地铁车站深基坑地下连续墙优化设计研究(精)

地铁车站深基坑地下连续墙优化设计研究
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
*
(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w li m =012mm 引起的,若将地下连续墙的最大裂缝宽度放宽至w lim =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
RESEARCH ON OPTIMIZATION DESIGN OF DIA PHRAGM WALL FOR METRO STATION
Wu Xiaojiang Liu Guobin Li Zhigao
(Department of Geotechnical Engineering,Tongji University Shanghai 200092)Lu Lishun
(Shanghai M aglev Transportation Developmen t Co.,Ltd Shanghai 201204)
Abstract :From the survey results of some excavations,it is found that the designs of diaphragm wall are conservative:both the stress of rei nfor cing steel and the moment of wall are less than the design value.Through analyzing the theory of diaphragm wall desi gn,it is found that the conservati ve desi gn is caused by the allowable width of structure crack w li m =012mm.It is analyzed i f the allowable width of structure crack i s broadened to w lim =013mm,the ratio of reinforcement will be decreased,at the same time,the safety of the ex cavati on is guaranteed and project investment will also be reduced.Keywords :deep excavation diaphragm wall bearing capacity allowable crack width
*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
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
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Ò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
53Industrial Cons truction Vol 135,No 111,2005
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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)。

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
X 实测弯矩最大值;p 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
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,纵向竖直主筋采用Ò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。

图2 B 车站基坑地下连续墙钢筋应力监测结果
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Ò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
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5建筑基坑支护技术规程6(JGJ 20-99)推荐的弹性支点法或者杆系有限元方法计算截面弯矩M s 和剪力V s ,再按照承载能力的极限状态确定地下连续墙弯矩M u 和剪力V u 的设计值:
M u =1125C 0M s (1a)V u =1125C 0V s
(1b)
式中,C 0为重要性系数,一般按照5混凝土结构设计规范6
(GB 50010-2002)选取为019、110或111。

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0(GB 50010-2002),地下连续墙的裂缝控制等级为三级,最大裂缝宽度限制为w li m =012mm 。

由式(1a),地下连续墙的M s P M u 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Q 在0%~310%时,M s P M u 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w lim =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
计中,可将地下连续墙的最大允许裂缝宽度放宽至w lim =013mm 。

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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-M s013P M u ;2-M s012P M u
M s012表示按照w lim =012mm 地下连续墙在正常使用极限状态下允许最大的弯矩,M s013类似
图4 Q -M s P M u 对应关系
3 经济效益分析311 经济效益比较
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,600m m 厚墙体的最大配筋率Q max =211%,800mm 厚的Q m ax =116%,1000mm 厚的为Q m ax =1125%,因此当地下连续墙的最大裂缝允许宽度放宽至w li m =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Ò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w lim =013mm 标准控制裂缝设计比按w lim =012mm 设计最低可以节约钢筋15%以上。

如图5
所示。

截面尺寸1000mm @600mm,钢筋直径d =30mm,c =50mm
图5 (Q 012-Q 013)P Q 012-M s 关系
另外,当地下连续墙的允许裂缝宽度控制标准由w lim =
012m m 放宽至w lim =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
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w lim =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w lim =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
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
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#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(GB P T 700-1988)、优质碳素结构钢(GB P T 699-1999)、低合金高强度结构钢(GB P T 1591-1994)、高耐候结构钢(GB P T 4171-2000)、焊接结构用耐候钢(GB P T 4172-2000)、耐热钢板(GB P T 4238-1992)、热轧等边角钢(GB P T 9787-1988)、热轧不等边角钢(GB P T 9788-1988)、热轧工字钢(GB P T 706-1988)、热轧槽钢(GB P T 707-1988)、热轧H 型钢和部分T 型钢(GB P T 11263-1998)、焊接H 型钢(YB 3001-1992)、结构用高频焊接薄壁H 型钢(JG P T 137-2001)、冷弯型钢技术条件(GB P T 6725-1992)、结构用冷弯空心型钢(GB P T 6728-1986)、通用冷弯开口型钢(GB P T 6723-1986)、热轧钢板和钢带(GB P T 709-1988)、碳素结构钢和低合金结构钢热轧钢带(GB P T 3524-1992)、碳素结构钢和低合金结构钢热轧薄钢板和钢带(GB P T 912-1989)、碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带(GB P T 3274-1988)、冷轧钢板和钢带(GB P T 708-1988)、碳素结构钢冷轧钢带(GB P T 716-1991)、厚度方向性能钢板(GB P T 5313-1985)、连续热镀锌薄钢板和钢带(GB P T 2518-1988)、彩色涂层钢板及钢带(GB P T 12754-1991)、建筑用压型钢板(12755-1991)、冷弯波纹钢板(GB P T 6724-1986)、焊接钢管用钢带(GB P T 8165-1997)、结构用无缝钢板(GB P T 8162-1999)、钢结构防火涂料应用技术规程(CECS 24B 90)、室内钢结构防火涂料通用技术条件(GB P T 14907-1994)。

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地铁车站深基坑地下连续墙优化设计研究)))吴小将,等。