地铁车站深基坑地下连续墙优化设计研究 (1)

吴小将　刘国彬　李志高

(同济大学地下建筑与工程系　上海　200092)

卢礼顺

3

(上海磁悬浮交通发展有限公司　上海　201204)

　　摘　要:通过对上海软土地区几个地铁车站深基坑工程中地下连续墙弯矩和钢筋应力的跟踪监测,得到了这些基坑地下连续墙所受弯矩的包络图,并与地下连续墙能承受的弯矩极值进行对比,得到深基坑工程地下连续墙的弯矩承载能力尚有一定的发挥余地。分析了导致设计中地下连续墙配筋偏大主要是由于最大裂缝宽度控制值wlim=012mm引起的,若将地下连续墙的最大裂缝宽度放宽至wlim=013mm,则可以在满足深基坑工程地下连续墙的弯矩承载能力的同时,大大降低地下连续墙的配筋,减少工程投资,达到充分利用建设资金的目的。

　　关键词:深基坑　地下连续墙　承载力　最大裂缝宽度

RESEARCHONOPTIMIZATIONDESIGNOFDIAPHRAGMWALLFORMETROSTATION

WuXiaojiang　LiuGuobin　LiZhigao(DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity　Shanghai　200092)LuLishun(ShanghaiMaglevTransportationDevelopmentCo.,Ltd　Shanghai　201204)

Abstract:Fromthesurveyresultsofsomeexcavations,itisfoundthatthedesignsofdiaphragmwallareconservative:boththestressofreinforcingsteelandthemomentofwallarelessthanthedesignvalue.Throughanalyzingthetheoryofdiaphragmwalldesign,itisfoundthattheconservativedesigniscausedbytheallowablewidthofstructurecrackwlim=012mm.Itisanalyzediftheallowablewidthofstructurecrackisbroadenedtowlim=013mm,theratioofreinforcementwillbedecreased,atthesametime,thesafetyoftheexcavationisguaranteedandprojectinvestmentwillalsobereduced.Keywords:deepexcavation　diaphragmwall　bearingcapacity　allowablecrackwidth

　　随着高层建筑和城市轨道交通的快速发展,深基坑甚至超深基坑数量剧增。作为钢筋混凝土的地下连续墙由于刚度大,不但能够承受作用于墙面上的侧压力、具有挡水防渗功能,而且可以兼作高层建筑地下室或地下地铁车站的一部分,在软土地区深基坑工程得到了大量的应用。但是从上海地铁车站大量地下连续墙的钢筋内力监测结果来看,地下连续墙内的钢筋应力没有得到充分发挥,通常都在钢筋设计应力的60%以下。由此可见,地下墙设计尚有一定的余量,本文拟通过现场测试研究,探讨地下墙设计优化的可能性,并提出新的意见或建议来优化地铁深基坑地下连续墙的设计。

1　地下连续墙内力测试结果

力进行了跟踪监测,其中对两个车站的地下连续墙的钢筋应力进行了直接监测,而其他车站的地下连续墙内力则是通过测斜反算间接得到的。

A车站开挖深度约25m,基坑保护等级为一级,车站基

坑围护结构采用1000mm厚的地下连续墙。地下连续墙深度为40m,采用C30、S8混凝土,纵向竖直主筋采用Ⅱ级热轧钢筋,钢筋强度设计值为310MPa,在墙体-5～-35m深度范围内,每隔215m分别在开挖面和迎土面纵向主筋上埋设了钢筋应力计,另外,在基坑开挖过程中对钢筋应力监测点附近墙体的侧向变形进行了跟踪监测。

通过对该车站地下连续墙的钢筋应力监测,发现在整个地下车站施工过程中,钢筋应力最大值为53193MPa,远小于钢筋的强度设计值310MPa,仅为钢筋设计值的17%。对实测钢筋应力推算的地下连续墙墙体弯矩与地下连续墙设计极限承载弯矩以及测斜反算墙体弯矩进行对比(如图1所示),可以发现:通过测斜反算的弯矩要稍大于实测弯矩,但

3卢礼顺为本文第三作者。

第一作者:吴小将　男　1978年6月出生　博士研究生收稿日期:2005-04-21

地下连续墙的内力指的是墙内钢筋的应力和墙体弯矩。若在深基坑施工时对墙体内的钢筋应力进行监测,则钢筋应力可以直接从监测结果得到,墙体弯矩可以通过钢筋应力推算。若在施工时未对钢筋应力进行监测,可以根据梁的弯矩与变形之间的数学关系,通过地下连续墙的侧向变形曲线

(测斜)反算地下连续墙墙体弯矩,间接得到地下连续墙的内

力。

笔者曾对上海轨道交通中几个车站的地下连续墙的内

IndustrialConstructionVol135,No111,2005

工业建筑　2005年第35卷第11期　　53

两种方法计算的弯矩都远小于墙体所能承受的极限承载力,实际弯矩发挥一般不超过设计值的60%(-3215m处测斜反算最小弯矩除外)。

　　从图1～图3可以发现,按照现有地下连续墙设计理论进行设计,在基坑开挖过程中墙内的钢筋应力和弯矩承载能力都还有较大的发挥余地。

2　关于地下连续墙设计裂缝控制标准的讨论211　地下连续墙配筋设计控制因素

钢筋混凝土构件一般都按照构件的使用极限状态来设计,按照功能的不同,极限状态分为两种:承载能力的极限状态和正常使用的极限状态。

按照以上设计原则,地下连续墙的设计首先要按照《建

(JG筑基坑支护技术规程》J20-99)推荐的弹性支点法或者

杆系有限元方法计算截面弯矩Ms和剪力Vs,再按照承载能

1-最大反算弯矩;2-最小反算弯矩;

3-正号(开挖面)极限承载力;4-负号(迎土面)极限承载力

力的极限状态确定地下连续墙弯矩Mu和剪力Vu的设计值:

Mu=1125γ0MsVu=1125γ0Vs

Ξ实测弯矩最大值;●实测弯矩最小值图1　A车站基坑地下连续墙弯矩发挥对比

(1a)(1b)

B车站基坑地下连续墙的埋深为28m,开挖深度为1515m,地下连续墙厚度为800mm,采用C30、S8混凝土,纵向

式中,γ《混凝土结构设计规范》0为重要性系数,一般按照

(GB50010-2002)选取为019、110或111。

竖直主筋采用Ⅱ级热轧钢筋,钢筋强度设计值为310MPa,在墙体-3～-27m深度范围内,每隔3m分别在开挖面和迎土面纵向主筋上埋设了钢筋应力计,监测结果如图2。按照正常使用的极限状态设计,要求地下连续墙在短期效应作用下能够满足裂缝控制要求,根据我国“规范”

(GB50010-2002),地下连续墙的裂缝控制等级为三级,最大

裂缝宽度限制为wlim=012mm。

由式(1a),地下连续墙的MsΠMu的比值应该介于0173～

0189,但是在地下连续墙两种极限状态设计中,由于墙体所受

弯矩较大,按照裂缝控制设计占支配地位,如图4。由图4可以发现,对于厚度为600～1000mm的地下连续墙,当配筋率ρ在0%～310%时,MsΠMu都小于60%,均小于0173。

212　裂缝控制标准的调整与讨论

地下连续墙作为深基坑围护结构,一般均为临时性结

图2　B车站基坑地下连续墙钢筋应力监测结果

构,但是作为地铁车站深基坑来说,它是车站主体结构的一部分,在车站主体结构施工时,要在地下连续墙的开挖面一侧加上一层钢筋混凝土内衬,按照上海地铁车站设计经验,该内衬厚度通常为400mm,因此在车站建成以后,抵抗墙后土压力的将是地下连续墙与内衬组成的重叠墙。另外根据地铁车站施工监测结果来看,地下连续墙的侧向变形在基坑底板完工后已趋于稳定,由此可知,在车站主体结构完工后,地下连续墙和内衬组成的重叠墙所抵抗的弯矩可以看成不变,而墙体的抗弯刚度EI将有很大提高,对于600mm厚的地下连续墙,EI将提高363%;1000mm厚的地下连续墙EI提高174%。由此可知,车站建成后由原有地下连续墙和内衬组成的重叠墙抗裂性能将大大提高,原来基坑开挖阶段产生的裂缝宽度大大减小。这种情况下,地下连续墙的设计仍按最大裂缝宽度wlim=012mm进行必将带来很大的浪费。为此作者参照了部分国外规范,如美国混凝土学会224委员会,对处于潮湿空气或土壤中的最大裂缝宽度允许值为

013mm。因此,建议在地铁车站深基坑工程的地下连续墙设

C车站基坑地下连续墙的埋深为25m,开挖深度为1312m,地下连续墙厚度为800mm,采用C30、S8混凝土,纵向

竖直主筋采用Ⅱ级热轧钢筋,钢筋强度设计值为310MPa。由地下连续墙测斜结果可以反算其在基坑开挖过程中的弯矩包络图,如图3。

1-开挖面极限承载弯矩;2-迎土面极限承载弯矩;

3-测斜反算截面最大弯矩;4-测斜反算截面最小弯矩

图3　C车站基坑地下连续墙弯矩发挥对比

计中,可将地下连续墙的最大允许裂缝宽度放宽至wlim=

013mm。　　　　　

54

工业建筑　2005年第35卷第11期

a-截面尺寸1000mm×600mm,d=30mm,c=50mm;b-截面尺寸1000mm×800mm,d=30mm,c=50mm;

c-截面尺寸1000mm×1000mm,d=30mm,c=50mm

1-Ms013ΠMu;2-Ms012ΠMu

Ms012表示按照wlim=012mm地下连续墙在正常使用极限状态下允许最大的弯矩,Ms013类似

ρ-MsΠ图4　Mu对应关系

　　另外,当地下连续墙的允许裂缝宽度控制标准由wlim=

3　经济效益分析311　经济效益比较

012mm放宽至wlim=013mm以后,配筋量减小,同时可以使地

下连续墙厚度变薄,这样地下连续墙的设计可更进一步优化。

312　应用举例

地下连续墙设计的构造要求是其主钢筋的间距应在3倍钢筋直径以上。这样,对于开挖面单排配筋的地下连续墙,600mm厚墙体的最大配筋率ρmax=211%,800mm厚的ρmax=116%,1000mm厚的为ρmax=1125%,因此当地下连续墙的最大裂缝允许宽度放宽至wlim=013mm以后,设计还是按照正常使用极限状态进行,这可从图4中直接看出。当地下连续墙的允许裂缝宽度放宽以后,地下连续墙的配筋率将会明显地降低,如对于厚度为1000mm的地下连续墙,纵向钢筋为Ⅱ级热轧钢筋,直径d=30mm,保护层厚度

c=50mm,混凝土强度选用C30时,采用wlim=013mm标准控

上海轨道交通某地铁车站主体结构基坑开挖深度为1517m,原方案按照裂缝控制标准wlim=012mm设计,车站边

墙为800mm厚地下连续墙+400mm厚内衬,当把钢筋混凝土结构构件的裂缝宽度标准放宽至wlim=013mm后,优化调整后的车站边墙为600mm厚地下连续墙+400mm厚内衬,这样仅地下连续墙施工一项就节约:成槽挖方200116万元;连续墙混凝土148151万元;钢筋54198万元,合计403165万元。

4　结　论

制裂缝设计比按wlim=012mm设计最低可以节约钢筋15%以上。如图5所示。

由以上分析可以看出,在地下连续墙设计中,将钢筋混凝土结构构件的允许裂缝宽度放宽后,在能确保基坑安全和车站建成后主体结构正常使用的同时,还能优化地下连续墙的设计,大量节约建设成本,能够取得良好的经济效益和社会效益。

参考文献

1　丛蔼森.地下连续墙的设计施工与应用.北京:中国水利水电出

版社,2001

2　丁云生,武有根.大型地铁车站地下连续墙结构的优化.建筑施

截面尺寸1000mm×600mm,钢筋直径d=30mm,c=50mm

ρ图5　(ρ012-ρ013)Π0122Ms关系

工,2003,25(6):462～463

3　王铁梦.工程裂缝控制.北京:中国建筑工业出版社,1997

・动　态・建筑钢结构材料技术标准

材料标准共31本,涉及钢结构用的材质标准、型材标准、板材标准、管材标准、涂料标准和各种性能的试验方法标准共有

百余本,最常用的标准如下:碳素结构钢(GBΠT700-1988)、优质碳素结构钢(GBΠT699-1999)、低合金高强度结构钢(GBΠT1591-1994)、高耐候结构钢(GBΠT4171-2000)、焊接结构用耐候钢(GBΠT4172-2000)、耐热钢板(GBΠT4238-1992)、热轧等边角钢(GBΠT9787-1988)、热轧不等边角钢(GBΠT9788-1988)、热轧工字钢(GBΠT706-1988)、热轧槽钢(GBΠT707-1988)、热轧H型钢和部分T型钢(G焊接H型钢(Y结构用高频焊接薄壁H型钢(JG冷弯BΠT11263-1998)、B3001-1992)、ΠT137-2001)、型钢技术条件(G结构用冷弯空心型钢(G通用冷弯开口型钢(G热轧钢板BΠT6725-1992)、BΠT6728-1986)、BΠT6723-1986)、和钢带(GBΠT709-1988)、碳素结构钢和低合金结构钢热轧钢带(GBΠT3524-1992)、碳素结构钢和低合金结构钢热轧薄钢板和钢带(G碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带(G冷轧钢板和钢带BΠT912-1989)、BΠT3274-1988)、(G碳素结构钢冷轧钢带(G厚度方向性能钢板(G连续热镀锌薄钢板和钢带BΠT708-1988)、BΠT716-1991)、BΠT5313-1985)、(GBΠT2518-1988)、彩色涂层钢板及钢带(GBΠT12754-1991)、建筑用压型钢板(12755-1991)、冷弯波纹钢板(GBΠT6724-1986)、焊接钢管用钢带(GBΠT8165-1997)、结构用无缝钢板(GBΠT8162-1999)、钢结构防火涂料应用技术规程(CECS24∶室内钢结构防火涂料通用技术条件(GBΠT14907-1994)。90)、地铁车站深基坑地下连续墙优化设计研究———吴小将,等

55