長(zhǎng)大過(guò)站井側(cè)壁服役關(guān)鍵階段內(nèi)力分析

王印昌 張嘉威

上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 200125

引言

城市中較多采用盾構(gòu)法施工隧道，以應(yīng)對(duì)不良地質(zhì)條件和減少環(huán)境影響，確保安全與環(huán)保。工作井是盾構(gòu)法隧道的重要組成部分，目的是為了滿足盾構(gòu)的拼裝、拆解或掉頭，一般包括始發(fā)井和接收井，具有平面規(guī)模大、深度深等工程特點(diǎn)。有時(shí)超長(zhǎng)地下通道為了滿足交通集散、應(yīng)急救援或通風(fēng)消防等特殊需求，尚需要在隧道中間設(shè)置過(guò)站井，并同步建設(shè)匝道。在施工過(guò)程中，該井為盾構(gòu)快速通過(guò)創(chuàng)造條件。

深大工作井的井壁通常采用疊合墻結(jié)構(gòu)，即施工開(kāi)挖階段的地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受水土壓力，使用階段地下連續(xù)墻和二次襯墻有效結(jié)合成整體共同受力，以期減少占地和節(jié)約造價(jià)。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)盾構(gòu)隧道工作井的研究多局限于端頭始發(fā)井［1，2］及施工方法［3，4］的探討，鮮有對(duì)過(guò)站井的分析，尚無(wú)針對(duì)長(zhǎng)條形側(cè)壁結(jié)構(gòu)過(guò)站井的研究。本文依托上海市北橫通道工程楊樹(shù)浦港井實(shí)際工程，計(jì)算、分析這種長(zhǎng)大特殊井側(cè)壁服役關(guān)鍵階段的內(nèi)力特點(diǎn)及其特殊性。

1 工程概況

上海北橫通道西接中環(huán)（北虹路），向東沿長(zhǎng)寧路-光復(fù)西路-蘇州河-余姚路-新會(huì)路-天目西路-天目中路-海寧路-周家嘴路至內(nèi)江路，全長(zhǎng)19.1km，設(shè)計(jì)為雙層雙向六車道，采用盾構(gòu)法施工，隧道外徑為15m，如圖1所示。

圖1 北橫通道斷面（單位：m）Fig.1 Beiheng tunnel section（unit：m）

北橫通道全線共設(shè)8個(gè)工作井，其中楊樹(shù)浦港井位于周家嘴路上楊樹(shù)浦港和黃興路之間，并設(shè)置了一對(duì)上下疊層匝道。工作井采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，平面內(nèi)凈尺寸為70m×（20～30）m（長(zhǎng)×寬），基坑深30.3m～31.6m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.2m厚地下連續(xù)墻，如圖2所示。井內(nèi)設(shè)置頂板、下一～四層板以及底板，厚度依次為1.1m、0.8m、0.6m、0.8m、0.8m、2.0m，中框架以上內(nèi)襯厚0.8m，中框架以下內(nèi)襯厚1.2m，中框架梁尺寸為1.3m×3.5m。在隧道“分流島”三角區(qū)域布置立柱，各層板在柱位處“T”型布設(shè)縱橫梁。本井側(cè)壁縱向凈跨70m，為增加其抗側(cè)剛度，在建筑利用多余空間預(yù)設(shè)壁柱，柱距約7m，截面尺寸為2.0m×2.5m，布設(shè)高度為下一層板至底板。

2 全過(guò)程關(guān)鍵階段分析

周順華等［5］通過(guò)盾構(gòu)工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)在施工全過(guò)程的內(nèi)力測(cè)試分析后認(rèn)為，內(nèi)襯墻施工階段對(duì)連續(xù)墻的內(nèi)力影響不大。盾構(gòu)進(jìn)出洞的開(kāi)洞工作是在內(nèi)襯墻達(dá)到強(qiáng)度后進(jìn)行的，所以開(kāi)洞施工及盾構(gòu)的進(jìn)出洞對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響甚小。

李雄飛［2］通過(guò)對(duì)超大盾構(gòu)工作井半逆作法施工受力變形特征分析，認(rèn)為地下連續(xù)墻與內(nèi)襯墻的提前疊合，增加了圍護(hù)體的剛度，有效抑制了力與變形的發(fā)展。

本文過(guò)站井采用順作法施工，基坑自上而下設(shè)置六道鋼筋混凝土支撐，如圖3所示。過(guò)站井從基坑開(kāi)挖、內(nèi)部部分墻板回筑、剩余墻板繼續(xù)澆筑到覆土、機(jī)電安裝、建筑裝修、實(shí)現(xiàn)通車的全過(guò)程來(lái)看，盾構(gòu)過(guò)井是過(guò)站井側(cè)壁疊合墻控制性受力的關(guān)鍵階段。此時(shí)，基坑開(kāi)挖完成，底板、內(nèi)襯和下一層板等主要構(gòu)件澆筑完畢，形成大跨度空間受力體系，內(nèi)襯墻和地連墻有效疊合完成，樓板下第三～六道鋼筋混凝土支撐拆除，為盾構(gòu)過(guò)井創(chuàng)造空間，僅保留樓板上第一、二道鋼筋混凝土支撐。

圖2 工作井布置（單位：m）Fig.2 Layout of working shaft（unit：m）

圖3 盾構(gòu)過(guò)井橫斷面（單位：m）Fig.3 Cross section of shield transit（unit：m）

3 空間計(jì)算分析

3.1 模型建立

過(guò)站井總長(zhǎng)74.8m，總寬24.8m～34.8m，地下空間體量大、埋深大，采用Robot Structural Analysis Professional 2015軟件建立工作井三維模型，如圖4所示。

圖4 工作井三維模型Fig.4 3D model of working shaft

三維模型構(gòu)件跨度自構(gòu)件中線處計(jì)算，墻、板采用殼單元模擬，支撐、壁柱等采用梁?jiǎn)卧M。底板與地下連續(xù)墻底部分別設(shè)置彈簧約束，由于底板位于⑤3-1粉質(zhì)黏土層中，地下連續(xù)墻底位于⑧2粉質(zhì)黏土與粉砂互層中，依據(jù)《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［6］，底板基床系數(shù)取10000kN/m3，地下連續(xù)墻底基床系數(shù)取100000kN/m3。水平地層壓力按水土分算，采用朗肯土壓力公式計(jì)算［7］，結(jié)構(gòu)分析采用荷載結(jié)構(gòu)模式。

針對(duì)前述關(guān)鍵階段的特殊工況進(jìn)行模擬計(jì)算：圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工完畢，底板、中框架以下內(nèi)襯、下一層板、壁柱等構(gòu)件回筑完成，保留第一、二道鋼筋混凝土支撐，割除第三～六道支撐，洞口封閉盾構(gòu)尚未過(guò)井，下一層板考慮預(yù)留相關(guān)孔洞，井內(nèi)降水。

3.2 計(jì)算模式

側(cè)壁結(jié)構(gòu)包括井壁（內(nèi)襯+地下連續(xù)墻）和壁柱等構(gòu)件，其中井壁位置有內(nèi)側(cè)和外側(cè)之分（背土面為內(nèi)側(cè)，迎土面為外側(cè)），方向亦有豎向和水平之分，不同位置、不同方向的內(nèi)力分布更為不同。地下連續(xù)墻和內(nèi)襯是采用不同工藝施做的墻體，圍護(hù)墻由于墻幅豎縫的存在，墻幅之間不能傳遞拉力，而內(nèi)襯墻是后期整體現(xiàn)澆的，質(zhì)量可控、整板性好，因此疊合墻是豎向和水平向剛度不同的各向異性板。圍護(hù)墻屬于隱蔽性工程，從工程實(shí)踐效果來(lái)看，由于施工場(chǎng)地地質(zhì)條件復(fù)雜，施工工藝要求不易滿足，墻體混凝土密實(shí)度難以保證，墻縫易出現(xiàn)夾泥、漏水等現(xiàn)象，墻幅之間易出現(xiàn)錯(cuò)位，難以嚴(yán)密嚙合，無(wú)法保證地墻能夠有效傳遞壓力。同時(shí)，本工程井壁設(shè)置壁柱后，在考察其水平向內(nèi)力分布規(guī)律時(shí)，井壁中間區(qū)域呈現(xiàn)出微觀拉壓交替分布的特征，墻體受壓區(qū)變形難以協(xié)調(diào)。為解決剛度差異性的模擬問(wèn)題，以期為設(shè)置壁柱的大跨度工作井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供具體的內(nèi)力數(shù)值，計(jì)算模式取豎向式和水平式兩種三維模型。豎向式三維模型井壁考慮兩墻合一，井壁模型厚度取2.4m；水平式三維模型考慮彎矩由內(nèi)襯承受，井壁模型厚度取1.2m。

3.3 計(jì)算結(jié)果

工作井北面?zhèn)缺诮Y(jié)構(gòu)豎向凈跨18.7m、水平凈跨70m，長(zhǎng)短凈跨比約3.7∶1，具有特殊性和典型性。選取該面?zhèn)缺跒榭疾鞂?duì)象，其結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 北面?zhèn)缺谪Q向內(nèi)力結(jié)果Fig.5 Vertical internal force results of north lateral wall

圖6 北面?zhèn)缺谒絻?nèi)力結(jié)果Fig.6 Horizontal internal force results of north lateral wall

如圖5a、圖5b所示，板中心區(qū)域豎向彎矩圖顯示出標(biāo)準(zhǔn)的帶上下支座（下一層板和底板）的單向受力板特征，但接近兩側(cè)支座區(qū)域，跨中正彎矩逐漸減小，至左右支座附近轉(zhuǎn)化為負(fù)彎矩，角隅現(xiàn)象明顯（此處角隅彎矩約為跨中的1/2）。圖5c中，由于設(shè)置了壁柱，壁柱有效地分擔(dān)了板面荷載，減少了壁板內(nèi)力，如居中的第5根壁柱彎矩為21580.11kN·m，相應(yīng)區(qū)域壁板彎矩2772.22 kN·m，比值高達(dá)7.8。

圖6a顯示水平角隅彎矩遠(yuǎn)大于豎向角隅彎矩，這說(shuō)明對(duì)于長(zhǎng)邊和短邊之比大于3的壁板，由于短邊側(cè)受到側(cè)板約束的影響，不能簡(jiǎn)單地將其按單向板進(jìn)行簡(jiǎn)化，需考慮采用空間計(jì)算才能反映出結(jié)構(gòu)真實(shí)受力情況。從圖6b展示的水平中間板帶內(nèi)力圖來(lái)看，水平跨徑對(duì)水平角隅彎矩的影響很大。同時(shí)，也顯示出和豎向式計(jì)算模型相同的特征，即端墻水平約束剛度不同造成的支座負(fù)彎矩差異，而板中心區(qū)域卻更能體現(xiàn)出豎向單向板的受力特性。圖6c顯示對(duì)于此類長(zhǎng)條形壁板，設(shè)置壁柱對(duì)改善水平式受力的意義更加明顯。此時(shí)，居中的第5根壁柱彎矩為23804.99kN·m，相應(yīng)區(qū)域壁板彎矩828.11kN·m，比值高達(dá)28.7。

4 結(jié)論

本文基于設(shè)計(jì)實(shí)踐，分析了長(zhǎng)大過(guò)站井側(cè)壁服役全過(guò)程中的控制性關(guān)鍵階段?；谌S空間模型模擬了工作井側(cè)壁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，并分析總結(jié)了長(zhǎng)條形側(cè)壁特殊的內(nèi)力特征，希望研究的結(jié)論對(duì)同行有一定啟發(fā)和借鑒作用。研究的結(jié)論主要有：

1.盾構(gòu)過(guò)井是過(guò)站井的側(cè)壁疊合墻控制性受力關(guān)鍵階段。

2.對(duì)于工作井中具有長(zhǎng)條形側(cè)壁這樣的四邊支承板，即便長(zhǎng)邊和短邊之比大于3時(shí)，亦不能簡(jiǎn)單地按沿短邊方向受力的單向板簡(jiǎn)化計(jì)算，應(yīng)采用空間計(jì)算模型才合理安全。

3.長(zhǎng)大工作井的空間效應(yīng)明顯，水平角隅彎矩較大且受長(zhǎng)邊跨徑影響顯著。

4.長(zhǎng)條形側(cè)壁設(shè)置壁柱能夠有效改善側(cè)壁的抗彎能力。