上海市老城區(qū)電力隧道工井基坑支護結(jié)構(gòu)選型分析

甄亞彬

1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 200092

2.上海水業(yè)設計工程有限公司 200092

引言

根據(jù)上海市工程建設規(guī)范《基坑工程技術(shù)標準》（DG／TJ 08-61—2018）條文說明9.1.1 ～9.1.2：“上海地區(qū)眾多的建筑和市政工程中的基坑工程廣泛采用板式支護體系。多種不同形式的板式支護體系圍護墻特點各不相同，也適用于不同深度的基坑工程。地下連續(xù)墻一般用于開挖深度12m以上的基坑工程，最深已用于超過40m開挖深度的基坑工程；灌注樁排樁一般用于開挖深度15m以內(nèi)的基坑工程”［1］。也就是說對于上海市老城區(qū)內(nèi)開挖深度超過15m，周邊環(huán)境保護等級較高的基坑，地下連續(xù)墻應作為基坑支護結(jié)構(gòu)的首選。

由于上海市老城區(qū)內(nèi)部分既有市政道路交通流量較大、路幅狹窄，工井施工期間道路不能完全封閉，因此電力隧道工井支護結(jié)構(gòu)的選型應考慮到施工期間對現(xiàn)狀道路通行能力的影響。

1 工程概況

1.1 工井概況

某電力隧道工程位于上海市楊浦區(qū)，隧道線路沿現(xiàn)狀市政道路敷設，沿線設置9 座工井。其中8＃工井凈尺寸為?10m，開挖深度為23.8m，基坑安全等級為一級。西北側(cè)26.5m為3 層辦公樓；北側(cè)18.7m為4 層住宅樓；西側(cè)9.2m 為2層養(yǎng)老院；東側(cè)5.9m 為合流三期污水總管DN3500，基坑周邊環(huán)境保護等級為一級。

1.2 交通概況

國順東路紅線24m，路幅12m，非機動車道2.5m，人行道3.5m。高峰時段的飽和度為0.74 ～0.83，非高峰時段國順東路飽和度為0.31 ～0.47，通行壓力較大。

1.3 水文地質(zhì)概況

擬建工井場地土層力學參數(shù)見表1。其中④層淤泥質(zhì)黏性土是上海地區(qū)典型的軟土層；⑤1和⑧11層黏性土也具有一定的軟土特性。

表1 土層力學參數(shù)Tab.1 Soil mechanics parameter statistics

擬建場地地下水由淺部土層中的潛水和（微）承壓水組成，潛水地下水位埋深為0.5m。承壓水主要分布于⑦土層中，其中⑦層承壓水水頭高程為-1.97m（吳淞高程）。

2 工井支護結(jié)構(gòu)選型

現(xiàn)狀國順東路早晚高峰車流量高，設計及施工方案要充分考慮施工期間對現(xiàn)狀道路通行能力的影響。基于以上限制條件，結(jié)合8＃工井基坑的開挖深度、所處位置及施工條件，在滿足基坑及周邊環(huán)境安全的前提下，對8＃工井的支護結(jié)構(gòu)型式進行選型分析。

2.1 地連墻圍護結(jié)構(gòu)

地連墻厚度采用1.0m，混凝土強度等級為水下C35，墻身長度44.5m，隔斷⑦號承壓水層。豎向結(jié)合工井樓板設置五道鋼筋混凝土圓環(huán)支撐，混凝土強度等級為C35，豎向中心間距依次6.7m、3.6m、3.6m及4.0m。第一道鋼筋混凝土圈梁的截面尺寸為1.2m ×1.0m，其余各道鋼筋混凝土腰梁的截面尺寸為0.85m×1.2m。8＃工井基坑順作施工的剖面如圖1 所示，具體施工步驟如下：

圖1 8＃工井順作基坑剖面Fig.1 Excavations profile of No.8 work shaft bottom-up method

1）施工土體加固及圍護結(jié)構(gòu)。

2）圍護結(jié)構(gòu)及土體加固均達到設計強度后，開挖2.5m，施工第一道圈梁。

3）待上道梁達到設計強度80%后，分別開挖6.8m、3.6m、3.6m、4.0m 至第二、三、四、五道腰梁底部，施工相應的腰梁。

4）待第五道腰梁強度達到設計強度80%后，開挖至坑底，施工墊層及底板。

5）待底板達到設計強度80%后，局部拆除第五道腰梁并施工井筒至第四道腰梁下方，待達到設計強度后進行頂管及盾構(gòu)的接收。

6）盾構(gòu)及頂管接收完畢后，澆注剩余結(jié)構(gòu)。

利用同濟啟明星深基坑支擋結(jié)構(gòu)設計計算軟件（FRWS7）進行剖面計算，計算結(jié)果顯示圍護結(jié)構(gòu)的最大水平位移為33.3mm，支護結(jié)構(gòu)變形滿足規(guī)范要求。

2.2 灌注樁圍護結(jié)構(gòu)

灌注樁樁徑采用1.2m，混凝土強度等級為水下C35，樁長44.5m，結(jié)合樁外止水帷幕隔斷⑦號承壓水層。豎向結(jié)合工井樓板設置五道鋼筋混凝土圓環(huán)支撐，混凝土強度等級為C35。

灌注樁圍護結(jié)構(gòu)在豎向相同位置處同樣設置五道鋼筋混凝土圓環(huán)支撐，第一道鋼筋混凝土圈梁尺寸分別為1.4m ×1.0m，其余各道腰梁的豎向間距、截面尺寸、開挖工況均與地連墻圍護結(jié)構(gòu)一致。在排樁土反力計算寬度考慮土拱效應的前提下，利用FRWS進行剖面計算，計算結(jié)果顯示圍護結(jié)構(gòu)的最大水平位移37.6mm，支護結(jié)構(gòu)的變形滿足規(guī)范要求。

2.3 施工場地布置

針對兩種類型支護結(jié)構(gòu)的施工工藝，進行了場地布置。地連墻作為支護結(jié)構(gòu)時，場地布置完成后，合計占地約2000m2，將完全阻斷現(xiàn)狀國順東路。灌注樁作為支護結(jié)構(gòu)時，場地布置完成后，合計占地約1600m2，國順東路可留出半幅路供機動車通行。

2.4 工井支護結(jié)構(gòu)確定

從施工周期、施工占用場地、對現(xiàn)狀交通影響、對周邊環(huán)境影響四個方面對比地連墻與灌注樁支護結(jié)構(gòu)如表2 所示。

表2 支護結(jié)構(gòu)對比分析Tab.2 Comparative analysis table of retaining and protection

結(jié)合8＃工井基坑開挖深度、所處的地理位置以及群眾對通行能力的要求，在確保安全的前提下，經(jīng)過對比分析，灌注樁支護結(jié)構(gòu)在施工周期、施工占用場地、對現(xiàn)狀交通影響三個方面占據(jù)一定優(yōu)勢，因此確定8＃工井基坑采用灌注樁進行支護。

3 工井基坑設計

3.1 坑內(nèi)土體加固

支護樁采用豎向彈性地基梁法進行內(nèi)力和變形的計算，坑內(nèi)開挖面以上的內(nèi)支撐，以彈性支座模擬，坑內(nèi)開挖面以下的作用在支護樁的彈性抗力以水平彈簧支座模擬。

軟土地區(qū)基坑設計時，一般僅對最終開挖面以下的軟弱土體進行加固，以提升坑底以下土體的水平向基床系數(shù)，減小支護結(jié)構(gòu)的水平變形和內(nèi)力。但當基坑開挖深度較深，開挖范圍內(nèi)存在較厚軟弱土層時，支護樁的內(nèi)力往往在開挖至最終開挖面前達到最大。

8＃工井開挖深度14.16m ～23.8m 范圍內(nèi)為④和⑤1軟弱土層，經(jīng)FRWS 計算，不同加固水平下支護結(jié)構(gòu)變形和彎矩如圖2、圖3 所示。

圖2 不同加固水平支護結(jié)構(gòu)變形對比（FRWS）Fig.2 Retaining and protection structure deformation comparison diagram of different reinforcement levels（FRWS）

圖3 不同加固水平支護結(jié)構(gòu)彎矩對比（FRWS）Fig.3 Retaining and protection structure bending moment comparison diagram of different reinforcement levels（FRWS）

僅對最終開挖面以下的軟弱土層進行加固時，支護結(jié)構(gòu)的變形增長速率較快，支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移為37.6mm；支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的最大值出現(xiàn)在開挖深度16.5m 和20.5m 的工況，支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的最大值為2947.7kN·m。

對最終開挖面以上及以下的軟弱土層全部加固后，支護結(jié)構(gòu)的變形增長速率較慢，支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移為22.9mm，為前者的61%；支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的最大值出現(xiàn)在開挖至坑底的工況，支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的最大值為1938.2kN·m，為數(shù)值前者的66%。

因此本工井基坑設計時，對坑內(nèi)所有的軟弱土層采用超高壓噴射注漿法（RJP）進行加固，以減小基坑開挖過程中支護結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力。

3.2 工井施工次序

柱列式支護結(jié)構(gòu)整體性較地連墻要差，可通過井筒自上而下逆作的方式來解決整體性較差的問題，同時也一定程度上提高了支撐的剛度，以更好的控制基坑變形、防范施工風險。結(jié)合8＃工井逆作基坑的實際特點，基坑剖面如圖4 所示，確定具體施工次序如下：

圖4 8＃工井逆作基坑剖面Fig.4 Excavations profile of No.8 work shaft top-down method

1）施工土體加固及圍護結(jié)構(gòu)。

2）圍護結(jié)構(gòu)及土體加固均達到設計強度后，開挖2.5m，施工第一道圈梁。

3）待第一道圈梁達到設計強度80%后，開挖3.5m，施工該范圍內(nèi)的井筒。

4）待上道梁及井筒達到設計強度80%后，分別開挖3.3m、3.6m、3.6m、4.0m 至第二、三、四、五道腰梁底部，施工相應的井筒及腰梁。

5）待井筒及第五道腰梁強度達到設計強度80%后，開挖至坑底，施工該范圍內(nèi)的井筒及底板。

6）待底板及井筒達到設計強度80%后，局部拆除第五道腰梁及井筒，進行頂管及盾構(gòu)的接收。

7）盾構(gòu)及頂管接收完畢后，澆注剩余樓板及頂板結(jié)構(gòu)。

3.3 施工工藝選擇

工井基坑分七次開挖，井筒自上而下分六次澆筑。

在工井基坑采用井筒順作法施工工藝時，各道圈（腰）梁為基坑的支撐結(jié)構(gòu)，由于支撐高度較小，將各道支撐簡化為位于中心位置的彈性支座進行剖面計算，計算結(jié)果偏差不大。

在工井基坑采用井筒逆作施工工藝時，澆筑完成的井筒及圈（腰）梁為基坑的支撐體系，高度較高。若將某個施工次序內(nèi)澆筑完成的井筒及腰梁，簡化為位于其中心位置的彈性支座進行剖面計算，計算結(jié)果偏差很大，因此需對井筒及圈（腰）梁的支撐體系進行豎向細分。

結(jié)合實際情況，將第一節(jié)井筒等效為三道支撐、第二～五節(jié)井筒各等效為兩道支撐、各圈（腰）梁各自等效為一道支撐，合計十六道支撐，在各自中心位置處施加相應剛度的彈性支座進行剖面計算。

各道腰梁及井筒是在自身范圍內(nèi)支護樁變形完成后澆筑的，在進行下一步開挖時，由于邊界條件的變化，支護樁的變形進行重調(diào)整，已澆筑完成的腰梁及井筒開始發(fā)揮約束作用。由于腰梁接近開挖面，在整個支護樁重塑力學平衡的過程中，其承擔了大部分支護樁傳遞來的荷載，還有一小部分由臨近腰梁的井筒承擔，這一差別致使兩種施工工藝下各計算結(jié)果稍有差異。不同施工工藝下各腰梁所承擔的荷載如圖5、圖6 所示。

圖5 不同施工工藝支撐反力對比（FRWS）Fig.5 Support reaction force comparison diagram of different construction techniques（FRWS）

圖6 井筒與腰梁支撐反力對比（FRWS）Fig.6 Comparison of reaction force between work shaft wall and waist beam（FRWS）

在電力隧道工井井筒逆作施工工藝下，支護結(jié)構(gòu)的變形值較?。▓D7），可以更加有效的減小基坑開挖對周邊環(huán)境的影響，同時還可以提升柱列式圍護結(jié)構(gòu)的整體性，防范樁間流土等施工風險。

圖7 不同施工工藝支護結(jié)構(gòu)變形對比（FRWS）Fig.7 Retaining and protection structure deformation comparison diagram of different construction techniques（FRWS）

3.4 不良地質(zhì)處理

8＃工井開挖深度范圍內(nèi)為②3層、④層及⑤1層，坑底以下為⑤1、⑥及⑦層。

②3層滲透系數(shù)較大，開挖揭露時在具有一定水頭的動水壓力作用下易產(chǎn)生流砂現(xiàn)象?？紤]到8＃工井深度較深，環(huán)境保護等級為一級，灌注樁施工質(zhì)量要求高，故在灌注樁樁位處對軟弱土層及砂性土層深度范圍采用1 根?1600 超高壓旋噴樁進行預加固，以確保成樁質(zhì)量，灌注樁外側(cè)采用1 排?1600＠1100mm 超高壓旋噴樁進行止水，樁長44.5m，隔斷⑦號承壓水層。

4 數(shù)值模擬

采用PLAXIS 2D軟件建立數(shù)值計算模型，進一步分析兩種施工工藝對支護結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力及周邊環(huán)境的影響。

將圍護結(jié)構(gòu)體系簡化為平面應變模型，根據(jù)王衛(wèi)東等［2，3］的研究成果及工程經(jīng)驗，確定土體的本構(gòu)模型為HS-Small模型，各土層所對應的力學參數(shù)根據(jù)地勘報告及王衛(wèi)東等［4，5］的研究成果確定。根據(jù)剛度等效原理，將灌注樁等效為等剛度的地連墻，采用板單元模擬，井筒及腰梁支撐等效為錨錠桿單元進行模擬，排水管道及鄰近構(gòu)筑物的底板采用板單元進行模擬。

有限元模型的尺寸為160m×70m，土體采用15 節(jié)點三角形單元，底部邊界滲流路徑為關閉，有限元計算結(jié)果顯示出的規(guī)律與采用FRWS軟件計算得到規(guī)律基本相同，即：

1）井筒逆作施工工藝時，腰梁承擔了絕大部分支護樁傳遞來的荷載，如圖8、圖9 所示。

圖8 不同施工工藝支撐反力對比（PLAXIS）Fig.8 Support reaction force comparison diagram of different construction techniques（PLAXIS）

圖9 井筒與腰梁支撐反力對比（PLAXIS）Fig.9 Comparison of reaction force between work shaft wall and waist beam

2）井筒逆作施工工藝時，支護結(jié)構(gòu)的最大變形值為14.2mm，小于井筒順作施工工藝時支護結(jié)構(gòu)的最大變形值16.1mm，如圖10 所示。

圖10 不同施工工藝支護結(jié)構(gòu)變形對比（PLAXIS）Fig.10 Retaining and protection structure deformation comparison diagram of different construction techniques（PLAXIS）

在計算模型建立時，將臨近的DN3500 污水管及二層養(yǎng)老院建入模型中，以模擬分析各施工工藝在各基坑開挖階段對其影響。計算結(jié)果顯示，井筒順作施工工藝下，臨近污水管道的最大位移為10.4mm，大于井筒逆作施工工藝下臨近污水管道的最大位移8.2mm，如圖11 所示。井筒順作施工工藝下，臨近二層養(yǎng)老院的最大位移為13.1mm，大于井筒逆作施工工藝下臨近養(yǎng)老院的最大位移8.1mm，如圖12 所示。

圖11 污水管位移對比Fig.11 Waste pipe deformation comparison diagram

圖12 建筑物位移對比Fig.12 Building deformation comparison diagram

這進一步印證了井筒逆作施工工藝較順作施工工藝在保護周邊環(huán)境安全更具有優(yōu)勢。

5 結(jié)論

1.上海市老城區(qū)電力隧道工井支護結(jié)構(gòu)選型時，在確?；影踩那疤嵯?，應選擇施工周期短、施工期間占用場地小的支護結(jié)構(gòu)。

2.工井基坑開挖范圍內(nèi)存在較厚軟弱土層時，通過對最終開挖面以上軟弱土體進行加固，可以大幅度減小支護結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力。

3.工井井筒逆作時，隨著工井基坑開挖，臨近開挖面的支撐結(jié)構(gòu)承擔著大部分支護樁傳遞來的荷載，井筒距離開挖面越遠，其所承擔的荷載越小。

4.工井井筒逆作時，基坑開挖對周邊環(huán)境的影響小，能夠更有效的確保周邊既有建（構(gòu)）筑物及市政管網(wǎng)的安全。