地下连续墙计算

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。

3.1 基坑内侧水平抗力标准值eajk
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。

（一）荷载
用作支护结构的地下连续墙，作用于其上的荷载主要是土压力、水压力和地面荷载引起的附加荷载。

若地下连续墙用作永久结构，还有上部结构传来的垂直力、水平力和弯矩等。

作用于地下连续墙主动侧的土压力值，与墙体刚度、支撑情况及加设方式、土方开挖方法等有关。

当地下连续墙的厚度较小，开挖土方后加设的支撑较少、较弱，其变形较大，主动侧的土压力可按朗肯土压力公式计算。

我国有关的设计单位曾对地下连续墙的土压力进行过原体观测，发现当位移与墙高的比值△／H达到1‰一8‰时，在墙的主动侧，其土压力值将基本上达到朗肯土压力公式计算的土压力值。

所以，当地下连续墙的变形较大时，用其计算主动土压力基本能反映实际情况。

对于刚度较大，且设有多层支撑或锚杆的地下连续墙，由于开挖后变形较小，其主动侧的土压力值往往更接近于静止土压力。

如日本的《建筑物基础结构设计规范》中既做如此规定。

至于地下连续墙被动侧的土压力就更加复杂。

由于产生被动土压力所需的位移(我国实测位移与墙高比值△／H需达到1％一5％才会达到被动土压力值)往往为设计和使用所不允许，即在正常使用情况下，基坑底面以下的被动区，地下连续墙不允许产生使静止土压力全部变为被动土压力的位移。

因而，地下连续墙被动侧的土压力也就小于被动土压力值。

目前，我国计算地下连续墙多采用竖向弹性地基梁(或板)的基床系数法，即把地下连续墙入土部分视作弹性地基梁，采用文克尔假定计算，基床系数沿深度变化。

（二）内力计算
作为支护结构的地下连续墙，其内力计算方法国内采用的有：弹性法、塑性法、弹塑性法、经验法和有限元法。

根据我国的情况，对设有支撑的地下连续墙，可采用竖向弹性地基梁(或板)的基床系数法(m法)和弹性线法。

应优先采用前者，对一般性工程或墙体刚度不大时，亦可采用弹性线法。

此外有限元法，亦可用于地下连续墙的内力计算。

用竖向弹性地基梁的基床系数法计算时，假定墙体顶部的水平力H、弯矩M及分布荷载q1和q2作用下，产生弹性弯曲变形，坑底面以下地基土产生弹性抗力，整个墙体绕坑底面以下某点O转动(图4-2-1)、在O点上下地基土的弹性抗力的方向相反。

图4-2-1 竖向弹性地基梁基床系数法计算简图
地下连续墙视为埋入地基土中的弹性杆件，假定其基床系数在坑底处为零，随深度成正比增加。

当α2h≤2.5时，假定墙体刚度为无限大，按刚性基础计算；当α2h＞2.5时，按弹性基础计算，其中变形系数
α2= (4-2-1)
式中 m——地基土的比例系数，有表可查，参阅有关地下连续墙设计与施工规程。

如流塑粘土，液性指数I L≥l，地面处最大位移达6mm 时，m＝300--500；
E——地下连续墙混凝土的弹性模量；
J——地下连续墙的截面惯性矩；
b——地下连续墙的计算宽度(一般取b＝1m)。

根据弹性梁的挠曲微分方程，可得坑底以下墙体的表达式为：
（4-2-2）
解上述微分方程，可得各截面处的弯矩和剪力。

如地下连续墙上有支撑或拉锚时，如图4-2-2所示。

则先根据支点处水平变形等于零，用力法求出支撑或拉锚的内力R a、R b、R c。

再将支撑(拉锚)内力R a、R b、R c作为集中荷载作用在墙上，然后用上述方法计算墙的内力和变形。

图4-2-2 有支撑（拉锚）的地下连续墙计算简图
如土方分层开挖并分层及时安设支撑，则需根据实际分层挖土情况，分别用上述方法对各个工况进行计算，其计算简图如图4-2-3所示。

如拆除支撑的方案已定，还需计算各拆撑工况的内力。

图4-2-3 分层挖土和安设支撑时的计算简图
（a）分层挖土和支撑安设图；（b）地下连续墙为悬臂墙；
（c）地下连续墙为单支撑的墙；（d）地下连续墙为两个支撑的墙
（三）沉降计算
作为支护结构使用的地下连续墙，一般不需进行沉降计算。

如果要计算，则可按下述方法进行。

地下连续墙的底端为承受荷载的作用面，假定该作用面内的荷载为均布。

在此均布荷载q作用下产生的土中应力的竖向分量，按下式计算：
(4-2-3)
式中σz——墙底端长方形荷载面角点下离荷载面深Z(m)处的竖向应力(kN／m2)；
m、n——墙底端长方形荷载面的两个边长与Z之比。

沉降量按下式计算：
s＝ (4-2-4)
式中s——沉降量(cm)；
z——荷载作用的深度(cm)；
e1——应力等于σ1z时土的孔隙比；
e2——应力等于σ 2z时土的孔隙比；
σ1z——用式(3—4)算得的地下连续墙修建前z处的有效应力(kN／m2)；
σ2z——用式(3—4)算得的地下连续墙修建后z处的有效应力(kN／m2)。

（四）构造处理
I混凝土强度及保护层
现浇钢筋混凝土地下连续墙，其设计混凝土强度等级不得低于C20，考虑到在泥浆中浇筑，施工时要求提高到不得低于C25。

水泥用量不得少于370kg／m3，水灰比不大于0.6，坍落度宜为180--210mm。

混凝土保护层厚度，根据结构的重要性、骨料粒径、施工条件及工程和水文地质条件而定。

根据现浇地下连续墙是在泥浆中浇筑混凝土的特点，对于正式结构其混凝土保护层厚度不应小于70mm，对于用作支护结构的临时结构，则不应小于40mm。

II接头设计
总的来说地下连续墙的接头分为两大类：施工接头和结构接头。

施工接头是浇筑地下连续墙时在墙的纵向连接两相邻单元墙段的接头；结构接头是已竣工的地下连续墙在水平向与其他构件(地下连续墙和内部结构，如梁、柱、墙、板等)相连接的接头。

1．施工接头(纵向接头)
确定槽段间接头的构造设计时应考虑以下因素：
（1）对下一单元槽段的成槽施工不会造成困难。

（2）不会造成混凝土从接头下端及侧面流入背面。

（3）能承受混凝土侧压力，不致严重变形。

（4）根据结构设计的要求，传递单元槽段之间的应力，并起到伸缩接头的作用。

（5）槽段较深需将接头管分段吊入时应装拆方便。

（6）在难以准确进行测定的泥浆中能够较准确的进行施工。

（7）造价低廉。

常用的施工接头有以下几种：
（1）接头管(亦称锁口管)接头。

这是当前地下连续墙施工应用最多的一种施工接头。

施工时，待一个单元槽段土方挖好后，于槽段端部用吊车放入接头管，然后吊放钢筋笼并浇筑混凝土，待浇筑的混凝土强度达到0.05--0.20MPa时(一般在混凝土浇筑后3—5h，视气温而定)，开始用吊车或液压顶升架提拔接头管，上拔速度应与混凝土浇筑速度、混凝土强度增长速度相适应，一般为2—4m／h，应在混凝土浇筑结束后8h以内将接头管全部拔出。

接头管直径一般比墙厚小50mm，可根据需要分段接长。

接头管拔出后，单元槽段的端部形成半圆形，继续施工即形成两相邻单元槽段的接头，它可以增强整体性和防水能力，其施工过程如图4-2-4所示。

此外，还有“注砂钢管接头工艺”等施工方法。

图4-2-4 接头管接头的施工顺序
（a）开挖槽段；（b）吊放接头管和钢筋笼；
（c）浇筑混凝土；（d）拔出接头管；（e）形成接头
1-导墙；2-已浇筑混凝土的单元槽段；3-开挖的槽段；4-未开挖的槽段；5-接头管；
6-钢筋笼；7-正浇筑混凝土的单元槽段；8-接头管拔出后的孔洞
（2）接头箱接头。

接头箱接头可以使地下连续墙形成整体接头，接头的刚度较好。

接头箱接头的施工方法与接头管接头相似，只是以接头箱代替接头管。

一个单元槽段挖土结束后，吊放接头箱，再吊放钢筋笼。

接头箱在浇筑混凝土的一面是开口的，所以钢筋笼端部的水平钢筋可插入接头箱内。

浇筑混凝土时，接头箱的开口面被焊在钢筋笼端部的钢板封住，因而浇筑的混凝土不能进入接头箱。

混凝土初凝后，与接头管一样逐步吊出接头箱，待后一个单元槽段再浇筑混凝土时，由于两相邻单元槽段的水平钢筋交错搭接，而形成整体接头，其施工过程如图4-2-5所示。

图4-2-5 接头箱接头的施工顺序
（a）插入接头箱；（b）吊放钢筋笼；（c）浇筑混凝土；（d）吊出接头管；（e）吊放后一槽段的钢筋笼；（f）浇筑后一槽段的混凝
土，形成整体接头
1-接头箱；2-接头管；3-焊在钢筋笼上的钢板
此外，图4-2-6所示用U形接头管与滑板式接头箱施工的钢板接头，是另一种整体式接头的做法。

这种整体式钢板接头是在两相邻单元槽段的交界处，利用U形接头管放入开有方孔且焊有封头钢板的接头钢板，以增强接头的整体性。

接头钢板上开有大量方孔，其目的是为增强接头钢板与混凝土之间的粘结。

滑板式接头箱的端部设有充气的锦纶塑料管，用来密封止浆，防止新浇筑混凝土浸透。

为了便于抽拔接头箱，在接头箱与封头钢板和U形接头管接触处皆设有聚四氟乙烯滑板。

图4-2-6 U形接头管与滑板式接头箱
（a）U形接头管；（b）滑板式接头箱；
1-接头钢板；2-封头钢板；3-滑板式接头箱；4-U形接头管；
5-聚四氟乙烯滑板；6-锦纶塑料管
施工这种钢板接头时，由于接头箱与U形接头管的长度皆为按设计确定的定值，不能任意接长，因此要求挖槽时严格控制槽底标高。

吊放U形接头管时，要紧贴半圆形槽壁，且其下部一直插到槽底，勿将其上部搁置在导墙上。

这种整体式钢板接头的施工过程如图4-2-7所示。

图4-2-7 U形接头管与滑板式接头的施工顺序
（a）单元槽段成槽；（b）吊放U形接头管；（c）吊放接头钢板和接头箱；
（d）吊放钢筋笼；（e）浇筑混凝土；（f）拔出接头箱；（g）拔出U形接头管
1-U形接头管；2-接头箱；3-接头钢板；4-封头钢板；5-钢筋笼
（3）隔板式接头。

隔板式接头按隔板的形状分为平隔板、榫形隔板和V形隔板(图4-2-8)。

由于隔板与槽壁之间难免有缝隙，为防止新浇筑的混凝土渗入，要在钢筋笼的两边铺贴维尼龙等化纤布。

化纤布可把单元槽段钢筋笼全部罩住，也可以只有2—3m宽。

要注意吊入钢筋笼时不要损坏化纤布。

图4-2-8隔板式接头
（a）平隔板；（b）榫形隔板；（c）V形隔板
1-正在施工槽段的钢筋笼；2-已浇筑混凝土槽段的钢筋笼；3-化纤布；
4-钢隔板；5-接头钢筋
带有接头钢筋的榫形隔板式接头，能使各单元墙段形成一个整体，是一种较好的接头方式。

但插人钢筋笼较困难，且接头处混凝土的流动亦受到阻碍，施工时要特别加以注意。

2．结构接头
地下连续墙与内部结构的楼板、柱、梁、底板等连接的结构接头，常用的有下列几种：
（1）预埋连接钢筋法。

预埋连续钢筋是应用最多的一种方法，它是在浇筑墙体混凝土之前，将加设的设计连接钢筋弯折后预埋在地下连续墙内，待内部土体开挖后露出墙体时，
凿开预埋连接钢筋处的墙面，将展出的预埋连接钢筋弯成设计形状，与后浇结构的受力钢筋连接(图4-2-9)。

为便于施工，预埋的连接钢筋的直径不宜大于22mm，且弯折时加热宜缓慢进行，以免连接筋的强度降低过多。

考虑到连接处往往是结构的薄弱处，设计时一般使连接筋有20％的富余。

（2）预埋连接钢板法。

这是一种钢筋间接连接的接头方式，在浇筑地下连续墙的混凝土之前，将预埋连接钢板放入并与钢筋笼固定。

浇筑混凝土后凿开墙面使预埋连接钢板外露，用焊接方式将后浇结构中的受力钢筋与预埋连接钢板焊接(图4-2-10)。

施工时要注意保证预埋连接钢板后面的混凝土饱满。

（3）预埋剪力连接件法。

剪力连接件的形式有多种，但以不妨碍浇筑混凝土、承压面大且形状简单的为好(图4-2-11)。

剪力连接件先预埋在地下连续墙内，然后弯折出来与后浇结构连接。

图4-2-9预埋连接钢筋法图4-2-10预埋连接钢板法图4-2-11 预埋剪力连接件法
1-预埋的连接钢筋；2-焊接法； 1-预埋的连接钢板；2-焊接法；1-预埋剪力连接件；2-地下连续墙；
3-地下连续墙；4-后浇结构中 3-地下连续墙；4-后浇结构中 3-后浇结构
受力钢筋；5-后浇结构受力钢筋；5-后浇结构。