15m和20m深度处土压力随基坑施工工况变化曲线。从图中可以得出如下结论：(1)在基坑开挖及结构回筑施工阶段，北侧墙外土压力较南侧土压力大129456kPa；在顶板浇筑完成并覆土后两侧土压力趋于接近，两者仅相差43870l kPa。土压力分布的这种特征与基坑两侧荷载的非对称分布有关：基坑南侧邻近东方路车站，墙后土体厚度仅28m，其余为东方路车站结构，土压力小；而北侧则全部为土体，且20m处还有两层建筑物的超载，故土压力大；这样导致在开挖及结构施工阶段两侧土压力的差异，而在顶板施工完成及回填土后，围护结构与楼板和顶板形成一个整体，南北两侧土体压力重

14、新形成新的平衡，故两侧土压力又趋于一致。(2)两侧土压力在基坑内65m土方开挖(原东方路车站2号出入口结构凿除后进行基坑内旋喷加固，然后再大规模开挖)后，土压力基本上不变或略有减少，而在土方大规模开挖后，土压力明显减小，在结构回筑阶段，土压力不变或略有增大，当顶板上覆后，两德土压力趋于一致。这主要是因为随着开挖深度的增加：墙内步b饿土压力差推动墙体向坑内变形，土体也相应变形，但由于墙体是刚性的，土体是柔性的，墙体变形一步到位，而土体变形是缓慢的，逐步向坑内位移，墙后土体出现一定程度的松动，所以土压力相应减小；但在结构回筑阶段，墙体向坑内的变形受到一定程度的限制，而墙外侧土体继续向坑内方向位移，

15、使得先前松动的土体挤密，土压力也逐渐趋于稳定并略有增大；在顶板完工后，墙体变形受到完全限制，土体继续挤密并停止变形，土压力也趋于稳定。(3)5m深度处的实测土压力介于主动土压力与静止土压力之间，而15m和20m处的实测土压力则不仅小于静止土压力(小，70kPa以上)，而且小于主动土压力(小16kPa以上)。一般而言，基坑实测土压力应介于主动土压力与被动土压力之间，本工程5m深度处的土压力即符合该规律；但在15m和20m处，却比主动土压力还小，可能是由于1422m深度范围内墙体变形比较大(参见图6、图7、图8和图9)，导致墙后土体出现向坑内的变形，土体出现松动，从而导致墙后土压力很小，这与文献4

16、所观测到的结果一致。图6I06处墙体水平位移变化曲线图7I18处墙体水平位移变化曲线5 基坑围护结构变形性状实测分析51 第三施工区墙体水平位移变化规律图6和图7分别为第三施工区北侧106和南侧118处墙体水平位移变化曲线，表2和表3分别为106处和118处墙体水平变形的特征值。需要说明的是，I06和I18分别位于第三施工区北、南侧对称处。从这些图和表中，可以得出以下结论：(1)北侧墙体水平变形最大值达到了2846mm，而南侧仅为516mm，前者为后者的55倍，比后者大233mm，这是由于南北侧墙体所受侧向荷载非对称性，前文中已经述及，北侧的土压力较南侧大得多，文献1得到了类似的变形分布规律；

17、（2）墙体水平变形主要发生在基坑开挖与支撑阶段，结构回筑阶段的变形较少，前者的变形占到总的变形量的76.59%，后者的仅占23.4%；（3）最大值随着开挖深度的增大而不断的下移，开挖至坑底后最大值基本上稳定在1818.5m范围内，在坑底面上2.32.8m，与一般的基坑变形在开挖面下23m的规律不同，这可能是由于坑底土质较硬并且经过加固后抵抗变形的能力大大强于坑上土体；（4）开挖阶段的变形呈现出不均匀变化的规律，下五下七层开挖阶段墙体的变形较下四层以上的变形要大得多。表2I06处墙体水平变形特征值一览表表3I18处墙体水平变形特征值一览表5.2第五施工区墙体水平位移变化规律图8和图9分别为第五施

18、工区北侧I9和南侧I15处墙体水平位移变化曲线，表4和表5分别为I9处和I15处墙体水平变形的特征值。需要说明的是，I9和I15分别位于第五施工区北、南侧对称处。从图和表上可以看出，(1)北侧墙体水平变形最大值为1655ram，南侧最大值为1135mm，比北侧小52mm，出现深度为地下1718m处，在开挖面上283.8m，这与i以往观测弼的最大值在开挖面下23 m左右的规律不同，这可能是因龙开挖面下土体强度本身已很高(2、层土，三层土的c，值分别为l9kPa、19，8kPa、31，41kPa和22)，并且经过回固，其抵抗变形的能力大大提高；（2）开挖与支撑阶段的变形占总体变形的80.3%96.

19、1%，尤其是下六层与下七层的开挖与支撑阶段，变形占总体变形量的34￥左右，结构施工阶段仅为4.9%20%；（3）变形在底板浇筑后即趋于稳定，日均变化量已经小于0.1mm/d。图8I9处墙体水平变形实测曲线 图9I15处墙体水平变形实测曲线表4I9处墙体水平变形特征值一览表 历时（d） 最大值（mm） 出现深度（m） 变形变化量（mm） 占总变形的比例（%） 累计比例（%） 日均变化量（mm/d） 下二层挖土与支撑 5 0.86 7 0.86 5.2 5.2 0.172 下三层挖土与支撑 5 3.86 10 3 18.1 23.3 0.6 下四层挖土与支撑 13 6.42 13.5 2.82 1

20、7.0 40.3 0.217 下五层挖土与支撑 7 7.95 13.5 1.53 9.2 49.5 0.219 下六层挖土与支撑 6 13.05 15.0 5.1 30.8 80.3 0.85 下七层挖土与垫层 5 13.67 16.5 0.62 3.6 83.9 0.124 底板浇筑 7 14.78 16.5 1.11 6.6 90.5 0.159 下二层板浇筑 9 14.97 16.5 0.19 1.1 91.6 0.021 下一层板浇筑 10 15.9 16.5 0.93 5.6 97.2 0.093 顶板浇捣 17 16.55 17 0.65 3.8 100 0.038 后续量测 11

21、 15.64 17 -0.91 / / / 表5I15处墙体水平变形特征值一览表 6 结论 本文首先介绍了张杨路车站的施工技术方案，然后对监测数据进行了分析，得出了如下结论。(1)张杨路车站基坑墙体水平位移最大值为2846mm(I06)处，分别小于地铁基坑一级保护控制指标，即围护墙最大水平位移014H(32mm)；基坑南北侧墙体水平变形相差很大，北侧最大值比南侧大52mm233mm，这是由于张杨路车站两侧侧向荷载的非对称造成的。(2)在基坑开挖及结构回筑施工阶段，北侧墙外土压力较南侧土压力大129456kPa；在顶板浇筑完成并覆土后两侧土压力趋于接近，两者相差438701 kPa。两侧土压力在基坑内部分开挖后，土压力基本上不变或略