李吉勇李耀良羅云峰張哲彬

1. 上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200433；2. 上海市地下工程施工泥漿專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺(tái) 上海 200433

隨著城市地上空間日益稀缺，地下空間的開發(fā)快速發(fā)展，基坑朝更深、更大方向發(fā)展已成必然趨勢(shì)。在鬧市區(qū)，深基坑受到周圍建筑、道路交通、地下管線等環(huán)境的影響也越來越復(fù)雜。目前，國內(nèi)的基坑常規(guī)支護(hù)工藝受施工場(chǎng)地和施工速度等因素的限制，與城市交通及周邊環(huán)境的沖突日趨嚴(yán)重。

為此，研發(fā)了一種占地小、施工快速方便的圍護(hù)體系——水泥土地下連續(xù)鋼墻，滿足了目前地下空間的發(fā)展需求。相對(duì)于傳統(tǒng)地下連續(xù)墻，水泥土地下連續(xù)鋼墻采用水泥漿替代混凝土，同時(shí)采用預(yù)制型鋼作為勁性骨架，較原地下連續(xù)墻中的鋼筋施工，占地小、安裝方便、工期短、對(duì)周邊環(huán)境影響小，造價(jià)相對(duì)較低，將大大改善傳統(tǒng)地下連續(xù)墻工法在城市工程建設(shè)中的用地和環(huán)境影響問題，也為城市復(fù)雜區(qū)域的基坑開挖工程提供一種新的支護(hù)方案。

在地下環(huán)境影響方面，地下連續(xù)墻集擋土及止水功能為一體，是目前深基坑主要的圍護(hù)形式。為保證基坑的各項(xiàng)穩(wěn)定性，作為板式支護(hù)體系，地下連續(xù)墻的插入比通?？刂圃?.9～1.2。

目前，基坑開挖深度越來越深，30～60 m及60 m以上的超深基坑也逐步增多。按照常規(guī)插入比設(shè)置，地下連續(xù)墻圍護(hù)深度將達(dá)60～120 m，而坑底以下圍護(hù)通常僅僅是考慮開挖階段地下止水及基坑穩(wěn)定性要求，所受內(nèi)力較小，通常為構(gòu)造配筋（圖1）。而當(dāng)基坑內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工完成后，坑底以下的鋼筋混凝土地下連續(xù)墻圍護(hù)由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、止水性能高，將大大影響地下水系環(huán)境，同時(shí)也將成為后續(xù)地下空間開發(fā)的障礙物。

圖1 地下連續(xù)墻圍護(hù)剖面示意

水泥土地下連續(xù)鋼墻作為一種復(fù)合體材料圍護(hù)，在豎向斷面可進(jìn)行適應(yīng)性地分段加勁設(shè)計(jì)，在開挖段及坑底附近圍護(hù)內(nèi)力較大區(qū)域采用等厚水泥土墻內(nèi)插鎖扣型鋼，對(duì)坑底以下內(nèi)力較小區(qū)域及隔水需求段僅設(shè)置等厚水泥土墻（圖2）。

圖2 等厚水泥土連續(xù)鋼墻圍護(hù)剖面示意

型鋼按需設(shè)置大大減小了用鋼量。等厚水泥土作為一種水泥系加固體，其強(qiáng)度及耐久性遠(yuǎn)小于地下連續(xù)墻，在基坑施工周期完成后，加筋體以下水泥土墻不會(huì)成為后續(xù)地下空間開發(fā)的障礙，同時(shí)對(duì)地下水系環(huán)境影響小。

在施工條件方面，地下連續(xù)墻施工由于需要考慮鋼筋籠吊裝，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)凈空（通常H＞20 m）和吊機(jī)平面尺寸都有較大的要求，大質(zhì)量吊裝會(huì)帶來施工風(fēng)險(xiǎn)的增加。目前，常規(guī)地下連續(xù)墻在復(fù)雜環(huán)境條件下的適用性越來越受到限制。

水泥土地下連續(xù)鋼墻勁性骨架可采用標(biāo)準(zhǔn)的鎖扣型鋼，型鋼節(jié)段質(zhì)量輕，且可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)高度按需定制標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度，最小節(jié)段長(zhǎng)度可為4 m，滿足低凈空條件下施工要求，標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)段安裝速度快、安全性高。

在經(jīng)濟(jì)性方面，水泥土連續(xù)鋼墻所使用的水泥較常規(guī)地下連續(xù)墻中混凝土的造價(jià)低，勁性材料標(biāo)準(zhǔn)鎖扣型鋼截面用鋼量與常規(guī)地下連續(xù)墻基本相同，但插入的鎖扣型鋼可豎向按需設(shè)置，圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，型鋼還可拔除循環(huán)利用?？傮w造價(jià)較常規(guī)地下連續(xù)墻大幅降低。

作為一種新的圍護(hù)工藝，國內(nèi)目前關(guān)于水泥土地下連續(xù)鋼墻的研究，無論在理論設(shè)計(jì)方面還是現(xiàn)場(chǎng)施工方面都尚屬空白。

國內(nèi)外、各地區(qū)的地質(zhì)條件及基坑周邊環(huán)境的復(fù)雜性差異較大，如何合理精確地計(jì)算出水泥土地下連續(xù)鋼墻圍護(hù)施工過程中的位移和內(nèi)力，以此擬定合理的圍護(hù)尺寸、型鋼規(guī)格及連接方法，并精確評(píng)價(jià)工程對(duì)周邊環(huán)境的影響，是需要解決的首要問題。

1 等厚水泥土地下連續(xù)鋼墻設(shè)計(jì)及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

1.1設(shè)計(jì)構(gòu)造

常規(guī)型鋼水泥土攪拌墻（SMW工法）往往受水泥土間的抗剪薄弱截面限制，基坑開挖深度通?？刂圃?2 m以內(nèi)。為保證大深度的基坑開挖及受力要求，等厚水泥土地下連續(xù)鋼墻采用了等厚度截面，此結(jié)構(gòu)形式的有效止水面積大，內(nèi)插鎖扣型鋼，保證了勁性材料的平面連續(xù)性，避免了SMW工法水泥土間薄弱面的影響，增大了該工藝圍護(hù)的基坑開挖深度。針對(duì)大深度基坑，等厚水泥土地下連續(xù)墻厚度可設(shè)置為900～1 200 mm，內(nèi)插對(duì)應(yīng)高度的鎖扣型鋼。

結(jié)合地下工程基坑尺寸，地下水泥土連續(xù)鋼墻的平面布置形式主要為一字形，標(biāo)準(zhǔn)開挖槽段長(zhǎng)為2.8 m，標(biāo)準(zhǔn)圍護(hù)平面如圖3所示。

圖3 等厚水泥土鋼墻標(biāo)準(zhǔn)一字形圍護(hù)

1.2水泥土地下連續(xù)鋼墻鎖扣連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

為保證水泥土地下連續(xù)鋼墻勁性材料的連續(xù)性，鎖扣連接設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。鎖扣連接設(shè)計(jì)需充分考慮圍護(hù)鎖扣止水、型鋼插入、型鋼索力連接約束等因素。通常連續(xù)型鋼接頭由C形鎖扣和T形接頭構(gòu)成。咬合接頭的標(biāo)準(zhǔn)配置是沿著鎖扣型鋼的構(gòu)件軸向間斷布置。

鎖扣約束越強(qiáng)，自由度越小，鎖扣止水效果越好，連接效果也更好，但現(xiàn)場(chǎng)施工就越困難。反之，鎖扣止水效果和連接強(qiáng)度就較弱。為此，綜合比選分析日本NS-BOX相關(guān)工程案例設(shè)計(jì)，以900 mm×700 mm×16 mm×28 mm的H型鋼為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)采用開口圓插入T形雌雄鎖扣連接的形式。雌口為外徑130 mm、內(nèi)徑106 mm、壁厚12 mm的C形鎖扣，雄頭為高76 mm、厚28 mm的T形插頭，如圖4所示。

圖4 型鋼與型鋼間的鎖扣形式

1.3水泥土地下連續(xù)鋼墻豎向連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

水泥土地下連續(xù)鋼墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，隨著基坑開挖工況不同，其豎向受力是不斷變化的。為確保圍護(hù)的強(qiáng)度和安全，對(duì)于型鋼對(duì)接連接，按等強(qiáng)連接設(shè)計(jì)。以900 mm×700 mm×16 mm×28 mm鎖扣連續(xù)H型鋼豎向連接為例，對(duì)其豎向連接進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。H型鋼等強(qiáng)連接時(shí)，翼板拉應(yīng)力以截面抗彎承載控制，腹板以截面主要承擔(dān)剪力進(jìn)行節(jié)點(diǎn)螺栓設(shè)計(jì)。

通過等強(qiáng)連接設(shè)計(jì)驗(yàn)算，900 mm×700 mm×16 mm×28 mm鎖扣H型鋼豎向連接時(shí)，翼板連接螺栓采用（4×5）×2×2個(gè)M30-8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓，腹板連接螺栓采用（3×6）×2個(gè)M30-8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓，如圖5所示。

圖5 鎖扣型鋼豎向高強(qiáng)螺栓連接設(shè)計(jì)

2 等厚水泥土地下連續(xù)鋼墻承載特性分析研究

等厚水泥土地下連續(xù)鋼墻由鎖扣型鋼勁性骨架和水泥土共同組成，圍護(hù)體主要承受受彎荷載。對(duì)兩種材料的荷載承擔(dān)比采用理論和數(shù)值分析。

根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，材料的抗彎剛度K與其截面的慣性矩I成正比，即K＝EI＝EsIs＋EcIc，其中E為彈性模量，下標(biāo)中的s代表型鋼、c代表水泥。

本次進(jìn)行截面特性分析采用的是900 mm×700 mm×16 mm×28 mm的H型鋼，其截面特性為：高h(yuǎn)＝900 mm，寬b＝700 mm，翼緣厚t＝28 mm，腹板厚tw＝16 mm，截面積A＝527.040 cm2，x方向慣性矩Ix=825 594.0 cm4，Iy＝160 095.4 cm4。

對(duì)于水泥土，選取其900 mm×700 mm矩形截面，忽略其中型鋼截面所占區(qū)域的影響，則其慣性矩為4 252 500 cm4。經(jīng)計(jì)算，2種材料的抗彎剛度比為160。

在進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，采用與上述同樣的截面材料。以上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線浦東機(jī)場(chǎng)三期配套工程浦東機(jī)場(chǎng)站為例，對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)段基坑圍護(hù)斷面采用三維“m”法[2]建立實(shí)體單元進(jìn)行分析，選取單幅槽段寬度，鎖扣型鋼插入48 m，豎向設(shè)置5道支撐，基坑開挖深度20 m。

在組合荷載作用下，由水泥土連續(xù)鎖扣型鋼應(yīng)力云圖可知，墻體主要支撐骨架為連續(xù)鎖扣型鋼，鎖扣型鋼在荷載作用下的最大應(yīng)力為81 MPa。土體受力最大位置為型鋼翼板鎖扣連接區(qū)域的中間薄弱位置，該處水泥土錯(cuò)動(dòng)剪應(yīng)力為0.3 MPa。型鋼和水泥土的位移和內(nèi)力沿深度方向的變化如圖6、圖7所示。

圖6 鎖扣型鋼與水泥土位移對(duì)比

圖7 鎖扣型鋼與水泥土彎矩對(duì)比

綜合上述理論分析與數(shù)值分析結(jié)果，等厚水泥土地下連續(xù)鋼墻作為鎖扣型鋼勁性骨架與水泥土的組合截面，變形協(xié)調(diào)較好，其抗彎剛度是傳統(tǒng)水泥土地下連續(xù)墻的160倍。結(jié)合結(jié)構(gòu)荷載作用下的變形協(xié)調(diào)理論，水泥土地下連續(xù)鋼墻承擔(dān)的荷載作用也是傳統(tǒng)水泥土地下連續(xù)墻的160倍。

因此，從剛度分配理論分析，等厚水泥土地下連續(xù)鋼墻的主要受力構(gòu)件是內(nèi)插勁性骨架，從設(shè)計(jì)安全性考慮，建議可只考慮鎖扣型鋼的作用，將水泥土視為不承受荷載而只考慮其止水作用。連續(xù)鎖扣型鋼兩端翼緣端部間的型鋼和水泥土交界面處剪應(yīng)力較明顯，為最弱剪切面[3]。

3 水泥土地下連續(xù)鋼墻鎖扣剛度特性分析研究

通過上述分析可知，水泥土地下連續(xù)鋼墻主要承受荷載的結(jié)構(gòu)為內(nèi)插的鎖扣型鋼。對(duì)于連續(xù)鎖扣型鋼，其鎖扣連接是薄弱環(huán)節(jié)，如何合理地考慮和計(jì)算型鋼連續(xù)鎖扣間的受力與約束作用，既是關(guān)鍵也是難點(diǎn)。

連續(xù)鎖扣型鋼鎖扣連接約束主要是由于兩種型材鎖扣之間的接觸摩擦，接觸連接剛度的大小對(duì)鎖扣型鋼間的傳力及荷載分配影響很大。合理的鎖扣約束及剛度模擬對(duì)型鋼結(jié)構(gòu)受力影響很大。為此，通過有限元模擬考慮鎖扣之間摩擦的影響，確定合理的鎖扣間摩擦剛度取值。

3.1鎖扣剛度模擬分析

采用Midas有限元分析軟件，模擬鎖扣連續(xù)型鋼在同一荷載作用下，不同鎖扣間的摩擦剛度對(duì)連續(xù)鋼墻內(nèi)力變化的影響。

結(jié)合C-T鎖扣連接現(xiàn)場(chǎng)限位狀態(tài)，采用“三點(diǎn)兩向約束”的彈性連接模擬連接摩擦效應(yīng)（圖8），取彈簧剛度為10 000、50 000、100 000 kN/m，以及釋放板單元約束的鉸接等4種情況。考慮在板的一側(cè)施加均布荷載模擬土壓力，本次按200 kPa考慮。通過鎖扣連接摩擦的不同剛度模擬計(jì)算分析（圖9），得出鎖扣連接50 000 kN/m剛度約束下的鋼墻應(yīng)力、位移分別為68.1 MPa和9.4 mm。

圖8 鎖扣連接三點(diǎn)兩向摩擦彈簧剛度連接示意

圖9 不同摩擦剛度下的強(qiáng)度及位移

由不同彈簧剛度下鎖扣型鋼細(xì)部應(yīng)力及位移變化可知，隨著剛度的增大，鎖扣連接處的應(yīng)力和變形數(shù)值逐漸減小，變化量越來越小。當(dāng)二者完全處于剛性連接時(shí)，鎖扣間的連接會(huì)共同作用，二者位移量相同。以50 000 kN/m剛度模擬鎖扣連接約束的偏差較小，因此以該剛度模擬鎖扣連接作用較為合理。

3.2鎖扣連接極限壓力荷載確定

在合理的鎖扣連接剛度約束作用下，分級(jí)逐步加載以模擬確定鎖扣約束的極限承載壓力。鎖扣型鋼間的彈簧剛度系數(shù)取50 000 kN/m，分級(jí)加載100、200、300 kPa壓力進(jìn)行試算，得出對(duì)應(yīng)的鎖扣型鋼應(yīng)力、位移變化（圖10）。

圖10 不同荷載作用下強(qiáng)度及位移

通過多級(jí)加載計(jì)算可知，隨著荷載的增大，截面應(yīng)力及變形同樣增大，當(dāng)壓力荷載達(dá)300 kPa時(shí)，應(yīng)力增量出現(xiàn)了離散的特點(diǎn)。為控制鎖扣連接效應(yīng)，建議連續(xù)鋼墻圍護(hù)壓力控制在300 kPa，對(duì)應(yīng)基坑開挖深度在25 m左右。

4 工程案例驗(yàn)算

上海機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線浦東機(jī)場(chǎng)三期配套工程浦東機(jī)場(chǎng)站的標(biāo)準(zhǔn)段基坑設(shè)計(jì)深度23.088 m，基坑安全等級(jí)為一級(jí)。本工程原圍護(hù)豎向共6道支撐，第1、第5道為混凝土支撐，第2～4道為φ800 mm鋼支撐。地下連續(xù)墻厚1 m，地下連續(xù)墻配筋段長(zhǎng)48 m，素混凝土段長(zhǎng)17 m，總長(zhǎng)65 m。受機(jī)場(chǎng)連廊凈空影響，擬將影響區(qū)域地下連續(xù)墻圍護(hù)調(diào)整為水泥土地下連續(xù)鋼墻。

結(jié)合浦東機(jī)場(chǎng)站基坑開挖深度及目前銑削深層攪拌技術(shù)（cutter soil mixing，CSM）施工等厚度地下連續(xù)墻的常規(guī)厚度及型鋼結(jié)構(gòu)尺寸，采用厚1 200 mm水泥土墻內(nèi)插900 mm×700 mm×16 mm×28 mm鎖扣H型鋼形式，型鋼長(zhǎng)度48 m（4節(jié)×12 m）。內(nèi)支撐豎向和水平布置方式不變。土層參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)

相繼采用極限平衡法對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開挖過程中的受力變形進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖11、圖12所示。

圖11 厚1 m地下連續(xù)墻圍護(hù)內(nèi)力變形包絡(luò)圖

圖12 厚1 200 mm等厚水泥土內(nèi)插H900型鋼圍護(hù)內(nèi)力變形包絡(luò)圖

通過2種圍護(hù)基坑剖面計(jì)算可知，在抗彎剛度上，H900 mm×700 mm× 16 mm×28 mm連續(xù)鋼墻是厚1 m地下連續(xù)墻抗彎剛度的0.76倍，在相同插入比設(shè)計(jì)下，兩者的整體穩(wěn)定和抗傾覆性相同，最大變形也相差不多，連續(xù)鎖扣型鋼為42.8 mm，地下連續(xù)墻圍護(hù)為39.3 mm，相差2.5 mm。

采用型鋼結(jié)構(gòu)材料的最大強(qiáng)度應(yīng)力為114 MPa＜205 MPa，圍護(hù)強(qiáng)度有一定的安全儲(chǔ)備及變形延展性，說明等厚水泥土連續(xù)鋼墻圍護(hù)具有理論可實(shí)施性。

5 結(jié)語

本文結(jié)合地下空間發(fā)展，對(duì)新型的水泥土地下連續(xù)鋼墻設(shè)計(jì)及理論分析進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容如下：

1）從施工條件、地下環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)造價(jià)等方面，系統(tǒng)分析了水泥土地下連續(xù)鋼墻的適用性及應(yīng)用需求。

2）綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工、止水連接及受力特性，探討了連續(xù)鋼墻鎖扣型鋼的鎖扣連接及豎向?qū)舆B接等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的尺寸設(shè)計(jì)。

3）采用三維“m”法實(shí)體組合材料建模分析，實(shí)現(xiàn)了水泥土地下連續(xù)鋼墻精確的整體變形受力狀態(tài)分析。針對(duì)型鋼鎖扣連接，首次采用“三點(diǎn)兩向約束”的彈性連接支座進(jìn)行模擬，并進(jìn)行合理的剛度模擬，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)鎖扣型鋼局部受力及變形特性的精確分析。

4）本文主要以勁性骨架主要承載狀態(tài)體系對(duì)水泥土地下連續(xù)鋼墻進(jìn)行受力分析。當(dāng)基坑深度較大，鎖扣變形較大而引起水泥土錯(cuò)動(dòng)時(shí)，將會(huì)影響圍護(hù)體系的止水效果。后續(xù)將進(jìn)一步針對(duì)水泥土地下連續(xù)鋼墻在水泥土大變形下的止水性能進(jìn)行分析。