何劍平

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 200092）

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，地下管線的需求量也在不斷增加。頂管作為一種非開(kāi)挖技術(shù)，得到了越來(lái)越廣的應(yīng)用。頂管井作為頂管始發(fā)和接收的地下作業(yè)空間結(jié)構(gòu)，在頂管施工過(guò)程中尤為重要。

地下連續(xù)墻是通過(guò)挖孔成槽后，在地下澆筑成一圈連續(xù)的鋼筋混凝土墻，為常見(jiàn)的深基坑圍護(hù)形式，目前國(guó)內(nèi)地下連續(xù)墻的施工技術(shù)成熟，適用于多種地基條件。

地下連續(xù)墻具有防滲性能好、工效高、工期短、質(zhì)量可靠、變形小、對(duì)鄰近建（構(gòu)）筑物影響小等優(yōu)勢(shì)，隨著城市可利用空地越來(lái)越少，頂管深度越來(lái)越深，頂管井鄰近必然存在施工開(kāi)挖時(shí)受影響的建（構(gòu)）筑物，近些年，地下連續(xù)墻頂管井在實(shí)際工程中應(yīng)用越來(lái)越多。本文通過(guò)對(duì)閔奉原水支線直徑最大、深度最深的地下連續(xù)墻頂管井的計(jì)算分析，為超深地下連續(xù)墻施工提供理論依據(jù)。

1 工程背景

閔奉原水支線工程規(guī)模為215萬(wàn)m3／d，工程全線共分6個(gè)標(biāo)段，C3標(biāo)輸水管線全長(zhǎng)為789m，其中頂管段長(zhǎng)度約436m，全線管道為DN3000和DN3600兩種管徑。JB1井為頂管工作井兼接收井，穿越黃埔江管段為接收，－8.00m標(biāo)高處為頂管頂出。

2 場(chǎng)地周邊環(huán)境及工程地質(zhì)條件

JB1井位于松浦泵站東側(cè)規(guī)劃現(xiàn)狀綠地內(nèi)，基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物包括松浦泵站的泵房、調(diào)壓池、黃浦江防汛墻等；其中井中心距離黃浦江防汛墻40.3m，距泵房最近距離為41.13m，距調(diào)壓池最近距離為55.22m。由于H＜S≤2H（H為井深，S為距離），故根據(jù)上海市標(biāo)準(zhǔn)《基坑工程技術(shù)規(guī)范》（DB／T J08－61－2010）［1］，JB1井環(huán)境保護(hù)等級(jí)定義為二級(jí)，安全等級(jí)定義為一級(jí)。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)的土層主要為：①1層雜填土、②層粉質(zhì)粘土c＝22.0kPa，φ＝17.5°；③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土c＝11.0kPa，φ＝16.0°；④ 層淤泥質(zhì)粘土c＝11.0kPa，φ＝12.0°；⑤1－1層粉質(zhì)粘土夾粘質(zhì)粉土c＝13.0kPa，φ＝13.0°；⑤1－2層粉砂c＝14.0kPa，φ＝19.0°；⑤3－1層粉質(zhì)粘土c＝15.0kPa，φ＝15.0°；⑦2粉砂層c＝3.0kPa，φ＝31.0°?？拥孜挥冖?－1層粉質(zhì)粘土中，墻底位于⑦2粉砂層。

3 頂管井圍護(hù)形式選型

根據(jù)上海地區(qū)多年來(lái)軟土地下工程建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)基坑周邊環(huán)境條件和水文地質(zhì)條件的研究，頂管用工作井和接收井一般有沉井、地下連續(xù)墻（以下簡(jiǎn)稱地連墻）、SMW工法井、灌注樁＋止水帷幕等形式。

沉井施工工藝成熟，適用于各種開(kāi)挖深度的基坑，不僅是頂管施工時(shí)的工作坑、接收坑，施工完成后可作為排水、排氣等工藝井使用，但沉井下沉?xí)r對(duì)周邊環(huán)境影響較大。

地連墻作為圍護(hù)墻時(shí)，一般用于10m～60m深的頂管井。地連墻剛度大，止水效果好，基坑開(kāi)挖時(shí)由于地下連續(xù)墻為鋼筋混凝土實(shí)體，因此只要支撐體系有足夠的剛度，基坑變形較小，尤其適用于附近有重要建筑物，環(huán)境要求較高的基坑。

SMW工法井為三軸水泥土攪拌樁插H型鋼作圍護(hù)墻，同時(shí)具有擋土、防滲作用。具有經(jīng)濟(jì)性好、施工速度快的優(yōu)勢(shì)，上海地區(qū)一般用于開(kāi)挖深度≤14m的頂管井。

灌注樁＋內(nèi)支撐形成圍護(hù)結(jié)構(gòu)，高壓旋噴樁或水泥土攪拌樁形成止水帷幕，灌注樁＋止水帷幕的墻體剛度大，對(duì)周邊地基擾動(dòng)小，對(duì)鄰近建（構(gòu)）筑物的影響小，開(kāi)挖深度介于地連墻和SMW工法之間。

在經(jīng)濟(jì)方面，以上幾者相較而言，沉井的費(fèi)用較低；地連墻和灌注樁圍護(hù)需施工鋼筋混凝土內(nèi)襯，費(fèi)用較高；SMW工法的費(fèi)用不高，但適用深度較淺。

由于過(guò)黃浦江段的JB1頂管井深度達(dá)33m，結(jié)合工程地質(zhì)水文條件、周邊環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面綜合比較后，確定JB1頂管井采用地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。

4 地連墻平面形式及尺寸確定

頂管井平面形狀有矩形和圓形兩種。由于本工程頂管管線埋設(shè)達(dá)30m，走向空間曲折敷設(shè)，采用圓形井較為適應(yīng)轉(zhuǎn)角要求，同時(shí)圓形井在水土壓力下受力性能較好，可以設(shè)置環(huán)梁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐，無(wú)需再另設(shè)其他支撐結(jié)構(gòu)，有利于頂管的施工，因此本工程頂管井基本采用圓形井。

根據(jù)《頂管工程施工規(guī)程》（DG／T J08－2049－2016）［2］，工作井的長(zhǎng)度由后座、主油缸、工具管、鋼管管節(jié)等長(zhǎng)度及施工余量之和確定；寬度對(duì)淺井為管道外徑＋（1.6～3.0）m，對(duì)深井為3倍管道外徑＋（1.6～3.0）m；深度應(yīng)滿足頂管底與底板間凈空不小于0.7m，同時(shí)頂管井的平面尺寸需要滿足管道水平和豎向彎頭在井中的布置要求。JB1井一端接收，一端頂出，管道內(nèi)部走向復(fù)雜，采用常規(guī)平面及剖面設(shè)計(jì)已無(wú)法精準(zhǔn)考慮內(nèi)部柱、拉梁、樓梯、環(huán)梁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件同彎折的2根大口徑管道的碰撞，故JB1井采用CAD進(jìn)行三維建模，根據(jù)三維建模結(jié)果，通過(guò)調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的合理布置，從而避免碰撞等問(wèn)題產(chǎn)生。

綜上確定，JB1地連墻頂管井深度為33.02m，內(nèi)徑為24.6m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面及剖面示意見(jiàn)圖1，三維模型見(jiàn)圖2。

圖1 JB1井圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面及剖面示意Fig.1 The Plan and section of retaining structure of JB1 well

5 計(jì)算原則及結(jié)果分析

圖2 JB1井三維模型Fig.2 The 3D model of JB1 well

頂管井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要計(jì)算原則為：側(cè)向土壓力按照朗金主動(dòng)土壓力公式計(jì)算，采用水土分算。地面超載：基坑施工期間按20kN／m2計(jì)。側(cè)向基床系數(shù)、地基土極限承載力根據(jù)地勘報(bào)告結(jié)合上海市《基坑工程技術(shù)規(guī)范》取值。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算考慮沿縱向取單位長(zhǎng)度按彈性地基梁進(jìn)行計(jì)算，地層對(duì)墻體的抗力作用采用一系列彈簧進(jìn)行模擬，計(jì)算時(shí)計(jì)入結(jié)構(gòu)的先期位移以及支撐的變形，按“先變形，后支撐”的原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)的入土深度時(shí)，應(yīng)根據(jù)坑底土層的工程力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行墻體的抗滑動(dòng)、抗傾覆和整體穩(wěn)定性計(jì)算以及墻前基底土體的抗隆起和抗管涌穩(wěn)定性驗(yàn)算，并結(jié)合上海地區(qū)軟土深基坑的施工經(jīng)驗(yàn)確定。

根據(jù)上述原則，經(jīng)啟明星軟件計(jì)算后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、彎矩、剪力見(jiàn)圖3，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)穩(wěn)定性系數(shù)為：坑底抗隆起驗(yàn)算值2.35＞2.2；墻底地基承載力驗(yàn)算值8.98＞2.5；抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算值5.77＞1.2；抗?jié)B流穩(wěn)定性驗(yàn)算值2.22＞2.0。各項(xiàng)穩(wěn)定性滿足安全等級(jí)一級(jí)基坑標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 JB1井圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、彎矩、剪力包絡(luò)圖Fig.3 The displacement，bending moment，shear envelope diagram of retaining structure of JB1 well

按照上海市標(biāo)準(zhǔn)《基坑工程技術(shù)規(guī)范》基坑變形設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算值最大側(cè)移40.8mm＜0.3%H＝99mm，坑外地表最大沉降按照上海市標(biāo)準(zhǔn)《基坑工程技術(shù)規(guī)范》經(jīng)驗(yàn)公式估算最大沉降為0.8 ×40.8＝32.64mm ＜0.25%H＝82.5mm，滿足環(huán)境等級(jí)二級(jí)基坑變形保護(hù)要求。

6 基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的影響

本文僅針對(duì)JB1基坑對(duì)防汛墻、泵房、調(diào)壓池的影響進(jìn)行安全分析。

上海市防汛設(shè)施工程范圍內(nèi)地面施工期最大沉降不得大于1cm；防汛工程設(shè)施，墻頂位移不得大于1cm。根據(jù)《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB J08－11－2010）［3］、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007－2011）［4］及以往工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)周邊建筑絕對(duì)沉降按2cm控制，房屋傾斜率按0.15%控制。

采用Plaxis有限元軟件進(jìn)行連續(xù)介質(zhì)數(shù)值計(jì)算，根據(jù)上海市標(biāo)準(zhǔn)《基坑工程技術(shù)規(guī)范》，由于基坑開(kāi)挖時(shí)對(duì)2倍開(kāi)挖深度范圍內(nèi)的周邊環(huán)境影響較大，故取周邊土體范圍80m進(jìn)行分析計(jì)算。土層采用Hardening-Soil模型，此模型可以考慮土體在卸載、再加載和重加載下其剛度的不同，在基坑開(kāi)挖類工程得到了廣泛的應(yīng)用?；訃o(hù)墻采用線彈性模型的梁?jiǎn)卧M，支撐采用桁架單元。Plaxis軟件可考慮結(jié)構(gòu)與土層的界面強(qiáng)度及剛度弱化，故在結(jié)構(gòu)單元與土層之間設(shè)接觸面。結(jié)構(gòu)單元的參數(shù)通過(guò)實(shí)際截面尺寸、間距向平面應(yīng)變計(jì)算模式進(jìn)行換算。

經(jīng)Plaxis軟件計(jì)算，JB1基坑開(kāi)挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為60.55mm。由于土體的卸載，坑內(nèi)土體回彈，帶動(dòng)圍護(hù)墻體出現(xiàn)一定的隆起，約6mm。由圖4可知，防汛墻處沉降約6mm，由圖5可知防汛墻處水平位移為5.72mm。泵房結(jié)構(gòu)處沉降和水平位移均＜10mm，沉降差＜10mm，水泵軸線偏差＜8mm，且待泵房使用前可以采取措施對(duì)軌道及水泵進(jìn)行調(diào)整，因此，基坑開(kāi)挖對(duì)泵房運(yùn)行產(chǎn)生的影響處于可控狀態(tài)。同樣，調(diào)壓池也處于可控狀態(tài)。

圖4 開(kāi)挖至坑底坑外地表沉降曲線Fig.4 The settlement curve of field surface excavated to pit bottom

圖5 開(kāi)挖至坑底坑外地表水平位移分布曲線Fig.5 The horizontal displacement distribution curve of field surface excavated to pit bottom

目前JB1井已經(jīng)投入使用，施工階段現(xiàn)場(chǎng)反饋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，防汛墻水平位移為4mm，豎向位移為5mm，同理論分析結(jié)果相差不大，滿足規(guī)范及相關(guān)規(guī)定要求。

7 結(jié)論

1.JB1井墻體的抗滑動(dòng)、抗傾覆和整體穩(wěn)定性計(jì)算以及墻前基底土體的抗隆起及基坑開(kāi)挖引起的位移等滿足安全等級(jí)一級(jí)基坑標(biāo)準(zhǔn)。

2.大型復(fù)雜頂管井體空間布置較為繁瑣，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)JB1井進(jìn)行了三維建模，通過(guò)模型進(jìn)行碰撞檢查分析并調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置。

3.通過(guò)采用Plaxis有限元軟件進(jìn)行連續(xù)介質(zhì)數(shù)值計(jì)算，JB1基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響滿足規(guī)范及相關(guān)規(guī)定要求，同時(shí)Plaxis理論分析結(jié)果同實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相差不大，結(jié)構(gòu)安全處于安全可控狀態(tài)。