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浅析地铁工程中地下连续墙围护结构的计算
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[摘 要] 概述了沈阳市地铁二号线五里河站的施工方案, 同时介绍了其主体围护结构方案的确定和地下连续墙围护结构的计算方法。（参考《建筑中文网》）
[关键词] 明挖法; 地下连续墙围护结构; 圆弧滑动简单条分法
随着我国城市交通建设的不断发展, 地铁已成为大中城市中缓解城市交通阻塞的最有效的交通运输工具之一。目前已有越来越多的城市在修建地铁工程。地铁建设中, 其施工方法和设计方案确定的合理与否, 将直接影响到工程建设的可行性和其总投资。在条件允许的情况下, 地铁施工时, 明挖法是最经济、安全和适用的方法。它投资小, 施工速度快, 场地宽敞, 便于施工。但由于城市建筑密集, 地貌复杂, 施工厂地受到限制, 因而明挖法施工的可操作性也受到一定限制。
1 五里河站明挖施工方法的确定
明挖法即为采用围护结构做围挡,主体结构为露天作业的一种施工方法。该方法能较好地利用地下空间, 紧凑合理, 管理方便。同时具有施工作业面宽, 方法简单, 施工安全, 技术成熟, 工程进度周期短, 工程质量易于保证及工程造价低等优点。沈阳市地铁二号线五里河站位于南二环路与青年大街交叉南侧, 青年大街东侧的绿地内, 为浑河北岸约 200 米远处。地面以上车站周围现状为绿地和商业区待用地。地面以下有通信电缆管线。但埋深较浅, 对车站埋深不起控制作用, 因施工厂地开阔, 可采用明挖法施工方案。
明挖法施工方案工序分为四个步骤进行: 先进行维护结构施工, 内部土方开挖, 工程结构施工, 恢复管线和覆土。从施工步骤的内容上看: 围护结构部分是地铁站实施的第一个步骤, 它在工程建设中起着至关重要的作用, 其方案确定的合理与否将直接影响到明挖法施工的成败, 因此根据不同现场情况和其地质条件来选定与之相适用的围护结构方案, 这样才能确保地铁工程安全, 经济有序的进行。
2 主体围护结构方案的确定
地铁工程中常用的围护结构有: 排桩围护结构, 地下连续墙围护结构和土钉围护结构。当基坑较线 5 米以内及侧压力较小时,一般不设置水平支撑构件。当基坑较深时, 在围护结构坑内侧就需要设置多层多道水平支撑构件, 其目的是为了降低围护结构的水平变位。
排桩围护结构是以某种桩型按队列式布置组成的基坑支护结构。排桩围护结构特点是整体性差, 但施工方便, 投资小, 工程造价低。它适用于边坡稳定性好, 变形小及地下水位较低的地质条件。由于其防水防渗性能差,地铁工程采用排桩围护结构时, 一般采用坑外降水的方法来降地下水, 其排水费用较大。
地下连续墙结构: 是用机械施工方法成槽浇灌, 钢筋混凝土形成的地下墙体, 其墙厚应根据基坑深度和侧土压力的大小来确定, 常用为 800￣1200mm 厚。其特点是: 整体性好, 刚度大, 对周围建筑结构的安全性影响小, 防水抗渗性能良好。它不仅适用于软弱流动性能较大的土质, 同时还适于多种不同情况的地质条件, 但其造价高, 投资大。由于其结构的防水防渗性能好, 采用此结构做围护结构时, 一般用坑内降水法降地下水, 其降水费用相对低。
土钉墙结构: 是在基坑开挖过程中, 将土钉置入原状土体中, 并在支护面上喷射钢筋混凝土面层, 通过土钉、土体和喷射的混凝土面层的共同作用形成的结构。这种结构适用于浅基坑地下水位以上或经过人工降水后的粘性土、粉土、杂填土及非松散砂土和卵石土等。其结构特点是提高土体的整体稳定性, 边开挖边支护, 不占用独立工期, 施工安全快捷。设备简单, 操作方便, 造价低。
五里河站由于其施工场地开阔, 地下土质以砂层为主, 其土质稳定性好, 变形小, 但此站距离浑河近地下水位高, 如果采用排桩围护结构坑外降水方案降水量过大, 降水费用太高, 且该站地铁的标准段基坑深度为 32.45m, 基坑较深。故采用防水性能较好的地下连续墙围护结构较排桩结构而言能更安全合理, 降水方式为坑内降水。由于车站基坑较深, 其坑上围护墙上设置了六道水平支撑杆件, 以防边坡侧壁位移过大, 影响主体结构的正常施工。基坑情况见图一。
3 地下连续墙围护结构的计算
在地铁工程中, 地下连续墙结构的设计是依据 《建筑基坑支护技术规程》JGJ120- 99 国家规范来进行的。它不仅要对支护结构进行土体稳定性和墙底抗渗透稳定性验算, 基坑底突涌稳定性验算, 墙身的受压、受弯、受剪承载力验算, 支撑构件的承载力和其稳定性验算, 同时还要进行地下水位的控制计算。并应结合沈阳市的具体情况来进行。在满足规范计算的同时首先应确定墙身嵌固于基坑下的埋置深度。其次再确定墙身断面及配筋, 由于五里河站围护结构为受多层水平支撑的结构。计算方法依据《建筑基坑支撑支护结构技术规程》中单质点稳定计算法和圆弧滑动简单条分法设计的。由于其方法计算繁琐, 为此采用了同济启明星软件来完成的计算。此方法的基本原理为连续墙受多层水平支撑作用处于不同工况的情况下, 墙身所围护的边坡土体应处于稳定状态时墙身嵌固于土内的最大深度值。本地铁工程项目中施工工序共有 22 种工况形式。
五里河站工程概况: 标准断面基坑开挖深度h=23.45m, 基坑宽度 20.8m, 采用厚度为 800mm 的地下连续墙围护结构, 墙长度为 41.3m, 墙顶标高为 0m。计算时考虑地面超载 20kPa。φik 内摩擦角标准值为 30。
计算时取一米墙宽为计算单元, 下面为墙身嵌固深度的计算。
依据《建筑基坑支护技术规程》第 3.4.1 条款进行计算
3.2 基坑内侧水平抗力标准值 epjk
依据《建筑基坑支护技术规程》第 3.5.1 条款进行计算
3.3 整体稳定性验算
依据《建筑基坑支护技术规程》第 4.1.1 条款进行的计算, 见下图 2
单层支点支护结构稳定性验算公式为:
hp∑Epj Tc1(hT1 hd)- 1.2γ0ha∑Eai≥0
式中∑Epj——墙以上基坑内侧各土层水平抗力标准值 epjk 的合力之和;
hp——合力∑Epj 作用点至墙底的距离;
Tc1——支点力;
hT1——支点至基坑底面的距离;
hd——嵌固深度;
∑Eai——墙以上基坑外侧各土层水平抗力标准值 eaik 的合力之和;
ha——合力∑Eai 作用点至墙底的距离。
多层支点支护结构稳定性验算见图三:
∑cikli ∑(qobi ωi)cosθitgφik- γk∑(qobi ωi)sinθi≥0
式中 cik、φik——最危险滑动面上第 i 土条滑动面上土层的固结不排水(快)剪粘聚力、内摩擦角标准值;
li——第 i 土条的弧长;
bi——第 i 土条的宽度;
γk——整体稳定分项系数, 应根据经验确定,当无经验时可取 1.3;
ωi——作用于滑裂面上第 i 土条的重量, 本工程按 20kpa 土重计算;
θi——第 i 土条弧线中点切线与水平线夹角;
q0——地面荷载标准值;
R——土体破坏时的破裂面半径。
3.4 结构支点内力计算: 依据《建筑基坑支护技术规程》第 4.2.3 条款进行计算
3.5 墙身截面强度计算: 应符合《混凝土结构设计规范》的有关规定进行设计
通过计算并结合沈阳地区的具体情况确定五里河站围护结构的墙身的嵌固深度为 17.85M。墙身的截面及配筋依据 《混凝土结构设计规范》GB50010- 2002 及墙身的受载状态确定。五里河站主体围护墙总高为41.35m,坑开挖深度23.45m, 嵌入土内深度为 17.85m, 墙壁厚 800mm的连续墙围护结构, 计算时考虑地面超载 20kPa。
4 结束语
本文阐述了沈阳市地铁二号线五里河站主体围护结构方案的确定和其计算方法。目前地铁工程地下连续墙围护结构设计通常都采用此方法进行计算, 许多工程项目都已竣工并投入了使用, 阐述此文的目的希望能与从事相关工程设计的工程技术人员一起学习, 共同提高工程设计的技术水平, 把地铁建设做得更好。
[参考文献]
1.地铁工程设计与施工新技术实用全书. 银声音像出版。
2.规范《建筑基坑支护技术规程》JGJ 120- 99, 1999.
3.规范《混凝土结构设计规范》GB50010- 2002.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200808/8906.htm
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