盾構(gòu)井基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

高振宇

（1.廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州510060；2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州510641）

1 設(shè)計(jì)條件

1.1 工程概況

本文工程背景為一大型引水工程，該工程管線穿越了河道大堤、高速公路、鐵路、住宅區(qū)、廠房及高壓煤氣站等重要建、構(gòu)筑物。管道施工主要有明挖埋管、頂管及盾構(gòu)三種工法。其中明挖工法對建、構(gòu)筑物影響大，特別是穿越住宅需要大量拆遷，穿越立交樁基需改線繞道，穿越河道大堤需破堤或改跨越，且工期長；頂管工法對建、構(gòu)筑物影響小，但由于單次頂進(jìn)的距離較短，需設(shè)置大量井位，且對不良地質(zhì)適應(yīng)性差，工期較長；盾構(gòu)工法對建、構(gòu)筑物影響最小，井位少，穿越立交樁基、大堤迅速，且施工機(jī)械化程度高，能適應(yīng)各種不良地質(zhì)，工期相對較短。所以，綜合以上各因素，該工程部分有障礙管段采用盾構(gòu)工法，本文則重點(diǎn)介紹其盾構(gòu)井基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

1.2 工程和水文地質(zhì)

基坑所在場地主要開挖地層由上而下分別為：（1）素填土，厚 1.30 m；（2）粉質(zhì)粘土，N=6.0，厚 1.9 m；（3）淤泥，N=3.0，厚 5.4 m；（4）粘土，N=3.0～4.0，厚 4.0 m；（5）淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，N=4.0，厚1.6 m；（6）細(xì)砂，N=7.0～9.0，厚 3.6 m；（7）中砂，N=16.0，厚 1.4 m；（8）粗砂，N=18.0，厚 3.8 m；（9）卵石質(zhì)粗砂，N=25.0～29.0，厚 8.5 m；（10）卵石，N=29.0，厚3.3 m。開挖的地層主要為含孔隙水的沖積砂層，孔隙水主要接受大氣降水的滲入補(bǔ)給和上游地下水徑流及周邊河涌的側(cè)向補(bǔ)給。由于孔隙水和河涌水具有密切的水力聯(lián)系，故補(bǔ)給來源充足。該基坑底所在位置為卵石質(zhì)粗砂層，滲透系數(shù)大，且具有承壓性，因此地下水對盾構(gòu)井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響極大。

2 盾構(gòu)井基坑方案設(shè)計(jì)

2.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該盾構(gòu)井為深基坑工程（支護(hù)深度為19.94 m），內(nèi)凈尺寸較大（28.0 m×14.0 m），為了保證結(jié)構(gòu)安全及止水效果，基坑支護(hù)主體結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土支撐體系，詳見圖1。連續(xù)墻采用重合墻連接形式，即在內(nèi)外墻間設(shè)置防水隔離層，工序?yàn)橄仁┕ね?00連續(xù)墻，后施工內(nèi)600內(nèi)襯墻及支撐，內(nèi)襯墻及支撐采用逆做法。

2.1.1 圍護(hù)墻設(shè)計(jì)

該盾構(gòu)井基坑結(jié)構(gòu)分析時需考慮圍護(hù)及支撐體系的空間整體協(xié)同作用。根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，在滿足精度的前提下可以將計(jì)算模型進(jìn)行簡化，即把墻作為豎直連續(xù)單向板，取單位長度作為一個單元進(jìn)行計(jì)算，配筋時適當(dāng)增加水平方向的鋼筋。本設(shè)計(jì)采用理正深基坑軟件對圍護(hù)墻進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時考慮施工過程中土方開挖先后工況、地面超載(q=20 kPa)重型設(shè)備吊裝荷載的影響，計(jì)算結(jié)果見圖2。

2.1.2 支撐及圍檁設(shè)計(jì)

支撐、圍檁體系結(jié)構(gòu)主要承受圍護(hù)墻傳遞的水平荷載及變形，本設(shè)計(jì)思路是將每一道支撐及圍檁視為平面框架，把上一步圍護(hù)墻設(shè)計(jì)中得到的彈性支座反力作為平面框架的均布荷載，并利用均質(zhì)彈簧來模擬圍護(hù)墻對圍檁的約束，采用桿系有限元法對平面框架進(jìn)行內(nèi)力及變形分析。本設(shè)計(jì)采用SAP2000有限元軟件進(jìn)行支撐及圍檁的計(jì)算，由上至下的每一道平面框架的均布荷載分別為 144.34 kN/m、570.24 kN/m、764.19 kN/m，計(jì)算結(jié)果見圖3。該圖只表示了荷載為764.19 kN/m時平面框架的荷載及變形，其余可線性推出。

2.2 盾構(gòu)出洞加固措施

盾構(gòu)始發(fā)是事故的多發(fā)階段，尤其當(dāng)場地為飽和砂層時，這是由于在鑿除盾構(gòu)出洞口的圍護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)時，由于洞口內(nèi)外存在較大的水頭差且土體滲透系數(shù)大，洞口土體極易發(fā)生管涌，嚴(yán)重時土體會失穩(wěn)坍塌，隨之引起基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞，所以出洞加固對于盾構(gòu)井設(shè)計(jì)及施工是一個比較關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

出洞加固體的設(shè)計(jì)主要包括工法和尺寸兩方面內(nèi)容：

（1）在工法選擇方面。據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，在飽和砂層，尤其是中粗砂層，必須選用三管旋噴樁，選擇其它工法按目前的施工管理水平很難保證封堵質(zhì)量。

（2）在尺寸設(shè)計(jì)方面。a.加固體的最小尺寸應(yīng)按滿足土體強(qiáng)度驗(yàn)算及機(jī)械設(shè)備要求的最小尺寸確定，根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]、[3]，復(fù)合地基土體抗剪指標(biāo)φp=30°，cp=0.36 MPa，所以當(dāng)加固土體寬度時，端頭加固體在主動土壓力下不會破壞；而按目前國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)械，一般當(dāng)b≥6 m時，盾構(gòu)機(jī)的注漿可以保證封堵盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中所產(chǎn)生于加固體和連續(xù)墻結(jié)合部中的涌砂通道，所以本設(shè)計(jì)認(rèn)為盾構(gòu)加固體寬宜取為6 m。b.為防止盾構(gòu)始發(fā)磕頭，本設(shè)計(jì)利用三管旋噴樁加固洞口下部4 m范圍內(nèi)土體。c.為保證有效覆蓋厚度及地面大型起重設(shè)備要求，并考慮到工法限制，本設(shè)計(jì)利用三管旋噴樁加固洞口上部4 m范圍內(nèi)土體，并利用水泥攪拌樁接著加固至地面。

2.3 工藝要求

盾構(gòu)井在盾構(gòu)施工完成后需要根據(jù)工藝要求進(jìn)行設(shè)備安裝，如管道閥門安裝、設(shè)置檢修井及工作平臺等。本設(shè)計(jì)思路是要充分利用原有盾構(gòu)井基坑結(jié)構(gòu)承擔(dān)輸水管道運(yùn)營后的長期荷載，所以在設(shè)計(jì)內(nèi)支撐時除了要考慮管道安裝需要的空間，還要在盾構(gòu)井基坑構(gòu)件相應(yīng)位置預(yù)留鋼筋，以便設(shè)置滿足運(yùn)營期需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置的橫梁及樓板。

3 結(jié)論

綜合以上內(nèi)容，本文得出結(jié)論如下：

（1）盾構(gòu)井基坑結(jié)構(gòu)分析根據(jù)不同工況，采用不同的方法分別對圍護(hù)墻及支撐體系進(jìn)行計(jì)算分析是可行的，既減少了三維計(jì)算分析的工作量，也包絡(luò)了所有工況引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值，達(dá)到了設(shè)計(jì)效果。

（2）盾構(gòu)井出洞加固是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，特別當(dāng)場地為飽和砂層時，需根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

（3）盾構(gòu)井基坑構(gòu)件設(shè)計(jì)是要充分考慮以后工藝設(shè)備安裝的空間要求及項(xiàng)目運(yùn)營后的長期荷載作用，統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。

[1]程文瀼，顏德姮，康谷貽,等.混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（第三版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[2]龔曉南.地基處理手冊（第三版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[3]錢家歡,殷宗澤.土工原理及計(jì)算（第二版）[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[4]趙志縉,應(yīng)惠清.簡明深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[5]JGJ 120-99,建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].