賈永剛

(北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司 北京 100037)

合肥市軌道交通1號(hào)線一、二期工程起點(diǎn)為合肥站，終點(diǎn)為徽州大道站，全部為地下線，線路全長(zhǎng)約24.58 km，共設(shè)車站23座，其中換乘站6座，車站均采用明(蓋)挖法施工。1號(hào)線工程位于合肥市中心城區(qū)及濱湖新區(qū)，屬江淮波狀平原。根據(jù)勘察及區(qū)域地質(zhì)資料，將合肥市軌道交通1號(hào)線一、二期工程劃分為3個(gè)工程地質(zhì)單元。

工程地質(zhì)Ⅰ單元:合肥站—明光路站(不含)，本段線路地形較為平坦，地勢(shì)自北向南逐漸降低，地貌類型主要為南淝河一級(jí)階地和二級(jí)階地，該范圍共2站2區(qū)間。

工程地質(zhì)Ⅱ單元:明光路站—南一環(huán)站(不含)。本段線路地形略有起伏，總體地勢(shì)為自北向南逐漸升高，地貌類型主要為南淝河河床及河漫灘、南淝河一級(jí)階地，該范圍共3站3區(qū)間。

工程地質(zhì)Ⅲ單元:南一環(huán)站—終點(diǎn)。本線路地形有一定起伏，地勢(shì)自北向南呈波狀起伏，自然地面標(biāo)高約在11.55～29.70 m之間，地貌為南淝河二級(jí)階地，該范圍共18站17區(qū)間。

根據(jù)勘察報(bào)告顯示，南淝河一級(jí)階地和南淝河二級(jí)階地范圍內(nèi)的土層膨脹性較為明顯，對(duì)工程影響較大，據(jù)統(tǒng)計(jì)合肥市軌道交通1號(hào)線一、二期工程受膨脹土影響的范圍占全線的82%，因此對(duì)于合肥地區(qū)弱膨脹潛勢(shì)地層地鐵明挖車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究探討十分必要。

1 合肥地區(qū)膨脹土概況［1-2］

膨脹土是指具有較大的吸水后顯著膨脹、失水后顯著收縮特性的高液限黏土。1號(hào)線工程南淝河一級(jí)階地和南淝河二級(jí)階地范圍內(nèi)分布的黏土②層、黏土③、黏土④層均具有膨脹性，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮的變形性能，即使在荷重作用下仍能浸水膨脹，產(chǎn)生膨脹壓力，同時(shí)膨脹土還具有脹縮變形的可逆性，在吸水膨脹、失水收縮后，有再吸水膨脹、再失水收縮的特性，在反復(fù)膨脹收縮過(guò)程中，能夠產(chǎn)生較高的膨脹力。具體以葛大店站為例，如表1所示。

表1 膨脹性指標(biāo)

根據(jù)GBJ 112—87《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》中南淝河一級(jí)階地和南淝河二級(jí)階地范圍內(nèi)分布的黏土膨脹潛勢(shì)為弱膨脹潛勢(shì)，見(jiàn)表2。

表2 膨脹土的膨脹潛勢(shì)分類

2 明挖車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［2-7］

明挖車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作一般分為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩部分，下面針對(duì)此內(nèi)容分別結(jié)合合肥地區(qū)弱膨脹潛勢(shì)地層情況進(jìn)行分析。

2.1 明挖車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于膨脹土的脹縮特性，在明挖車站基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)其特性設(shè)計(jì)首先從“短開(kāi)挖、快封閉、強(qiáng)措施、防滲入、留基土”等構(gòu)造措施入手最大限度地減少膨脹土的危害。

“短開(kāi)挖”指基坑開(kāi)挖深度不宜過(guò)大，一般不超過(guò)2 m，方便樁間掛網(wǎng)噴砼的施作。

“快封閉”指隨挖隨對(duì)樁間暴露土體進(jìn)行掛網(wǎng)噴砼，保證土體的臨空面最短時(shí)間內(nèi)封閉，保證土體天然含水量的變化較小。

“強(qiáng)措施”指由于樁間土體有膨脹性，為保證樁間土體的穩(wěn)定，結(jié)合合肥地區(qū)基坑支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，采取樁間掛網(wǎng)噴砼中增加加強(qiáng)鋼筋的做法來(lái)處理。

“防滲入”指雨水、施工用水、管網(wǎng)漏水等水體不得流入基坑圍護(hù)樁與土的縫隙，地表水滲入后會(huì)造成膨脹土的天然含水量發(fā)生較大變化從而發(fā)生危害。

“留基土”指基坑挖土接近基底設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，宜在其上部預(yù)留150～300 mm土層，待下一工序開(kāi)始前人工挖除，并及時(shí)對(duì)基坑底進(jìn)行覆膜或墊層施工。

除上述構(gòu)造措施之外，對(duì)于地鐵基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要的首先是土壓力的選取與計(jì)算，而土壓力的大小關(guān)鍵取決于勘察報(bào)告提供的土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，根據(jù)勘察單位提供的勘察報(bào)告，具體以葛大店站為例，見(jiàn)表3。

表3 葛大店站巖土物理力學(xué)性質(zhì)綜合統(tǒng)計(jì)

由勘察單位提供的表3中可以看出，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中平均值與建議值，對(duì)于黏聚力指標(biāo)基本上是根據(jù)多年來(lái)合肥地區(qū)民用建筑基坑工程的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了0.52～0.67倍的折扣，對(duì)于內(nèi)摩擦角則是采取了0.8倍的折扣。設(shè)計(jì)取用的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是表3中的建議值。

明挖車站基坑設(shè)計(jì)主要原則是基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用以分項(xiàng)系數(shù)表示的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì);圍護(hù)結(jié)構(gòu)上作用土壓力及地面超載產(chǎn)生的側(cè)壓力，按朗肯主動(dòng)土壓力，黏土中水土合算;圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.25;對(duì)圍護(hù)樁(墻)的內(nèi)力設(shè)計(jì)值，按照地勘報(bào)告提供的土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值選取;以內(nèi)支撐為水平受壓為主的受力構(gòu)件，是基坑工程失穩(wěn)的首要關(guān)鍵，因此為保證基坑工程的整體穩(wěn)定，內(nèi)支撐穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)考慮3種工況進(jìn)行分析:1)不考慮膨脹力因素，土壓力按照上述土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值選取，最后取軸力設(shè)計(jì)值計(jì)算支撐穩(wěn)定;2)考慮膨脹力因素，膨脹力分項(xiàng)系數(shù)為1.0，此時(shí)對(duì)應(yīng)的土壓力荷載按照上述土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值選取，最后取軸力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算支撐穩(wěn)定;3)考慮膨脹力因素，膨脹力分項(xiàng)系數(shù)為1.0，土壓力按照土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值選取，最后取軸力設(shè)計(jì)值計(jì)算支撐穩(wěn)定。

膨脹力的取值按照支撐受荷面積內(nèi)土體的膨脹率，查膨脹率-壓力曲線(見(jiàn)圖1)求得。膨脹率按下式計(jì)算

式中:δ為膨脹率;x為支撐受荷面積內(nèi)圍護(hù)的平均變形值;h為膨脹土的大氣急劇影響深度，合肥地區(qū)為1500 mm。

圖1 膨脹率- 壓力曲線

2.2 明挖車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

明挖車站主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要原則是明挖車站主體結(jié)構(gòu)采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，以可靠度指標(biāo)度量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠度，采用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì);明挖車站主體結(jié)構(gòu)上作用水、土壓力，按靜止水、土壓力取值，水土分算;明挖車站主體結(jié)構(gòu)宜按底板支承在彈性地基上的結(jié)構(gòu)物計(jì)算，結(jié)構(gòu)宜簡(jiǎn)化為平面問(wèn)題進(jìn)行分析并計(jì)入立柱和樓板的壓縮變形、斜托的影響。

明挖車站主體結(jié)構(gòu)計(jì)算按照下述工況分析:一是正常使用極限狀態(tài)，此工況考慮永久荷載與基本可變荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合，其中土壓力按照土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值選取，此工況一般以裂縫寬度為主要控制指標(biāo);二是承載能力極限狀態(tài)，此工況一般以強(qiáng)度為主要控制指標(biāo)，此狀態(tài)可分為4種工況:1)考慮永久荷載與基本可變荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值，其中土壓力按照土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值選取，對(duì)于明挖車站主體結(jié)構(gòu)一般情況由永久荷載控制，永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)取1.35;2)考慮地震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的基本組合，其中重力荷載分項(xiàng)系數(shù)，一般取1.2，水平地震作用分項(xiàng)系數(shù)取1.3;3)考慮人防荷載和永久荷載效應(yīng)的基本組合，其中永久荷載分項(xiàng)系數(shù)，一般取1.2，人防荷載作用分項(xiàng)系數(shù)取1.0，此工況材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值需根據(jù)《人民防空工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定計(jì)算;4)考慮永久荷載與膨脹力荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值，其中土壓力按照土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值選取，對(duì)于明挖車站主體結(jié)構(gòu)一般情況由永久荷載控制，永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)取1.2，膨脹力荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0。

2.3 例題

合肥市軌道交通1號(hào)線一期工程葛大店站位于二環(huán)路與祁門路之間的包河大道路口，車站偏包河大道東側(cè)敷設(shè)。本站為地下2層島式車站，總長(zhǎng)為200 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度19.9 m，頂板覆土約3 m，底板埋深約16.5 m，基坑支護(hù)采用φ800@1300圍護(hù)樁支護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)段豎向3道支撐，1道換撐，本站鄰近高架橋橋基，因此首道支撐采用混凝土支撐。下面依據(jù)上述設(shè)計(jì)原則對(duì)該站的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和車站主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)分析。圖2地質(zhì)柱狀圖中②黏土、③黏土、④黏土均為合肥弱膨脹土層，具體膨脹性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖2 葛大店站標(biāo)準(zhǔn)斷面圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

2.3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Fspw6.0(理正)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)圍護(hù)樁的內(nèi)力設(shè)計(jì)值，按照地勘報(bào)告提供的建議值即考慮膨脹力影響折減后的土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算，計(jì)算過(guò)程與常規(guī)地層相同，在此不再贅述，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3、表4。下面重點(diǎn)介紹內(nèi)支撐軸力的設(shè)計(jì)分析。

理論上講，明挖基坑內(nèi)支撐的計(jì)算工況c更符合實(shí)際。工況a、b的計(jì)算結(jié)果較接近，比工況c的計(jì)算值分別大42.6%、34.3%，可以初步判定地勘報(bào)告對(duì)土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的折減偏安全。

圖3 各工況計(jì)算支撐軸力及圍護(hù)變形圖

表4 各工況支撐軸力計(jì)算對(duì)比

2.3.2 明挖車站主體結(jié)構(gòu)計(jì)算

明挖車站主體結(jié)構(gòu)按照上述荷載組合原則，按以下5種荷載組合對(duì)地鐵明挖主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算程序采用通用程序SAP84，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4、表5～表9。

圖4 葛大店站標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

式中，SGK為永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值;SQiK為可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值;Ek為地震荷載標(biāo)準(zhǔn)值;Rk為人防荷載標(biāo)準(zhǔn)值;Pk為膨脹力荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

表5 荷載組合1:永久荷載與基本可變荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合內(nèi)力設(shè)計(jì)值(裂縫計(jì)算)

表6 荷載組合2:永久荷載與基本可變荷載效應(yīng)組合內(nèi)力設(shè)計(jì)值(強(qiáng)度計(jì)算)

表7 荷載組合3:地震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的基本組合

表8 荷載組合4:人防荷載和永久荷載效應(yīng)的基本組合

表9 荷載組合5:永久荷載與膨脹力荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值

3 結(jié)論

通過(guò)表4的分析可知，對(duì)于明挖基坑內(nèi)支撐穩(wěn)定性計(jì)算，工況c的計(jì)算結(jié)果比工況a、b的計(jì)算值小很多，初步分析地勘報(bào)告中提供的土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值的折減偏安全。建議在后續(xù)工程施工取得大量監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上優(yōu)化對(duì)土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的折減系數(shù)。

通過(guò)表5～表9的分析可知，明挖車站主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋主要為裂縫驗(yàn)算工況控制，也有部分構(gòu)件配筋為其他工況控制，如樓板跨中為強(qiáng)度計(jì)算控制，側(cè)墻跨中為膨脹力工況控制，按上述5種工況進(jìn)行設(shè)計(jì)分析是十分必要的。

本文在撰寫過(guò)程中得到了北京城建設(shè)計(jì)研究總院胡顯鵬工程師、王金山助理工程師、胡玉超助理工程師的協(xié)助，在此表示感謝。

［1］GBJ 112—87膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，1989.

［2］GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［3］北京城建設(shè)計(jì)研究總院有限責(zé)任公司.合肥市軌道交通1號(hào)線葛大店站施工設(shè)計(jì)圖A版［G］，北京，2011.

［4］GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

［5］GB 50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

［6］北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司.合肥市軌道交通1號(hào)線一期工程葛大店站(車站主體部分)巖土工程勘察報(bào)告［R］，北京，2010.

［7］REJ 02—2009軌道交通工程人民防空設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.