城市深埋隧洞超大超深豎井支護選型及結(jié)構(gòu)設計

閆福根，鄒德兵，閔征輝，李子康，鐘 坤

(長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

0 引言

隨著構(gòu)建國家水網(wǎng)戰(zhàn)略實施，城市深埋隧洞工程建設將進入快車道發(fā)展階段[1]。豎井作為城市深埋隧洞主要附屬建筑物，正向超大超深的方向發(fā)展，出現(xiàn)了越來越多的50～60m甚至以上量級的豎井，相比于傳統(tǒng)水利水電工程豎井，其具有地質(zhì)條件復雜、臨近構(gòu)筑物密集、地下管線眾多、地下水位高、變形控制要求高、環(huán)保要求高等顯著特點[2～4]。城市深埋隧洞工程豎井深度幾十米甚至超百米，遠超深基坑工程定義的5m，如何選擇合適的支護型式，合理確定支護結(jié)構(gòu)尺寸，保證支護結(jié)構(gòu)變形可控、受力滿足規(guī)范要求，極大限度減少工程建設對人類活動的干擾是城市深埋隧洞工程超大超深豎井設計的重難點問題。

眾多學者對豎井的結(jié)構(gòu)變形計算、支護結(jié)構(gòu)分析及施工技術(shù)等方面進行了廣泛研究。曹程明等[5]考慮土拱效應對深豎井受力的影響，對深豎井倒掛壁支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進行計算分析，得到其受力沿深度的分布規(guī)律；駱曉鋒等[6]針對廈門抽水蓄能電站排風豎井覆蓋層井段，構(gòu)建了基于其前期施工中多點位移監(jiān)測資料的圍巖綜合力學參數(shù)優(yōu)化反演模型，對豎井覆蓋層段土質(zhì)圍巖的綜合力學參數(shù)進行了優(yōu)化反演；趙東平等[7]對豎井井型、豎井襯砌井壁壓力、豎井支護結(jié)構(gòu)、施工技術(shù)等方面進行了系列闡述，指出對于大面積超深豎井尚需綜合考慮結(jié)構(gòu)受力及空間利用問題，其結(jié)構(gòu)型式及支護方法有待進一步研究；宗露丹等[8]以某深56.3m、直徑30m的超深圓基坑為例，分析了其開挖變形過程及受力性狀，驗證了由原逆作內(nèi)襯墻方案優(yōu)化為順作環(huán)梁方案的可行性；周雄華等[9]通過分析巴陜高速公路米倉山特長隧道通風豎井開挖過程中的圍巖應力、襯砌位移和結(jié)構(gòu)內(nèi)力，驗證了支護結(jié)構(gòu)效果及支護參數(shù)的合理性；馮艷等[10]通過數(shù)值模擬的方式對以某隧洞附屬超深大直徑豎井采用地下連續(xù)墻和灌注樁兩種豎井基坑支護結(jié)構(gòu)進行比選研究，結(jié)果表明地下連續(xù)墻支護結(jié)構(gòu)因具備更好地變形和受力特性，作為推薦方案。目前對于基坑的研究眾多，但更多聚焦在特定支護型式的結(jié)構(gòu)計算，對于深基坑尤其是水利工程超深大直徑豎井支護結(jié)構(gòu)的選擇及合理性分析還有待進一步研究，缺少從支護結(jié)構(gòu)選型到穩(wěn)定分析計算全過程超大豎井鏈條式設計的相關研究。對此，本文以深圳LT 3#超大超深工作井為例，在分析193個深基坑工程及117個地下連續(xù)墻工程的基礎上，采用工程類比、數(shù)值計算理論計算等方法，詳細闡述了3#工作井支護結(jié)構(gòu)選型、穩(wěn)定計算和結(jié)構(gòu)設計全過程。計算結(jié)果表明本文提出的豎井支護方案可行，可為其他超大城市深埋隧洞豎井設計提供借鑒經(jīng)驗。

1 工程概況

深圳LT輸水隧洞工程是珠江三角洲水資源配置工程在深圳境內(nèi)配套項目之一，3#工作井地處新玉路與五指耙公園連接線北側(cè)，兼做五指耙水廠分水井。場區(qū)地貌單元為低臺地，地面高程21.2～28.7m，地勢平緩。地表為人工填土，厚約1.6m，其下為殘積含礫粘性土，厚約13.4m，下部巖層為奧陶紀花崗巖，其中全風化花崗巖厚約16.0m、強風化花崗巖厚約4.3m、弱風化花崗巖厚約0.2m。地下水埋深約7m，為基巖裂隙承壓水，賦存于強風化層、巖體破碎帶和巖體裂隙中。3#工作井位置及影像示意如圖1所示。

圖1 3#工作井位置及影像示意圖

2 支護型式選擇

深圳LT輸水隧洞工程3#工作井基坑開挖深度為68.6m，入微風化花崗巖深度達到33m，基坑地質(zhì)剖面簡圖如圖2所示。

圖2 3#工作井地質(zhì)剖面簡圖

根據(jù)JGJ 120-2012《建筑基坑設計技術(shù)規(guī)范》，結(jié)合以往工程經(jīng)驗，目前常用于深基坑支護類型主要有自動化沉井、鉆孔咬合樁、氣壓沉箱、SWM(新型水泥土攪拌樁墻)、土釘墻、地下連續(xù)及墻樁錨支護等支護方式[11]。吳群慧[12]在上海市軌道交通7號線常熟路車站提出模擬連續(xù)自控化氣壓沉箱方案，沉箱承載層為軟土地基，工程實踐[13]表明自動化沉井一般只適用抗壓強度≤5MPa的軟巖，本工程微風化花崗巖強度達到110MPa，自控化氣壓沉箱不合適。楊公正[14]提出了無套筒普通混凝土咬合樁施工方法，并在昆明地鐵基坑得到廣泛應用，張江雄[15]提出軟弱地層全套管咬合樁拔錨施工技術(shù)，應用于十字門隧洞深基坑，由于套筒咬合樁在中風化巖層及以下地層施工存在成樁困難的缺點，本工程支護結(jié)構(gòu)需深入微風化花崗巖，套筒咬合樁不可行。另外，考慮到本工程為特大城市深埋隧洞工程，施工要求高，工期緊張，而氣壓沉箱支護措施存在施工工期較長的缺陷，因此亦不考慮氣壓沉箱圍護型式。綜上分析，上述3種支護型式均不可行，具體原因見表1。本文將重點對SWM、土釘墻、地下連續(xù)墻及樁錨結(jié)構(gòu)進行比選。

表1 套筒咬合樁等支護型式不可行原因分析表

2.1 國內(nèi)工程調(diào)研

筆者通過文獻查閱、資料收集等多種方式收集了國內(nèi)193座深基坑支護型式。

(1)SWM工程案例：襄垣某高層住宅基坑[16]，開挖深度約6m；上海某大型工程基坑[17]，開挖深度約6.5m；廣東中山某城市綜合開發(fā)項目二層地下室基坑[18]，開挖深度9.3m；南昌某地鐵基坑[19]，開挖深度8.5m；漳州市龍文區(qū)某辦公樓基坑[20]，開挖深度6.9m。SWM主要應用于深度不大于10m的基坑。

(2)土釘墻工程案例：南寧中關村信息谷產(chǎn)業(yè)園項目基坑開挖深度4.8m，采用土釘墻支護；央視CCTV基坑基坑開挖深度12～22m，采用土釘墻+灌注樁；中國國家博物館改擴建基坑支護工程基坑開挖深度14.65m，采用擋土墻+灌注樁；從工程案例來看，土工墻一般適用于深度在5～20m之間的基坑，且需要與樁錨支護組合使用。

(3)地下連續(xù)墻工程案例：徐中華[21]收集了上海地區(qū)截止2008年采用地下連續(xù)墻工程實例，基坑開挖深度為10～30m。隨著技術(shù)發(fā)展，越來越多深基坑采用地下連續(xù)墻，比如：上海北橫通道基坑[22]開挖深度30.4m，武漢陽邏長江公路大橋南錨碇工程開挖深度41.5m，清云高速西江特大橋項目基坑[23]開挖深度46m，江蘇潤揚(鎮(zhèn)江-揚州)長江公路大橋的南汊懸索橋北錨碇基坑開挖深度48m，南水北調(diào)穿黃工程南岸和北岸基坑開挖深度分別為57m和49.8m，滇中引水昆明段龍泉倒虹吸出口接收井基坑深78.3m，上海環(huán)球金融中心[24]主樓基坑直徑100m、挖深18.35m，珠江三角洲水資源配置工程沿線30余座豎井基坑深度16.2～68.8m，超30座采用了地下連續(xù)墻支護型式。從工程案例來看，地下連續(xù)應用最為廣泛，且最大基坑深度達到近80m。

(4)樁錨支護工程案例：西安市地下綜合管廊基坑[25]開挖深度10.9m，采用混凝土灌注樁+錨桿+鋼支撐進行支護；北京財源國際中心基坑開挖深度約26m，采用灌注樁+5層錨桿支護體系；重慶市某醫(yī)院防治中心項目基坑[26]開挖深度26.8m；北京工人體育場復建項目中的地鐵接駁區(qū)域的基坑[27]開挖深度30m，采用雙排樁+錨桿進行支護，樁錨支護普遍應用在深度為10～40m的基坑。

基坑支護型式與基坑深度分布如圖3所示。

圖3 基坑支護型式與基坑深度關系(193個基坑工程)

根據(jù)圖3可知：SMW主要應用于深度小于10m或在10m左右的基坑；當基坑深度范圍為10～25m時，可選用土釘墻、地下連續(xù)墻、樁錨支護等支護型式；當基坑深度范圍為25～40m時，可選用地下連續(xù)墻和樁錨支護，其中地下連續(xù)墻應用的較多；當基坑深度大于40m時，基坑主要采用地連墻支護。另外，類比同類水利工程可知，珠江三角洲水資源配置工程沿線30余座工作井中絕大部分采用了地下連續(xù)墻；滇中引水昆明段龍泉倒虹吸出口接收井、南水北調(diào)穿黃工程南岸和北岸豎井等基坑亦采用地下連續(xù)墻支護。3#工作井位于深圳市區(qū)內(nèi)，豎井基坑安全等級為一級，豎井開挖具有直徑大、深度深，對支護結(jié)構(gòu)止水效果要求高等特點。隨著地下連續(xù)墻技術(shù)的發(fā)展，其施工工藝已經(jīng)十分成熟，已有工程實踐表明，地下連續(xù)墻具有剛度大、整體性好、止水效果佳以及對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點，其普遍應用于井深大于35m的一級基坑。綜上，筆者認為，3#工作井基坑支護型式采用地下連續(xù)墻是合適的。

2.2 地下連續(xù)墻厚度初擬

筆者進一步統(tǒng)計了117座深基坑地下連續(xù)墻厚度，詳見表2；分析了基坑深度與地下連續(xù)墻厚度關系，如圖4所示。

表2 地下連續(xù)墻墻厚與基坑深度統(tǒng)計表 單位：m

圖4 地下連續(xù)墻厚度與基坑深度關系圖(117個地下連續(xù)墻工程)

從圖4、表2可知，當基坑深度小于35m，地連墻厚度以0.8m和1.0m為主，極少數(shù)工程采用0.5m；當基坑深度大于35m，地下連續(xù)墻厚度普遍采用1.2m，部分工程采用1.0m，極少數(shù)工程采用1.5m。3#工作井基坑深度為68.6m，遠超40m，參考上述工程經(jīng)驗，地下連續(xù)墻厚度初擬為1.2m是合適的。

3 地下連續(xù)墻抗傾覆穩(wěn)定計算

3.1 基本假設

(1)將每幅地下連續(xù)墻視為相互獨立的豎向圍護結(jié)構(gòu)。

(2)對基坑開挖過程中已施作混凝土內(nèi)襯的墻段(自基坑頂部至混凝土內(nèi)襯下端O點)，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。未施做混凝土內(nèi)襯墻段(O點以下)墻段抗傾失穩(wěn)模式為繞點O轉(zhuǎn)動的踢腳破壞。

按上述計算假設，參照JGJ 120-2012，確定3#工作井地下連續(xù)墻抗傾覆穩(wěn)定計算模型如圖5所示。

圖5 地下連續(xù)墻抗傾覆穩(wěn)定計算模型圖

3.2 計算工況

3#工作井地下連續(xù)墻段采用逆作法施工，開挖完成后跟進施工內(nèi)襯，每層開挖和襯砌高度均為3m，按上述施工順序，3#工作井12種工況計算簡圖如圖6所示。

圖6 12種工況地下連續(xù)墻抗傾覆穩(wěn)定計算簡圖

3.3 成果分析

根據(jù)前述假定并結(jié)合JGJ 120-2012相關規(guī)定，各工況地下連續(xù)墻抗傾覆穩(wěn)定采用式(1)計算：

(1)

式中，Kem-結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；Eak-基坑外側(cè)水土壓力合力的標準值，土壓力采用靜止土壓力；Epk-基坑內(nèi)側(cè)水土壓力合力的標準值，土壓力采用被動土壓力；Zak-基坑外側(cè)水土壓力合力至O點距離；Zpk-基坑內(nèi)側(cè)水土壓力合力至O點距離。

經(jīng)計算，3#工作井各工況地下連續(xù)墻抗傾覆穩(wěn)定計算成果見表3。

表3 3#工作井各工況地下連續(xù)墻抗傾覆穩(wěn)定計算成果

由計算結(jié)果可知，3#工作井各工況條件下，地下連續(xù)墻抗傾覆安全系數(shù)Kem為1.30～3.21，其中工況十二安全系數(shù)最小，為1.30，均滿足JGJ120-2012中安全系數(shù)不小于1.25的要求，墻厚選擇1.2m可行。

4 地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)計算及設計

4.1 計算假設及方法

(1)地下連續(xù)墻按單寬豎直桿件模擬，桿底端設一豎向彈性鏈桿，用以考慮其豎向變形。

(2)已成環(huán)的內(nèi)襯對地下連續(xù)墻采用彈性鏈桿考慮其成拱支撐作用，相應的彈性鏈桿支承剛度采用式(2)-(4)計算：

Di=kibsi

(2)

(3)

(4)

式中，Di-i號鏈桿支承剛度；B-地下連續(xù)墻計算寬度；si-i號鏈桿模擬范圍；li+1、li-1--i號鏈桿分別至i+1號鏈桿和i-1號鏈桿的距離；ri+1、hi-1-內(nèi)襯于i號鏈桿模擬范圍的半徑和徑向厚度；Ei+1、μi-1-內(nèi)襯于i號鏈桿模擬范圍的彈性模量和泊松比。

(3)尚埋在土體中的地下連續(xù)墻段，采用彈性鏈桿考慮土體對墻段的支撐作用。

(4)開挖范圍的地下連續(xù)墻段，不考慮土體對墻段的支撐作用。

(5)逆作法施工過程：豎井外部水、土壓力以及井內(nèi)土體中的水壓力分別以分布荷載施加到地下連續(xù)墻上。

(6)采用SAP84程序?qū)Φ叵逻B續(xù)墻進行桿系結(jié)構(gòu)計算。

(7)根據(jù)計算結(jié)果配置地下連續(xù)墻鋼筋。

4.2 水平位移分析

經(jīng)計算，地下連續(xù)墻12種工況井內(nèi)側(cè)最大水平位移值隨開挖深度變化曲線如圖7所示。

圖7 地下連續(xù)墻井內(nèi)側(cè)最大水平位移值隨開挖深度變化曲線圖

由計算結(jié)果可知，墻內(nèi)側(cè)水平位移為4.51～9.89mm。隨開挖深度增加位移呈增大趨勢，開挖至高程1m時達到最大值9.89mm，而后隨開挖深度增加位移呈減小趨勢。位移最大值出現(xiàn)在工況六，即開挖至全風化花崗巖體后，墻內(nèi)側(cè)位移最大，最大位移小于墻體高度的2‰，即0.002H=14.3mm，同時小于30mm，滿足規(guī)范要求?？傮w上看地下連續(xù)墻墻內(nèi)側(cè)水平位移較小，表明基坑施工過程中，地下連續(xù)墻及內(nèi)襯支撐有效控制了墻內(nèi)側(cè)水平位移。

4.3 彎矩計算

經(jīng)計算，12種工況地下連續(xù)墻彎矩最大值(最大正值和最大負值)隨開挖深度變化曲線如圖8所示。

圖8 地下連續(xù)墻彎矩最大值隨開挖深度變化曲線圖

由計算結(jié)果可知：

(1)正彎矩為777～2575kN·m。隨開挖深度增加彎矩值呈增加趨勢，開挖至高程-4m時達到最大值2575kN·m，后隨開挖深度增加彎矩呈減小趨勢。最大彎矩值出現(xiàn)在工況八，即開挖至全風化巖體，開挖面(高程-7m)附近出現(xiàn)最大彎矩值。

(2)負彎矩為-964～-2052kN·m。隨開挖深度增加彎矩值呈增加趨勢，開挖至高程-4m時達到最大值-2052kN·m，而后彎矩值呈減小趨勢。最大彎矩值出現(xiàn)在工況八，即開挖至全風化巖體，開挖面(高程-4m)附近出現(xiàn)最大彎矩值。

4.4 配筋計算

本著運用安全、方便施工、經(jīng)濟合理的原則，對地下連續(xù)墻的鋼筋采用分段配置，第一節(jié)為高程2m以上6個墻段，選用最不利的3.5m截面內(nèi)力作為代表進行對稱配筋。第二節(jié)為高程2m以下6個墻段，選用最不利的高程-8.5m截面內(nèi)力為代表計算進行對稱配筋。經(jīng)計算：

第一節(jié)計算配筋面積4358mm2。實際采用對稱配筋每米配5根φ36鋼筋，配筋面積5089mm2；第二節(jié)計算配筋面積8254mm2。實際采用對稱配筋每米配7根φ40鋼筋，配筋面積8796mm2。

4.5 設計方案

基于上述理論計算成果，3#工作井墻厚取為1.2m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻深35m，內(nèi)、外徑分別為33、35.4m，墻頂和墻底高程分別為20.00、-15m，墻底深入微風化花崗巖體約0.8m，并設置1排錨索，間距4.5m，錨索長L=12m(其中：自由段6m，錨固段6m)，設計錨固力1000kN。

5 結(jié)論

本文以羅鐵輸水隧洞工程3#工作井為例，通過工程類比分析、理論計算等多種方法詳細闡述了特大城市深埋隧洞超深超大豎井支護型式選擇，地下連續(xù)墻厚度擬定，并對地下連續(xù)墻抗傾覆穩(wěn)定、變形及受力進行了理論計算，得出以下結(jié)論，可供類似城市深埋隧洞工程超大超深豎井設計提供經(jīng)驗。

(1)從調(diào)研的193個深基坑工程看：SMW主要適用深度小于10m或在10m左右的基坑；當基坑深度為10～25m時，可選用土釘墻、地下連續(xù)墻和樁錨支護等支護型式；當基坑深度為25～40m時，可選用地下連續(xù)墻和樁錨支護，其中地下連續(xù)墻應用的較多；當基坑深度大于40m時，基坑支護型式主要采用地下連續(xù)墻。

(2)從調(diào)研的117個地下連續(xù)墻工程看：當基坑深度小于35m，地連墻厚度以0.8m和1.0m為主，極少數(shù)工程墻體厚度為0.5m；當基坑深度大于35m，地下連續(xù)墻厚度主要采用1.2m。

根據(jù)工程調(diào)研，本文對初擬的1.2m厚地下連續(xù)墻進行了抗傾覆、位移及結(jié)構(gòu)計算，計算結(jié)果表明，墻厚選擇1.2m是合適的。①抗傾覆安全系數(shù)Kem為1.30～3.21，其中工況十二最小，滿足安全系數(shù)不小于1.25要求。②墻內(nèi)側(cè)水平位移最大值為9.89mm，小于墻高的2‰且小于30mm，滿足規(guī)范要求。③正彎矩為777～2575kN·m，負彎矩為-964～-2052kN·m，均在開挖至高程-4m時工況八達到最大值。