非對稱側向荷載作用下地鐵基坑圍護結構土壓力特性與變形性狀研究

【內容摘要】　本文首先簡單介紹了張楊路地鐵車站的施工技術措施，然后分析了土壓力特性與地下墻的變形性狀，結果發現，土壓力與地下墻變形均呈現非對稱的分布特征，即臨近老車站側的土壓力與墻體水平變形比遠離側的小得多，這與車站圍護結構在開挖階段所受的非對稱荷載作用有關。同時基坑圍護結構變形小于相應的控制指標，這也充分說明了所采取的施工技術措施的有效性與合理性，為我國軌道交通平行換乘樞紐車站的建設積累了豐富的經驗。
【關鍵詞】　非對稱荷載　主動土壓力　地下連續墻變形　平行換乘樞紐車站
Zhang Zhiyong　Chen Shaobo。Duyi。
(Shanghai Urban Construction Corperation，Shanghai，200023)．
(Shanghai Tunnel engineering CO．Ltd．，Shanghai，200127)

Abstract：A series of construction measures adopted in Zhangyang Road Subway station were de-scribed in briefly in this paper．The monitoring data showed that the deformation of southern dia-phragm wall(adjacent to DongtionRd Subway station)was less than that of northern diaphragm wall，and SO did the active earth pressure acted on diaphragm walt．The asymmetrical lateral load seemedto make contribution to this phenomenon．
Key words：Asymmetrical lateral load active earth pressure deformation of d~aphragm wall parallel　interchanger station

　　1 引 言
　目前我國大城市的軌道交通建設正呈現出蓬勃發展的態勢，但城市軌道交通要解決城市交通擁堵的頑癥就必須網絡化，而網絡化面臨的首要技術問題就是解決不同線路之間的換乘同題。城市軌道交通換乘的方式主要有十字交叉換乘、三角換乘以及平行換乘等方式，而平行換乘方式因為具有換乘路線短、換乘時間少以及占地下空間小等優勢必將在我國的軌道交通換乘樞紐中得到廣泛的應用。
　　平行換乘樞紐中后建地鐵車站的一個顯著特點是車站圍護結構在施工階段尤其是開挖尚未支撐時處于非對稱荷載的作用下(臨近老車站側的荷載小，遠離老車站側的荷載大)，在這種荷載作用下，車站基坑圍護結構的受力與變形特性呈現什么樣的特征值得關注。S.Kaza-ma［1］采用修正的Es一y模型研究了圍護墻兩側土體性質迥異、單側放坡開挖、單側堆土、單側水位上升等四種工況導致的非對稱荷載作用下圍護墻的變形特性，發現了荷載大一側的圍護墻體變形較另一側墻體大得多，甚至通過支撐的軸力傳遞使得小荷載側的墻體向非開挖面土體方向變形；Miyazaki等［2］研究了不同側向壓力作用下的圍護墻體的變形特性。本文結合我國軌道交通建設中第一個平行換乘樞紐車站——上海地鐵4號線張楊路車站施工實踐，分析了該車站圍護結構的受力及變形特性，以期對以后類似工程提供借鑒。
2 工程概況
2．1　工程簡介
上海地鐵4號線張楊路車站位于浦東世紀大道(張楊路～濰坊路之間)的慢車道及北側人行道下，與世紀大道走向一致。張楊路車站全長218．6m，標準段寬19．9m，基坑開挖深度20．82l～22．866m。車站主體結構為雙柱三跨、地下三層的現澆鋼筋混凝土箱形結構，圍護結構采用厚1000mm、深35m的地下連續墻。
　2．2　工程地質條件與水文地質條件
　車站場地60m深度范圍內均為第四紀晚更新世以來的松散沉積物，施工場地平坦，地面標高為+3．9m左右(下文中均以±0．000m計)。本場地的地層分布及部分物理力學性質參數詳見表l。

2．3 周圍環境
張楊路車站南側約5m便是平行于張楊路車站、已經投入使用的地鐵2號線東方路車站；北側緊鄰好美家裝飾城和世紀聯華大賣場等構筑物。根據文獻［3］規定及本工程的實際情況，本工程基坑為一級保護，即要求地面最大沉降量≤0．1％H(23mm)，圍護墻最大水平位移≤0．14％H(32mm)。周圍環境條件詳見圖l。

　
　　3　施工技術措施與變形控制措施簡介
　　3.1　基坑“化整為零”施工技術
　　在張楊路車站基坑中間增設4道臨時封頭墻（結構形式與深度同基坑圍護結構），將車站分為五個小基坑（各小基坑長度分別為35m、56m、40m和50m），進行跳隔明挖施工，具體施工順序為：先施工兩端頭井（第一、五施工區），再施工中間部分（第三施工區），最后施工第二、四施工區。
　　3.2　基坑內土體多方法加固施工技術
　　考慮到兩端頭井與標準段的開挖深度以及空間尺寸的差異，將整個基坑劃分為重點部位（端頭井）和非重點部位（標準段），從而選擇不同的方法對坑內土體井加固，即：端頭井內采用旋噴加固，坑底下至一24．4m滿堂加固，坑上井字形抽條加固；標準段內坑底下即一20.8~24．4m范圍內土體采用水泥土攪拌樁抽條加固和雙液注漿抽條加固，兩種加固方法在平面上相互間隔。抽條加固平面上間隔距離約3m，每條加固寬度約3m。
一般而言，在上海的地鐵基坑工程中，為了提高基坑抵抗變形的能力，在開挖前，對基坑被動區土體進行加固，加固范圍一般為基坑底下3～6m。但該工程標高一24．4m下即為⑥層土(黃色粉質粘土)，該層土土體c，φ值分別為4lkPa和22°，強度已很高。而土體加固會造成土體的擾動，反而不利于該層土體強度的提高，故該層土不加固，即整個基坑被動區加固范圍為坑底至標高一24．4m處。
3．3 土方開挖與組合支撐施工技術
具體情況為：基坑標準段采用7道鋼支撐，土層逐層開挖，每層開挖標高(支撐中心標高)分別為一2.3m(一0．806)、一5．0m(一4.006)、一7．2m(一6．206)、一10．2m(一9．256)、一12．9m(一12．256)、一16．5m(一15．506)和一20．8m(一18．106)。兩端頭井內采取組合支撐的方案，其中一、四道為鋼筋混凝土支撐，其余則為鋼支撐；西端頭井每層開挖底標高分別為一7．0m(此標高上為東方路車站原風井結構，一次鑿除)、一10．5m、一12．5m、一15．5m、一19．0m一21．7m和一22．8m，每道支撐中心標高分別為一1．550m、一5．650m、一8．750m、一11．850m、—14．950m、一17．750m、一20．350m；東端頭井每層開挖底標高分別為一6．5m(此標高上為東方路車站原出入口結構，一次鑿除)、一9．5m、一12．9m、一15．9m、一18．9m和一22．8m，每道支撐中心標高分別為一0．930m、一4．830m、一8．230m、一11．660m、一14．530m、一17．330m、一19．930m。
3．4 基坑內降承壓水施工技術
張楊路車站基坑內由于承壓水頭較高，故需采取降承壓水措施。上海地鐵基坑降承壓水的常規做法是把降承壓水井點打設在坑外，在本工程中，由于深35m的圍護結構已經將承壓水隔斷，若要使坑內承壓水水頭降低至相應要求，則這樣井點管長度及降水深度勢必很大，會造成周圍土體的較大沉降，因此，在本工程中特將降承壓水井點打設在坑內，共10口降承壓水井點，各施工區分別為3、l、2、1、3口，在基坑開挖至一14．000m時開始降承壓水。

4 基坑圍護墻外主動土壓力特性分析
4．1 基坑圍護墻外側開挖面上土壓力理論計算

　 4．2 基坑圍護墻外側開挖面上土壓力實測分析
　圖3、圖4、圖5分別為第五施_工區南北兩側(El和E2)5m、15m和20m深度處土壓力隨基坑施工工況變化曲線。從圖中可以得出如下結論：(1)在基坑開挖及結構回筑施工階段，北側墻外土壓力較南側土壓力大12．9～45．6kPa；在頂板澆筑完成并覆土后兩側土壓力趨于接近，兩者僅相差4．38～7．0l kPa。土壓力分布的這種特征與基坑兩側荷載的非對稱分布有關：基坑南側鄰近東方路車站，墻后土體厚度僅2．8m，其余為東方路車站結構，土壓力??；而北側則全部為土體，且20m處還有兩層建筑物的超載，故土壓力大；這樣導致在開挖及結構施工階段兩側土壓力的差異，而在頂板施工完成及回填土后，圍護結構與樓板和頂板形成一個整體，南北兩側土體壓力重新形成新的平衡，故兩側土壓力又趨于一致。
　　(2)兩側土壓力在基坑內6．5m土方開挖(原東方路車站2號出入口結構鑿除后進行基坑內旋噴加固，然后再大規模開挖)后，土壓力基本上不變或略有減少，而在土方大規模開挖后，土壓力明顯減小，在結構回筑階段，土壓力不變或略有增大，當頂板上覆±后，兩德土壓力趨于一致。這主要是因為隨著開挖深度的增加：墻內步b餓土壓力差推動墻體向坑內變形，土體也相應變形，但由于墻體是剛性的，土體是柔性的，墻體變形一步到位，而土體變形是緩慢的，逐步向坑內位移，墻后土體出現一定程度的松動，所以土壓力相應減?。坏诮Y構回筑階段，墻體向坑內的變形受到一定程度的限制，而墻外側土體繼續向坑內方向位移，使得先前松動的土體擠密，土壓力也逐漸趨于穩定并略有增大；在頂板完工后，墻體變形受到完全限制，土體繼續擠密并停止變形，土壓力也趨于穩定。
　　(3)　5m深度處的實測土壓力介于主動土壓力與靜止土壓力之間，而15m和20m處的實測土壓力則不僅小于靜止土壓力(小，70kPa以上)，而且小于主動土壓力(小16kPa．以上)。一般而言，基坑實測土壓力應介于主動土壓力與被動土壓力之間，本工程5m深度處的土壓力即符合該規律；但在15m和20m處，卻比主動土壓力還小，可能是由于14～22m深度范圍內墻體變形比較大(參見圖6、圖7、圖8和圖9)，導致墻后土體出現向坑內的變形，土體出現松動，從而導致墻后土壓力很小，這與文獻［4］所觀測到的結果一致。

　　5 基坑圍護結構變形性狀實測分析
　　5．1 第三施工區墻體水平位移變化規律
　　圖6和圖7分別為第三施工區北側106和南側118處墻體水平位移變化曲線，表2和表3分別為106處和118處墻體水平變形的特征值。需要說明的是，I06和I18分別位于第三施工區北、南側對稱處。從這些圖和表中，可以得出以下結論：(1)北側墻體水平變形最大值達到了28．46mm，而南側僅為5．16mm，前者為后者的5．5倍，比后者大23．3mm，這是由于南北側墻體所受側向荷載非對稱性，前文中已經述及，北側的土壓力較南側大得多，文獻[1]得到了類似的變形分布規律；（2）墻體水平變形主要發生在基坑開挖與支撐階段，結構回筑階段的變形較少，前者的變形占到總的變形量的76.59%，后者的僅占23.4%；（3）最大值隨著開挖深度的增大而不斷的下移，開挖至坑底后最大值基本上穩定在18～18.5m范圍內，在坑底面上2.3～2.8m，與一般的基坑變形在開挖面下2～3m的規律不同，這可能是由于坑底土質較硬并且經過加固后抵抗變形的能力大大強于坑上土體；（4）開挖階段的變形呈現出不均勻變化的規律，下五～下七層開挖階段墻體的變形較下四層以上的變形要大得多。

　　5.2　　第五施工區墻體水平位移變化規律
　　圖8和圖9分別為第五施工區北側I9和南側I15處墻體水平位移變化曲線，表4和表5分別為I9處和I15處墻體水平變形的特征值。需要說明的是，I9和I15分別位于第五施工區北、南側對稱處。從圖和表上可以看出，(1)北側墻體水平變形最大值為16．55ram，南側最大值為11．35mm，比北側小5．2mm，出現深度為地下17～18m處，在開挖面上2．8～3.8m，這與i以往觀測弼的最大值在開挖面下2～3 m左右的規律不同，這可能是因龍開挖面下土體強度本身已很高(⑤2、⑥、⑦層土，三層土的c，Φ值分別為l9kPa、19°，8kPa、31°，41kPa和22°)，并且經過回固，其抵抗變形的能力大大提高；　　　　?。?）開挖與支撐階段的變形占總體變形的80.3%～96.1%，尤其是下六層與下七層的開挖與支撐階段，變形占總體變形量的34￥左右，結構施工階段僅為4.9%～20%；（3）變形在底板澆筑后即趨于穩定，日均變化量已經小于0.1mm/d。

　6 結論
本文首先介紹了張楊路車站的施工技術方案，然后對監測數據進行了分析，得出了如下結論。
　(1)張楊路車站基坑墻體水平位移最大值為28．46mm(I06)處，分別小于地鐵基坑一級保護控制指標，即圍護墻最大水平位移≤0．14％H(32mm)；基坑南北側墻體水平變形相差很大，北側最大值比南側大5．2mm～23．3mm，這是由于張楊路車站兩側側向荷載的非對稱造成的。
　(2)在基坑開挖及結構回筑施工階段，北側墻外土壓力較南側土壓力大12．9～45·6kPa；在頂板澆筑完成并覆土后兩側土壓力趨于接近，兩者相差4．38～7．01 kPa。兩側土壓力在基坑內部分開挖后，土壓力基本上不變或略有減少，而在土方大規模開挖后，土壓力明顯減小，在結構回筑階段，土壓力不變或略有增大，當頂板上覆土后，兩側土壓力趨于一致。
通過對張楊路車站施工期間圍護結構變形與土壓力變化特性的分析，墻體變形與土壓力均呈現出非對稱的特征，這一特征主要是由于基坑圍護結構所受側向荷載的非對稱引起的；而且，墻體水平變形控制在所要求的指標內，保證了東方路車站的安全及正常運營，這充分說明了張楊路車站所采取的措施的合理性及有效性；同時，也為我國軌道交通建設中平行換乘樞紐車站積累了寶貴經驗。

　　參考文獻
1 S．Kazama．Behavior of a braced slructure for excavation under asymmetrical lateral load．Geotechnical Aspects of underground Construction in Soft ground．Kasakabe，Fujia ＆Mayazaki．2000 Balkema，Rotterdam.
2 Miyazaki，y．，S．Kazama，Y．Ishi ＆ J．Mmurala(1994)．Behavior of braced wall subjected to unequal lateral pressures. Proceedings of the international symposium on underground in soft ground：163～166．
3 上海市政工程管理局，《上海地鐵基坑工程施工規程》(Sz—08—2000).
4　楊國祥，李侃，趙锝宏，夸蓓．大型超深基境工程信息化施工研究．巖土工程學報，2003．25(4)：483～487.

文章出處：《城建集團第三屆科技大會論文集》