何劍平

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司 200092）

引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市化進程不斷加快，地下管線的需求量也在不斷增加。頂管作為一種非開挖技術(shù)，得到了越來越廣的應(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)，在頂管施工過程中尤為重要。

地下連續(xù)墻是通過挖孔成槽后，在地下澆筑成一圈連續(xù)的鋼筋混凝土墻，為常見的深基坑圍護形式，目前國內(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、對鄰近建（構(gòu)）筑物影響小等優(yōu)勢，隨著城市可利用空地越來越少，頂管深度越來越深，頂管井鄰近必然存在施工開挖時受影響的建（構(gòu)）筑物，近些年，地下連續(xù)墻頂管井在實際工程中應(yīng)用越來越多。本文通過對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m3／d，工程全線共分6個標(biāo)段，C3標(biāo)輸水管線全長為789m，其中頂管段長度約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)境保護等級定義為二級，安全等級定義為一級。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，基坑開挖范圍內(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 頂管井圍護形式選型

根據(jù)上海地區(qū)多年來軟土地下工程建設(shè)的實踐經(jīng)驗，通過對基坑周邊環(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，適用于各種開挖深度的基坑，不僅是頂管施工時的工作坑、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對周邊環(huán)境影響較大。

地連墻作為圍護墻時，一般用于10m～60m深的頂管井。地連墻剛度大，止水效果好，基坑開挖時由于地下連續(xù)墻為鋼筋混凝土實體，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型鋼作圍護墻，同時具有擋土、防滲作用。具有經(jīng)濟性好、施工速度快的優(yōu)勢，上海地區(qū)一般用于開挖深度≤14m的頂管井。

灌注樁＋內(nèi)支撐形成圍護結(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，對周邊地基擾動小，對鄰近建（構(gòu)）筑物的影響小，開挖深度介于地連墻和SMW工法之間。

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

由于過黃浦江段的JB1頂管井深度達33m，結(jié)合工程地質(zhì)水文條件、周邊環(huán)境、經(jīng)濟性、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)梁作為圍護結(jié)構(gòu)的支撐，無需再另設(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］，工作井的長度由后座、主油缸、工具管、鋼管管節(jié)等長度及施工余量之和確定；寬度對淺井為管道外徑＋（1.6～3.0）m，對深井為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)計已無法精準(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進行三維建模，根據(jù)三維建模結(jié)果，通過調(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，圍護結(jié)構(gòu)平面及剖面示意見圖1，三維模型見圖2。

圖1 JB1井圍護結(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

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

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

根據(jù)上述原則，經(jīng)啟明星軟件計算后，圍護結(jié)構(gòu)位移、彎矩、剪力見圖3，基坑圍護結(jié)構(gòu)各項穩(wěn)定性系數(shù)為：坑底抗隆起驗算值2.35＞2.2；墻底地基承載力驗算值8.98＞2.5；抗傾覆穩(wěn)定性驗算值5.77＞1.2；抗?jié)B流穩(wěn)定性驗算值2.22＞2.0。各項穩(wěn)定性滿足安全等級一級基坑標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 JB1井圍護結(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)計控制指標(biāo)，圍護結(jié)構(gòu)計算值最大側(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)境等級二級基坑變形保護要求。

6 基坑施工對周邊環(huán)境的影響

本文僅針對JB1基坑對防汛墻、泵房、調(diào)壓池的影響進行安全分析。

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)計規(guī)范》（DB J08－11－2010）［3］、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007－2011）［4］及以往工程經(jīng)驗，對周邊建筑絕對沉降按2cm控制，房屋傾斜率按0.15%控制。

采用Plaxis有限元軟件進行連續(xù)介質(zhì)數(shù)值計算，根據(jù)上海市標(biāo)準(zhǔn)《基坑工程技術(shù)規(guī)范》，由于基坑開挖時對2倍開挖深度范圍內(nèi)的周邊環(huán)境影響較大，故取周邊土體范圍80m進行分析計算。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，在基坑開挖類工程得到了廣泛的應(yīng)用。基坑圍護墻采用線彈性模型的梁單元模擬，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)通過實際截面尺寸、間距向平面應(yīng)變計算模式進行換算。

經(jīng)Plaxis軟件計算，JB1基坑開挖圍護結(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，帶動圍護墻體出現(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軌道及水泵進行調(diào)整，因此，基坑開挖對泵房運行產(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)場反饋監(jiān)測數(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、抗傾覆和整體穩(wěn)定性計算以及墻前基底土體的抗隆起及基坑開挖引起的位移等滿足安全等級一級基坑標(biāo)準(zhǔn)。

2.大型復(fù)雜頂管井體空間布置較為繁瑣，設(shè)計時對JB1井進行了三維建模，通過模型進行碰撞檢查分析并調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置。

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