深圳市城際鐵路工程區(qū)間圓形工作井形式及計(jì)算方法研究

李瀟 LI Xiao

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510010）

1 研究背景

根據(jù)粵港澳大灣區(qū)城際網(wǎng)規(guī)劃。深圳近期建設(shè)5個(gè)項(xiàng)目，項(xiàng)目總長(zhǎng)約410公里，總投資約2018億元，其中，城際項(xiàng)目3個(gè)，于2020年年初開展可研階段工作。分別為：深大城際：69.2km，設(shè)站11座，設(shè)九圍動(dòng)車段1座；深惠城際：59.4km，設(shè)站10座；龍大城際：39.5km，設(shè)站6座，設(shè)新大存車場(chǎng)一座。

城際鐵路長(zhǎng)大區(qū)間較多，且埋深更大，因此對(duì)投資的影響更為顯著；受制于曲線半徑大，下穿眾多控制點(diǎn)（高速公路、市政橋梁、建筑物、軌道交通、供水設(shè)施等），區(qū)間平均埋深在50m左右，工作井深度在40-60m。

從結(jié)構(gòu)形式上，需要優(yōu)化圍護(hù)和主體結(jié)構(gòu)形式，達(dá)到受力合理，截面優(yōu)化，工效提高的目的。對(duì)于超深工作井，一方面隨著深度的增加，水土壓力也增大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)截面也相應(yīng)增加，從而造成投資增加；另一方面超深工作井支撐鑿除或拆除周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大、工序銜接差、工效低。

從規(guī)模上，需要精細(xì)化設(shè)計(jì)，在保證工效的前提下優(yōu)化工作井的規(guī)模。城際鐵路車站多數(shù)為樞紐站，往往受到邊界條件不穩(wěn)定和拆遷的影響，多數(shù)不具備始發(fā)條件，因此區(qū)間工作井以（雙）始發(fā)為主，規(guī)模也大于接收井。工作井對(duì)投資和工期的影響也更大。

2 工作井形式和規(guī)模

傳統(tǒng)工作井采用矩形斷面形式，地下連續(xù)墻+環(huán)框梁及內(nèi)支撐順筑法，但是隨著埋深增加彎矩加大，從而造成地連墻截面大，并且需要設(shè)置中立柱和內(nèi)支撐，影響施工，如圖1所示。如果采用圓形地下連續(xù)墻+內(nèi)襯墻逆筑（或環(huán)框梁順筑法），受力較為合理，軸力大彎矩小，井內(nèi)凈空合理利用，不影響施工，經(jīng)濟(jì)安全。

圖1 矩形工作井形式

圓形工作井考慮始發(fā)條件及主體結(jié)構(gòu)形式可以采用三種方案。綜合考慮推薦采用圓形工作井第三種形式。

第一種為端頭采用砼端墻，無(wú)前后導(dǎo)洞，分體始發(fā)。采用逆順結(jié)合，工作井主體范圍順筑，主體施工后施筑砼端墻，預(yù)埋洞口環(huán)板，分體始發(fā)。優(yōu)點(diǎn)是洞門節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單，整體性好，結(jié)構(gòu)安全性高。缺點(diǎn)是施筑端墻后空間受限，盾構(gòu)分體始發(fā)，施工工效低。為保證空間，工作井規(guī)模增大后不經(jīng)濟(jì)。如圖2所示。

圖2 圓形工作井形式一

第二種為端頭采用洞口圈梁+環(huán)框梁，加設(shè)前后導(dǎo)洞，整體始發(fā)。采用順筑或逆順結(jié)合，工作井主體范圍順筑，將洞口圈梁施工完成后，破除洞門礦山法施作導(dǎo)洞，盾構(gòu)始發(fā)。優(yōu)點(diǎn)是工作井內(nèi)凈空可以做到利用最大化，加上前后導(dǎo)洞，可以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)洞內(nèi)整體始發(fā)，工效高。缺點(diǎn)是洞口節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，對(duì)管片和圓形地連墻的削弱大，工程風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)高。如圖3所示。

圖3 圓形工作井形式二

第三種為主體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后，加設(shè)前后導(dǎo)洞，整體始發(fā)。采用逆順結(jié)合，工作井主體范圍順筑，主體結(jié)構(gòu)預(yù)留出洞和盾構(gòu)始發(fā)條件，主體完成后破除洞門施作導(dǎo)洞，盾構(gòu)始發(fā)。優(yōu)點(diǎn)是融合了方案一和方案二的優(yōu)點(diǎn)，在不增加規(guī)模的情況下做到整體始發(fā)，主體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后圈梁和環(huán)框梁尺寸減小。工作井凈空考慮始發(fā)、出渣、吊裝、垂直電梯、風(fēng)管布置等要求，其中受隧道洞門圈梁和始發(fā)施工作業(yè)空間控制。17.6m線間距前后導(dǎo)洞采用礦山空推管片的區(qū)間工作井內(nèi)襯墻凈空為33m；圈梁處設(shè)置暗柱，并與縱橫向隔墻形成剛性連接，對(duì)開洞處加強(qiáng)。主機(jī)距離側(cè)墻邊1000mm（困難情況下不小于500mm）。工作井底板考慮盾構(gòu)始發(fā)和接收要求，下沉1700mm，設(shè)置前后導(dǎo)洞。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)襯墻進(jìn)行支護(hù)。采用一挖一襯的順序擬筑施工。在主體結(jié)構(gòu)以上部分為疊合墻體系。在主體范圍采用逆筑復(fù)合墻體系，全包防水。內(nèi)部隔墻采用順筑，完成隔墻后灌填混凝土后破洞門開挖礦山盲洞。安全性相對(duì)較高，全包防水效果好。但防水節(jié)點(diǎn)需特殊處理，洞口圈梁范圍逆筑工藝復(fù)雜。如圖4所示。

圖4 圓形工作井形式三

3 計(jì)算方法

3.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方法

對(duì)于圓形地下連續(xù)墻，可供選擇的計(jì)算方法有平面豎向彈性地基梁法、空間彈性地基板法、三維連續(xù)介質(zhì)有限元法和有限差分法等。

雖然平面豎向彈性地基梁法已成為目前工程界普遍采用的計(jì)算方法，但是，對(duì)于空間效應(yīng)明顯的圓形基坑，采用平面彈性地基梁法求解地下連續(xù)墻的內(nèi)力和變形時(shí)，忽略了圓形圍護(hù)結(jié)構(gòu)的三維拱效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際受力情況不符，導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)過于保守而造成資源浪費(fèi)或者留下安全隱患。并且在平面分析模式下，作用在地下連續(xù)墻外側(cè)的水土壓力全部由內(nèi)支撐體系和坑外土體的抗力來(lái)平衡，各道水平支撐產(chǎn)生的軸力較大，分析結(jié)果并不合理。

因此，對(duì)于空間效應(yīng)明顯的圓形地下連續(xù)墻，采用空間彈性地基板法和三維連續(xù)介質(zhì)法分析地下連續(xù)墻的實(shí)際受力狀態(tài)更為合理。

以某區(qū)間2#井為例，分別采用上述兩種方法對(duì)其圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示空間彈性地基板法的內(nèi)力明顯小于平面豎向彈性地基梁法內(nèi)力。如圖5~圖6所示。

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果（平面豎向彈性地基梁法）

圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩計(jì)算結(jié)果（空間彈性地基板法）

3.2 平面豎向彈性地基梁法

①地連墻等效分布彈性系數(shù)。

圓形地連墻的空間效應(yīng)，軸線對(duì)稱結(jié)構(gòu)取單位寬度的地下連續(xù)墻墻體作為豎向彈性地基梁。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363-2019）附錄T，圓形地連墻的環(huán)向效應(yīng)可采用沿深度方向的彈性支撐來(lái)替代。

其中環(huán)向剛度折減系數(shù)應(yīng)根據(jù)工程具體情況研究采用，主要考慮墻段間存在的泥皮對(duì)圓形地下連續(xù)墻墻體環(huán)向受壓剛度的削弱。槽段混凝土是分期澆注的，由于采用泥漿護(hù)壁，二期槽段澆注時(shí)，在一、二期墻段間必然存在一定厚度的泥皮?；娱_挖時(shí)，外側(cè)水土壓力作用導(dǎo)致墻體環(huán)向受壓，泥皮在壓力作用下產(chǎn)生變形，從而削弱了墻體的環(huán)向剛度。圓形地下連續(xù)墻直徑越大、槽段接頭數(shù)越多、泥皮厚度越大，則削弱程度越大。削弱程度的取值，與施工單位的技術(shù)水平、經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)，需要根據(jù)工程具體情況研究采用。武漢陽(yáng)邏大橋南錨錠基礎(chǔ)圓形地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算中，采用了法國(guó)基礎(chǔ)公司根據(jù)其多年經(jīng)驗(yàn)提供的建議方法對(duì)a值進(jìn)行了計(jì)算，算得a為0.417。根據(jù)信息化施工監(jiān)測(cè)結(jié)果，墻體受力及變形狀態(tài)與計(jì)算結(jié)果非常吻合。武漢陽(yáng)邏大橋南錨錠基礎(chǔ)圓形地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)外徑達(dá)73m，墻厚1.5m，最大墻深約61m，最大開挖深度約45m，己達(dá)相當(dāng)規(guī)模，因此本條取用a低限值為0.4，能夠包括一般情形下的圓形地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)。a高限值取0.7主要參考了《港口工程地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》。

②內(nèi)襯墻、內(nèi)環(huán)梁等效彈性系數(shù)。

內(nèi)襯墻由于其整體性，充分考慮其空間效應(yīng)，采用根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363-2019）附錄T，當(dāng)圓形地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)利用內(nèi)環(huán)梁或內(nèi)襯作支承時(shí)，可將內(nèi)環(huán)梁或內(nèi)襯墻以等效彈性支承來(lái)替代。

應(yīng)考慮地層、地下水、地面荷載分布的不均勻性，以及圓環(huán)向外側(cè)變形區(qū)域的土體對(duì)內(nèi)環(huán)梁或內(nèi)襯的約束作用。缺乏資料時(shí)，荷載作用的不均勻系數(shù)可取1.1~1.2，安全起見，按沿對(duì)角象限分布進(jìn)行計(jì)算。

3.3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

圓形工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算除整體滑動(dòng)、抗傾覆、嵌固、抗隆起、滲流穩(wěn)定性驗(yàn)算外，還需進(jìn)行軸心受壓驗(yàn)算。

3.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算總結(jié)

①地連墻在豎向荷載不均勻，這比盾構(gòu)管片受力更為不利。且地連墻的作用主要是承擔(dān)未施作內(nèi)襯工況下的荷載作用。同時(shí)每幅地連墻結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，環(huán)向鋼筋未貫通。因此建議仍按照平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點(diǎn)法計(jì)算，配筋以豎向主筋為主。

②地連墻需考慮圓形地連墻的空間效應(yīng)，具體以《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定為準(zhǔn)。

③內(nèi)襯墻由于其整體性，建議采用空間彈性地基板法計(jì)算，充分考慮其空間受力的特性。配筋主筋為環(huán)向+縱向（雙向板）。

④地連墻存在施工垂直度偏差引起的有效厚度小于設(shè)計(jì)厚度的情況；同時(shí)地層差異存在不均勻荷載偏壓的情況；地面超載不均勻也有偏壓的情況；鄰近基坑開挖引起的應(yīng)力釋放也存在偏壓的情況。在設(shè)計(jì)中應(yīng)明確邊界條件，選取合理的計(jì)算模型和荷載工況。

4 結(jié)論及展望

4.1 結(jié)論

深圳城際鐵路的工作井具有深度深、平面尺寸大的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的方形結(jié)構(gòu)+密排支撐的支護(hù)形式不再適用，本著“好干、好用、省錢”的原則，經(jīng)前期深入研究，擬采用圓形結(jié)構(gòu)形式。經(jīng)理論分析，圓形結(jié)構(gòu)可考慮環(huán)向剛度、空間效應(yīng)，在控制變形、提高工效、控制投資等方面有顯著優(yōu)勢(shì)。

①建議依據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3363-2019），《港口工程地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（JTJ303-2003）的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行圓形支護(hù)地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，地下連續(xù)墻可按環(huán)向效應(yīng)的豎向彈性地基梁或空間結(jié)構(gòu)計(jì)算，內(nèi)襯墻的內(nèi)力和變形可按空間受力效應(yīng)的三維彈性地基板法計(jì)算。

②內(nèi)襯墻應(yīng)沿基坑深度方向分段變截面設(shè)計(jì)，隨著內(nèi)力增加逐步加厚，周邊環(huán)境簡(jiǎn)單、且地層較好時(shí)，頂部一定范圍內(nèi)可根據(jù)內(nèi)力情況不設(shè)內(nèi)襯墻。

③圓形地下連續(xù)墻墻體的環(huán)向效應(yīng)修正系數(shù)可取0.4~0.7，應(yīng)綜合考慮工作井半徑、槽段數(shù)量等工程具體情況合理取值，不應(yīng)脫離實(shí)際一律按0.4計(jì)算。地下連續(xù)墻環(huán)向有效厚度計(jì)算時(shí)垂直度可按1/300控制，基坑較淺、施工工藝成熟可靠時(shí)可適當(dāng)提高控制標(biāo)準(zhǔn)。

④應(yīng)合理控制地下連續(xù)墻和內(nèi)襯墻（環(huán)梁）的配筋量，避免因配筋過密導(dǎo)致混凝土振搗不密實(shí)，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。設(shè)計(jì)文件應(yīng)明確破洞門施工工序，驗(yàn)算主體結(jié)構(gòu)破洞門工況的結(jié)構(gòu)安全，加強(qiáng)薄弱節(jié)點(diǎn)處配筋。

⑤如采用全逆筑方案，應(yīng)結(jié)合地層條件及施工組織需求，靈活調(diào)整開挖進(jìn)尺，使結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮作用，且便于施工組織安排。

4.2 展望

①需要進(jìn)一步調(diào)研及比選內(nèi)襯墻和環(huán)梁方案，滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，綜合考慮止水效果、井內(nèi)施工環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)施工組織需求等因素，靈活選用相適應(yīng)的方案。

②內(nèi)襯墻與地連墻的剛度折減系數(shù)是否分開取值，應(yīng)如何取值，剛度計(jì)算前還是計(jì)算后折減[4]。

③三維計(jì)算模型如何準(zhǔn)確的反應(yīng)地下連續(xù)墻及其接頭，內(nèi)襯墻與地墻之間的連接關(guān)系如何體現(xiàn)；開挖工況增量法如何在軟件中便捷的實(shí)現(xiàn)。

④地連墻失穩(wěn)的穩(wěn)定性系數(shù)在未施作內(nèi)襯范圍如何考慮等。