滇中引水工程龍泉倒虹吸盾構接收井圍護結構設計

楊小龍,韓雪丹,朱國金,王 超

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

龍泉倒虹吸為滇中引水工程總干渠昆明段輸水建筑物，位于昆明市北市區(qū)，上接龍泉隧洞、下連昆呈隧洞，進口位于龍泉鎮(zhèn)昆明重機廠附近，距龍泉路約83m，線路基本沿灃源路布置，沿線依次經(jīng)過龍泉路、盤龍江、北京路和已開通的地鐵2號線，出口位于灃源路與昆曲高速交叉轉(zhuǎn)盤處西南角，全長5.07km，盤龍江前段、后段設計流量分別為70.55m3/s，線路平均埋深約25m。

龍泉倒虹吸出口布置于灃源路與昆曲高速交叉轉(zhuǎn)盤處西南角。龍泉倒虹吸出口施工期作為盾構接收井外，還作為昆呈隧洞進口段的施工通道。倒虹吸出口采用圓形豎井結構，內(nèi)徑15m，外徑17m，基坑深77m。在出口豎井承擔的施工通道任務完成后將改造為倒虹吸出口，主要布置龍泉倒虹吸出水池、龍泉節(jié)制閘，銜接龍泉倒虹吸與昆呈隧洞承擔輸水任務。

1 接收井圍護結構的比選

基坑工程在我國出現(xiàn)較晚，20世紀70年代，國內(nèi)只在少數(shù)大工程項目中有開挖深度達10m以上的基坑工程，而且是在較少或者沒有相鄰建筑物和地下結構物的地區(qū)。80年代以來，我國首先在北京、上海、廣州、深圳等大型城市大量興建高層建筑,而高層建筑多數(shù)帶有地下室，基坑支護工程隨之劇增，基坑支護設計、施工與監(jiān)測成為基礎工程中的新熱點。90年代以后，大多數(shù)城市都進入了大規(guī)模的舊城改造階段，在繁華的市區(qū)內(nèi)進行深基坑開挖。高層和超高層建筑物的大批建造，在工程設計上為滿足穩(wěn)定性要求和地下空間的開發(fā)利用，一般都要設置多層地下室。在城市的密集建筑群內(nèi)建造大廈做深基礎的基坑工程越來越多。

早期的基坑開挖常采用放坡形式，后來隨著開挖深度的增加，放坡面空間受到了限制，產(chǎn)生了圍護開挖?；訃o類型有很多種，常見的有水泥土墻、土釘墻、錨桿、排樁與地下連續(xù)墻等。其中水泥土墻主要包括水泥土攪拌樁和高壓噴射注漿法兩種。排樁墻支護體系，是由樁排式圍護墻或地下連續(xù)墻組成的圍護墻、支撐體系、防滲結構所構成的防水擋土體系。支護墻體的主要形式有:鋼板樁、鋼筋混凝土板樁、H型鋼木擋板、鉆孔灌注樁、SMW圍護結構和地下連續(xù)墻?；蛘邚幕訃o機制來分，基坑支護方法可分為放坡開挖、懸臂圍護、拉錨圍護、組合型圍護等。放坡開挖需要較大的工作面，且開挖土方量較大，在條件允許的情況下，至今仍然不失為基坑圍護的好方法。懸臂圍護是指不帶內(nèi)撐和拉錨的圍護結構，可以通過設置鋼板樁和鋼筋混凝土樁形成圍護結構。為了挖掘圍護結構材料的潛在能力，使圍護結構形式更加合理，并能適合各種基坑形式，綜合利用“空間效應”，發(fā)展了組合型圍護形式[1- 3]。

通過對國內(nèi)外100座基坑深度、圍護方式和基坑尺寸調(diào)研統(tǒng)計，結果表明，國內(nèi)外基坑所采用的圍護結構方法主要是地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、土釘墻和組合型結構[4- 6]。使用地下連續(xù)墻作為圍護結構的基坑深度分布范圍為12～50m。使用鉆孔灌注樁作為圍護結構的基坑深度分布范圍為7～37m。旋噴樁普遍在基坑深度較淺時使用，分布范圍為8～16m。土釘墻也普遍在基坑深度較淺時使用，分布范圍為9～20m。其他還有組合型圍護等其他圍護方式。在基坑深度較深時普遍采用地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻適用的基坑深度范圍也更廣。龍泉倒虹吸盾構接收井深78.3m，超過本調(diào)研統(tǒng)計的基坑深度，龍泉倒虹吸盾構接收井的支護方式為地下連續(xù)墻，與目前基坑圍護的主流方式相吻合。

圖1 龍泉倒虹吸出口平面圖

地下連續(xù)墻厚度取值一般為0.5、0.8、1.0、1.2、1.5m。調(diào)研樣本中使用地下連續(xù)墻圍護的基坑共38個。其中厚度為0.8m的地下連續(xù)墻應用最多，為22個。厚度為0.5m的和1.5m的地下連續(xù)墻應用最少，均為2個。厚度為1.0m的和1.2m的地下連續(xù)墻應用較少，均為6個。采用地下連續(xù)墻作為圍護結構的基坑，深度分布范圍為12.8～49.8m。當基坑深度為12.8～30m時，地下連續(xù)墻的厚度普遍為0.8m，少量采用了0.5m和1m的厚度；當基坑深度大于30m時，地下連續(xù)墻厚度均在1.0m以上，當基坑深度超過40m時，地下連續(xù)墻體厚度可達1.5m。龍泉倒虹吸盾構接收井深78.3m，采用地下連續(xù)墻支護，地下連續(xù)墻厚1.5m，在基坑深度較深時地下連續(xù)墻厚度在1.5m或以上較為合適，與調(diào)研結果相符。

2 接收井圍護結構方案

2.1 接收井布置

龍泉倒虹吸出口布置于灃源路與昆曲高速交叉轉(zhuǎn)盤處西南角，采用圓形結構，內(nèi)徑15m，外徑17m，出口基坑建基高程為1886.70m，永久結構頂高程為1963.90m，室外地坪高程為1963.70m，永久結構總高度77.2m，基坑深77.0m。

基坑圍護結構采用1.5m厚地下連續(xù)墻，施工過程中采用1m厚鋼筋混凝土內(nèi)襯跟進支護以形成滿堂內(nèi)支撐。地下連續(xù)墻墻頂冠梁高4m，連續(xù)墻頂高程1961.40m，墻底高程1867.40m，總深度94.0m，連續(xù)墻入土深度深度19.3m，入土比0.25。

如圖1和圖2所示，在龍泉倒虹吸盾構施工完成后接收井將改造為倒虹吸出口段，主要布置龍泉倒虹吸出水池、龍泉節(jié)制閘，銜接龍泉倒虹吸與昆呈隧洞。龍泉倒虹吸節(jié)制閘設工作門及檢修門各一扇，閘門孔口尺寸為5m×7.22m(寬×高)。閘底板高程為1893.573m，閘室平臺高程為1906.250m，采用液壓油缸，啟閉設備布置高程為1916.75m，閘室頂部高程為1962.950m，室外地坪高程為1962.550m。閘室內(nèi)設電梯及樓梯各一把通向室外。

為便于調(diào)度運行，盡量減少運行期龍泉節(jié)制閘操作頻次，在龍泉倒虹吸接收井內(nèi)設兩個溢流堰，溢流堰與龍泉節(jié)制閘共同運用以控制龍泉分水口及龍泉倒虹吸進出口水位。溢流堰布置于流道兩側(cè)，采用薄壁堰，堰寬2m，堰頂高程為1901.573m，堰高8m。

圖2 龍泉倒虹吸出口剖面圖

2.2 接收井基坑圍護結構方案

2.2.1 接收井基坑圍護結構型式

龍泉倒虹吸盾構接收井主體結構基坑開挖直徑17m，基坑深度77m，基坑附近分布有昆曲高速及灃源路等城市重要基礎設施，根據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》[7]規(guī)定，基坑結構安全等級為一級。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，接收井均位于第三系土層中，所涉及的主要土層有：湖、洪、沖積層的礫石、粉細砂夾含礫砂黏土、泥炭等；湖、洪沉積層的礫石、細砂、粉砂、泥夾泥炭或草煤等；洪、沖積層的砂卵礫石夾粉砂等。接收井基坑場地為軟弱土，開挖直徑大、深度深，基坑圍護結構選用剛度較大、整體性較好的地下連續(xù)墻結構，基坑開挖過程中采用逆作法在地下連續(xù)墻內(nèi)施做環(huán)形混凝土內(nèi)襯形成支撐結構。

2.2.2 接收井基坑主要尺寸

根據(jù)滇中引水工程總干渠輸水要求、施工期盾構機接收、昆呈隧洞前段鉆爆施工出渣、永久結構布置等確定接收井主要尺寸如下：接收井基坑底部高程為1886.70m，室外地坪高程為1963.70m，基坑深77.0m?；硬捎脠A形結構，圍護結構由地下連續(xù)墻及混凝土內(nèi)支撐組成。地下連續(xù)墻厚1.5m，外徑20m，內(nèi)徑17m。施工過程中采用1m厚鋼筋混凝土內(nèi)襯跟進支護形成滿堂內(nèi)支撐，混凝土內(nèi)襯外徑17m，內(nèi)徑15m。墻底高程為1867.40m，連續(xù)墻頂冠梁高4m，連續(xù)墻頂高程為1961.40m，地下連續(xù)墻深94m，嵌巖深度19.3m。

2.2.3 基坑圍護結構主要材料

2.2.4 地下連續(xù)墻槽段劃分

接收井地下連續(xù)墻采用銑槽機成槽，共劃分14個槽段，一、二期槽段各7個。一期槽段三銑成槽，二期槽段一銑成槽。一、二期槽段間采用銑接頭。

2.2.5 初擬基坑開挖步驟

根據(jù)接收井地層分布及其物理力學參數(shù)確定接收井共分32層進行開挖，其中：1963.70～1924.70m高程共39m，分13層開挖，每層開挖厚度3m；1924.70～1886.70m高程共38m，分19層開挖，每層開挖厚度2m。接收井基坑開挖過程中每步開挖完成后均施工內(nèi)襯，待內(nèi)襯結構達到強度后再進行下一步開挖。

3 接收井圍護結構計算

龍泉倒虹吸接收井基坑觸及土體種類多、性狀差，基坑深度達77m，屬超深軟土基坑，伴隨著基坑開挖深度的增加，與之對應的施工步驟增多，導致基坑支護體系的位移、力學演變過程復雜。近些年來，隨著城市基礎設施建設的大量開展，深基坑工程大量涌現(xiàn)，各種技術難題層出不窮，到目前為止，雖已有較多的深基坑開挖成功案例，但對開挖深度接近80m的超深基坑的施工變形控制、力學特性演變和土工病害的防治等方面所開展的研究并不多，針對本工程中所面臨的城區(qū)地下連續(xù)墻深基坑開挖的變形分析及安全控制技術研究等關鍵技術還沒有成熟的經(jīng)驗可供參考。綜合現(xiàn)有技術手段及接收井圓形結構特點，采用理正深基坑軟件、JTGD 63—2007《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》[8]規(guī)定的豎向彈性地基梁法及整體有限元法對基坑開挖過程中的整體穩(wěn)定性、地下連續(xù)墻及混凝土內(nèi)襯的變形特性及受力特性進行了分析，主要計算成果如下。

3.1 整體穩(wěn)定

理正深基坑軟件計算采用瑞典條分法，計算得到整體穩(wěn)定最小安全系數(shù)為5.77，滿足規(guī)范不小于1.35的要求。

整體有限元計算成果表明基坑開挖過程中塑性單元主要分布在基坑開挖底部及連續(xù)墻外側(cè)小范圍內(nèi)，塑性區(qū)未與坑外土體連成一體，數(shù)值模擬開挖結果顯示基坑整體穩(wěn)定性滿足要求且具有較高安全裕度。

3.2 抗傾覆穩(wěn)定計算

根據(jù)類似工程經(jīng)驗，圓形基坑工程一般存在以下安全隱患:①地下連續(xù)墻按圓形輪廓布置，采用分槽開挖、分段澆筑；②地下連續(xù)墻施工中，一、二期槽段接縫位置是薄弱環(huán)節(jié)，容易澆筑不密實，甚至可能出現(xiàn)空腔、寬縫、充泥、夾砂、漏水、開“褲衩”等缺陷，豎向墻體承載后需要產(chǎn)生足夠大的徑向變形，接縫才有可能擠緊成環(huán)，否則就成了開口圓環(huán)，只要有一幅墻沒有做好，地下連墻就成了單獨受力的豎向地基梁，有破壞可能。

試驗用玉米品種為正德306，供試氮肥為尿素（含N46%），磷肥為重過磷酸鈣（含P2O546%），鉀肥為硫酸鉀（含K2O50%），增效尿素肥料（含N23%）。

結合本基坑特點，其抗傾覆破壞模式為踢腳破壞模式，即：基坑開挖過程中已施作混凝土內(nèi)襯的墻段認為已接受混凝土內(nèi)襯閉合圓環(huán)的支撐作用(視為穩(wěn)定墻段)，已開挖但還未施作混凝土內(nèi)襯的墻段抗傾失穩(wěn)模式為繞已施作內(nèi)襯混凝土底緣的轉(zhuǎn)動破壞。

按上述模式對擬定的所有開挖步驟進行了抗傾覆穩(wěn)定分析，成果表明最小抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為1.484，出現(xiàn)在基坑開挖至67m時，最小抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.250，滿足規(guī)范要求。

3.3 抗隆起穩(wěn)定計算

3.3.1 支護底部抗隆起

根據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》規(guī)定，計算支護底部抗隆起穩(wěn)定性，計算成果表明支護結構底部抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)為29.004，抗隆起穩(wěn)定滿足要求。

3.3.2 坑底抗隆起

坑底抗隆起按以最下層支點為轉(zhuǎn)動軸心的圓弧條分法計算，計算結果表明坑底最小抗隆起安全系數(shù)為2.86，滿足規(guī)范不小于2.2的要求。

3.4 連續(xù)墻嵌固段土反力驗算

依據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》對接收井基坑地下連續(xù)墻嵌固段上的基坑內(nèi)側(cè)分布土反力進行了驗算，驗算成果表明基坑開挖過程中作用在擋土構件嵌固段上的基坑內(nèi)側(cè)土反力合力均小于作用在擋土構件嵌固段上的被動土壓力合力，滿足要求。

3.5 基坑開挖過程變形分析

3.5.1 地下連續(xù)墻水平變形

基坑開挖過程中地下連續(xù)墻水平向位移變化呈現(xiàn)收斂狀態(tài)，即連續(xù)墻總體向基坑內(nèi)側(cè)變形，表現(xiàn)出隨著開挖深度的增加而逐漸變大的趨勢。整體有限元計算得到最大位移值為3.88mm，出現(xiàn)在豎井施工完成時。連續(xù)墻水平變形量值較小，說明圓形結構及逆作法有效限制了基坑開挖過程中的變形。

3.5.2 基坑周邊豎向變形

計算成果表明，基坑開挖過程中基坑外豎向位移量值較小，且豎向位移值隨著該處與墻距離的增大而減小，其最大變形量值為6.5mm。豎井開挖對鄰近的昆曲高速及灃源路(道路距基坑的距離分別為67m和80m)的影響有限，計算得到豎井基坑開挖引起的兩條道路最大豎向位移值約為0.3mm。

3.5.3 基坑開挖過程中底部回彈位移

有限元模擬計算成果顯示，基坑開挖過程中坑底的回彈規(guī)律基本相似，即坑底中心區(qū)域回彈位移最大，靠近支護結構處回彈位移最小。從量值上分析，若記中心區(qū)域回彈位移為“1”，則坑底的回彈位移值主要位于0.5～1間，且位移的收斂(減小)主要集中在靠近支護結構附近區(qū)域。

開挖深度63m內(nèi)，隨著開挖的進行，每一步開挖結束后的坑底回彈量逐漸變大，最大回彈位移達0.99m；開挖深度63～77m，隨著開挖的進行，每一步開挖結束后的坑底回彈量逐漸變小，最小回彈位移為0.5m，出現(xiàn)在開挖完成的。分析出現(xiàn)上述位移變化規(guī)律的原因，主要是受土層參數(shù)差異較大的影響。

3.6 抗浮驗算

接收井基坑圍護結構抗浮穩(wěn)定計算依據(jù)GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》[9]進行計算。

根據(jù)地勘資料，接收井地下水水位位于地面以下約3.5m，保守考慮，抗浮驗算中地下水位取至地面高程?？垢◎炈阒袃H考慮連續(xù)墻及內(nèi)襯結構自重(不計側(cè)壁摩阻力及內(nèi)部永久結構自重)。經(jīng)計算，抗浮安全系數(shù)為1.23，滿足規(guī)范不得小于1.05要求。

表1 接收井地下連續(xù)墻結構計算成果

3.7 地下連續(xù)墻結構配筋

地下連續(xù)墻采用1.5m厚鋼筋混凝土結構。接收井基坑采用分層開挖方式，每層開挖完成后立即施作內(nèi)支撐結構，內(nèi)支撐結構施工完成后再進行下一層開挖。接收井地下連續(xù)墻混凝土采用C35(抗?jié)B等級W10)，受力鋼筋及分布鋼筋均采用HRB400，箍筋及拉筋采用HPB300?？紤]到地下連續(xù)墻容易澆筑不密實等問題，計算中地下連續(xù)墻混凝土抗壓、抗拉強度設計值按規(guī)范值的0.7取值，鋼筋抗壓、抗拉強度設計值均按規(guī)范規(guī)定取值。地下連續(xù)墻迎土面鋼筋保護層厚度為70mm，背土面鋼筋保護層厚度為50mm。

根據(jù)連續(xù)墻結構受力計算成果，依據(jù)SL 191—2008《水工混凝土結構設計規(guī)范》[10]及JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》相關規(guī)定對地下連續(xù)墻進行結構計算。接收井地下連續(xù)墻豎向配筋計算成果見表1。

連續(xù)墻環(huán)向主要承受軸力，其彎矩值較小，經(jīng)計算按構造配筋即可。

3.8 內(nèi)支撐結構配筋

為保障施工期基坑穩(wěn)定，在接收井基坑開挖過程中采用1m厚鋼筋混凝土結構作為基坑內(nèi)支撐結構，每層開挖完成后施作完成內(nèi)支撐結構后再進行下一層開挖。

內(nèi)支撐為圓形結構，水土壓力作用基本為均布對稱荷載，理論上內(nèi)支撐在外荷載作用下只產(chǎn)生環(huán)向壓力。內(nèi)支撐結構主要承受荷載為基坑外各土層水土壓力，考慮到地下連續(xù)墻采用分槽開挖、分段澆筑，一、二期槽段接縫位置是薄弱環(huán)節(jié)，容易澆筑不密實，甚至可能出現(xiàn)空腔、寬縫、充泥、夾砂等缺陷，豎向墻體承載后需要產(chǎn)生足夠大的徑向變形，接縫才有可能擠緊成環(huán)，否則就成了開口圓環(huán)。保守考慮，內(nèi)支撐結構計算中作如下假定：

(1)考慮到連續(xù)墻為分幅施工，計算中假定基坑外各土層水土壓力全部由內(nèi)支撐結構承受，即地下連續(xù)墻僅起傳遞荷載作用。

(2)內(nèi)支撐為圓形結構，在均布荷載作用下理論上無彎矩作用產(chǎn)生，保守考慮，按類似工程經(jīng)驗人為在基坑外周施加兩個相對不均勻的主動土壓力，即在基坑外周兩個對向的各土層內(nèi)摩擦角φ分別按穩(wěn)定計算取值±5°考慮，對于內(nèi)摩擦角φ值為0土層在對向按+5°考慮。

內(nèi)支撐結構混凝土采用C35混凝土(抗?jié)B等級W10)，受力鋼筋及分布鋼筋均采用HRB400，箍筋及拉筋采用HPB300。計算中混凝土及鋼筋的抗壓、抗拉強度設計值均按規(guī)范規(guī)定取值。內(nèi)支撐混凝土保護層厚度為50mm。

根據(jù)上述假定，依據(jù)SL 191—2008及JGJ 120—2012相關規(guī)定對內(nèi)支撐進行結構計算。

計算中地下水位取至室外地坪高程，基坑外水土壓力采用水土分算法。龍泉倒虹吸接收井內(nèi)支撐結構計算成果見表2。

表2 出口內(nèi)支撐結構配筋計算成果

3.9 底板結構配筋

接收井基坑開挖完成后施作基坑底板，底板厚2.5m，采用C35混凝土(抗?jié)B等級W10)，受力鋼筋及分布鋼筋均采用HRB400，箍筋及拉筋采用HPB300。底板采用理正軟件按彈性板整體計算，計算中地下水位取至室外地坪高程，控制工況為基坑底板施工完成工況(內(nèi)部永久結構未施作，揚壓力按建基面至地面全水頭考慮)。計算成果見表3。

表3 出口內(nèi)支撐結構配筋計算成果

4 基坑預加固

龍泉節(jié)倒虹吸盾構接收井基坑開挖涉及土層種類多、性狀差，特別是處于基坑底部附近的褐煤夾有機質(zhì)黏土層其力學性能極差，透水性較好。接收井地下水隨含水層呈多層結構分布，在接收井基坑底部揭露的巖溶裂隙水具承壓性，且基坑底部的基巖較為破碎、透水率較大。考慮基坑底部白云巖較為破碎，其可灌性較好，為降低基坑開挖過程中涌突水風險，同時考慮基坑開挖面積有限，從工程可操作性出發(fā)，選擇在基坑開挖至1906.70m高程(距基坑底部20m)時對基坑建基面以上1m及建基面以下19m厚土層及基巖進行預固結灌漿處理。固結灌漿的主要目的為基坑堵水，即灌漿巖體與地下連續(xù)墻形成杯形防水體系。

5 結語

滇中引水工程龍泉倒虹吸盾構接收井內(nèi)徑15m，基坑深77m。龍泉倒虹吸盾構接收井處于第四系地層，土體結構松散、抗剪強度低、自穩(wěn)性極差，易發(fā)生垮塌，施工過程中存在誘發(fā)流土、管涌和接觸流失等滲透變形問題，加之盾構機接收井規(guī)模巨大，基坑變形、穩(wěn)定問題十分突出，且盾構接收井位于昆曲高速與灃源路交叉處西南角，地面環(huán)境十分復雜，在初步設計階段完成了接收井圍護結構方案的設計，在實施階段，還需進一步研究以下三方面的問題：

(1)超深圓形基坑施工力學特性與變形規(guī)律復雜問題。目前，國內(nèi)關于超深圓形基坑受力與變形規(guī)律研究方面的內(nèi)容較少，規(guī)范與理論依據(jù)不足，前期基于對超深基坑存在問題的認知基于不同的假設開展了基坑開挖過程中受力與變形方面的研究。需進一步掌握圓形基坑施工中的力學特性與變形規(guī)律，優(yōu)化施工及制訂監(jiān)測方案。

(2)復雜地層條件下深大基坑施工及其安全控制技術問題。龍泉倒虹吸接收井觸及土層十分復雜，力學特性各異，且存在多層水情況，為確保施工安全，需根據(jù)基坑施工過程及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，反演巖土體變形規(guī)律及地下連續(xù)墻體的受力規(guī)律，評估各施工工序下深大基坑的穩(wěn)定性與墻體結構的安全性。

(3)基坑施工引起周邊環(huán)境土工病害問題。龍泉倒虹吸接收井基坑鄰近昆曲高速，基坑近接影響復雜。需采用數(shù)值仿真技術，分析基坑不同施工開挖階段對既有周邊環(huán)境的影響，提出相應的施工方案調(diào)整措施及預防措施。