譚琳 胡亞東 梁彥豪 勞偉康 張發(fā)科

1.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司廣東分院 廣州510060

2.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州510060

引言

在城市的老城區(qū)中具有較多管線問題亟待處理，管廊敷設(shè)能有效地規(guī)劃、建設(shè)和管理各類市政管線，解決了城市“拉鏈路”、架空線網(wǎng)密集、管線事故頻發(fā)等問題。但在這些地區(qū)存在道路交通繁忙、征借地困難等問題而導(dǎo)致無(wú)明挖施工的條件，故管廊建設(shè)采用非開挖的工法進(jìn)行施工十分必要。非開挖施工法有礦山法、隧道掘進(jìn)機(jī)工法、盾構(gòu)法等。其中，盾構(gòu)法能適應(yīng)較復(fù)雜地層，開挖及掘進(jìn)過程有足夠的安全度，對(duì)沿線建（構(gòu)）筑物和地下管線影響較小，在市場(chǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。

本文從盾構(gòu)管廊始發(fā)井的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)、主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及人防設(shè)計(jì)三方面對(duì)盾構(gòu)管廊始發(fā)井的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行探討。論述了基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)、水平支撐的設(shè)計(jì)問題，并提出了相應(yīng)的深化建議；又針對(duì)主體結(jié)構(gòu)的耐久性、結(jié)構(gòu)超長(zhǎng)問題及施工過程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討；最后闡述盾構(gòu)管廊始發(fā)井人防設(shè)計(jì)相關(guān)問題。

1 工程概況

廣州市天河智慧城綜合管廊設(shè)計(jì)采用盾構(gòu)管廊型式總長(zhǎng)8.31km，為東西走向，設(shè)置于廣州市北部交通較繁忙的科翔路、華觀路下12m～18m處。盾構(gòu)管廊由管廊始發(fā)井、管廊工作井、管廊吊出井及管廊隧道區(qū)間四部分組成，隧道區(qū)間直徑為6.0m（內(nèi)凈空5.4m），因考慮工藝使用要求，需采用鋼筋混凝土板對(duì)其劃分，上部為電力艙、下部為綜合艙［1］，如圖1所示。出于對(duì)管廊人員出入口、逃生口、吊裝口、通風(fēng)口、變配電房、排水泵坑等功能使用要求的考慮，共設(shè)16

座盾構(gòu)井，其中始發(fā)井共計(jì)3座，其中2座采用雙向始發(fā)形式。本文僅針對(duì)盾構(gòu)管廊雙向始發(fā)井（簡(jiǎn)稱“始發(fā)井”）進(jìn)行探討。

始發(fā)井在實(shí)現(xiàn)其使用功能的前提下，從運(yùn)維的商業(yè)性角度考慮，為達(dá)到更有效、經(jīng)濟(jì)地開發(fā)和利用市政公共設(shè)施資源的目的，增設(shè)了商業(yè)地下自動(dòng)停車庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)“商業(yè)管廊”的設(shè)計(jì)理念。對(duì)比常規(guī)地鐵車站始發(fā)井，其設(shè)計(jì)層高均為6m～7m左右。而盾構(gòu)管廊始發(fā)井分為了東側(cè)的管廊區(qū)和西側(cè)的車庫(kù)區(qū)。管廊區(qū)根據(jù)使用功能的不同，設(shè)置為地下4層，層高為2.7m～4.7m，層高變化較大；地下車庫(kù)區(qū)設(shè)置地下5層，除最下層供管廊使用外，其余各層均為地下停車庫(kù)，層高為3m～4.35m，并設(shè)消防水池及自動(dòng)停車設(shè)施，如圖2所示，兩區(qū)域存在各層樓板不連續(xù)現(xiàn)象。

圖2 盾構(gòu)始發(fā)井剖面Fig.2 Profile of shield launching shaft

始發(fā)井土層分布自上而下為雜填土層、中粗砂層、淤泥層、黏土層及全風(fēng)化花崗巖層（基底位于該層）等。地下水主要有第四系孔隙水和基巖風(fēng)化裂隙水，其常年受降雨季節(jié)支配，穩(wěn)定水位接近地表。始發(fā)井結(jié)構(gòu)平面外尺寸為：長(zhǎng)72.4m、寬20m、深22m～23.5m，如圖3所示。始發(fā)井的結(jié)構(gòu)安全等級(jí)均為一級(jí)，在抗震設(shè)計(jì)中需按照重點(diǎn)設(shè)防類（乙類）進(jìn)行設(shè)計(jì)，抗震等級(jí)為三級(jí)。盾構(gòu)管廊始發(fā)井的防水等級(jí)為二級(jí)，其中電房區(qū)域防水等級(jí)考慮為一級(jí)。

圖3 盾構(gòu)始發(fā)井結(jié)構(gòu)平面Fig.3 Structural plan of shield launching shaft

2 始發(fā)井基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

基坑支護(hù)設(shè)計(jì)綜合考慮該項(xiàng)目地塊周邊情況、地質(zhì)復(fù)雜性、地下水豐沛、基坑深度較大和工程造價(jià)等因素，比較分析后采用排樁＋內(nèi)支撐的支護(hù)形式。φ1200＠1400mm的排樁滿足基坑設(shè)計(jì)承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)要求；勘察報(bào)告顯示存在透水性較強(qiáng)的砂層，且基底位于遇水易軟化的黃崗巖殘積土層，故在樁間采用φ800的旋噴樁進(jìn)行截水的支護(hù)形式，并在基坑內(nèi)設(shè)置疏干井解決基坑內(nèi)的地下水問題，如圖4所示。并根據(jù)計(jì)算需設(shè)置三層鋼筋混凝土支撐，并在最下層設(shè)置一道錨索。

圖4 盾構(gòu)始發(fā)井基坑Fig.4 Design of the foundation of shield launching shaft

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基坑支護(hù)與主體結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置關(guān)系并無(wú)規(guī)定的做法，須根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行考慮。常規(guī)地下結(jié)構(gòu)基坑會(huì)選擇預(yù)留1.5m～2.5m的槽道，俗稱“肥槽”。始發(fā)井基坑深度較大，如預(yù)留肥槽，將出現(xiàn)以下幾類問題：（1）用地范圍將增大，老城區(qū)中用地緊張、各類管線密集的問題十分尖銳，增大用地范圍將增加項(xiàng)目的協(xié)調(diào)難度；（2）肥槽空間狹小、高支模問題突出，屬于“超過一定規(guī)模的危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程”，工程安全風(fēng)險(xiǎn)值增大；（3）外側(cè)防水卷材保護(hù)困難，從過往回填經(jīng)驗(yàn)可知，卷材的保護(hù)基本上不可能實(shí)現(xiàn)；（4）肥槽回填壓實(shí)度難以保證，后期地面都會(huì)出現(xiàn)不同程度的沉降；（5）除采用素混凝土進(jìn)行回填，其余材料回填均會(huì)產(chǎn)生地表水，會(huì)出現(xiàn)通過“肥槽”與基底貫通現(xiàn)象，以及地表水產(chǎn)生的“水盆效應(yīng)”抗浮設(shè)計(jì)問題，對(duì)結(jié)構(gòu)永久抗浮不利。

采用支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合的布置方式，是較優(yōu)的選擇。但由此將產(chǎn)生對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)垂直度的要求嚴(yán)苛，對(duì)整體施工質(zhì)量要求較高的問題。在本工程中，采用排樁結(jié)構(gòu)的支護(hù)方式都不同程度的出現(xiàn)“排樁內(nèi)侵主體結(jié)構(gòu)”的問題，局部對(duì)主體結(jié)構(gòu)削弱較大，建議對(duì)于盾構(gòu)工作井支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)宜采用地下連續(xù)墻的支護(hù)形式，其既能承擔(dān)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，又能達(dá)到防水效果。

2.2 水平支撐設(shè)計(jì)

水平支撐豎向布置需結(jié)合各層樓板標(biāo)高合理設(shè)置，并保證施工空間1m以上。始發(fā)井是雙向始發(fā)，在水平支撐兩側(cè)平面布置時(shí)需自上而下預(yù)留11.5m×9.0m盾構(gòu)機(jī)出入口，以保證盾構(gòu)機(jī)的安裝及后期渣土的運(yùn)輸?shù)纫?，具體如圖5所示。為保證盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出工作井的需求，底板至最下層支撐需保留7.0m以上凈高，故基坑下部高度較大，為保證其安全性，基坑設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)底板板面以上1m處設(shè)置一道層錨索，增加基坑的剛度和穩(wěn)定性。

圖5 水平支撐平面Fig.5 Design of transverse horizontal bracing

始發(fā)井管廊區(qū)需考慮高壓電纜等的出線問題，故局部邊跨無(wú)樓板，同時(shí)在地下車庫(kù)區(qū)需設(shè)置兩臺(tái)車用電梯，為滿足車輛運(yùn)輸軌道的設(shè)備要求也需預(yù)留洞口，如圖3所示。如此將導(dǎo)致在“換撐”時(shí)，以上區(qū)域豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)缺少水平支撐的問題。設(shè)計(jì)采用大開洞處填素混凝土板、加鋼支撐的方式，把永久結(jié)構(gòu)中為滿足工藝、建筑使用要求設(shè)計(jì)的較大洞口進(jìn)行暫時(shí)封閉，以保證基坑水平傳力的連續(xù)性，從而達(dá)到整體受力及穩(wěn)定性的要求。

3 始發(fā)井主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 耐久性設(shè)計(jì)

根據(jù)管廊規(guī)范要求［2］，管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為100年，需進(jìn)行管廊結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)設(shè)計(jì)［3］。通過控制混凝土的強(qiáng)度等級(jí)、最大水灰比、最大氯離子含量、控砂率等指標(biāo)，達(dá)到耐久性設(shè)計(jì)要求，具體要求見表1。

表1 混凝土耐久性要求Tab.1 Performance index of concrete durability

3.2 超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

始發(fā)井結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu)最大尺寸為72.4m，超過規(guī)范建議的伸縮縫最大設(shè)縫間距≤50m的要求，而從使用功能來考慮，應(yīng)盡量不設(shè)貫通結(jié)構(gòu)的變形縫?？紤]地面以下溫差變化較小，混凝土收縮主要發(fā)生在前期，擬采取：

（1）在樓板中設(shè)置一道后澆帶，同時(shí)在側(cè)壁設(shè)置三道后澆帶，以解決施工過程中混凝土的水化熱問題；

（2）采用控制裂縫寬度性能較好的變形鋼筋，壁板、樓板鋼筋按照“寧細(xì)勿粗、寧密勿疏”的原則配置，板筋雙層雙向拉通布置；

（3）從減少混凝土自身收縮率的角度考慮，優(yōu)化混凝土的配合比設(shè)計(jì)，加入合適的添加劑，控制水灰比、砂率、水泥用量及塌落度等指標(biāo)；

（4）設(shè)計(jì)中要求加強(qiáng)混凝土的振搗及養(yǎng)護(hù)，混凝土應(yīng)在全濕潤(rùn)條件下硬化。設(shè)計(jì)要求優(yōu)先考慮蓄水養(yǎng)護(hù)等措施，避免或減少混凝土的前期收縮和溫度效應(yīng)引起的混凝土構(gòu)件可見裂縫的產(chǎn)生。

3.3 施工過程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

始發(fā)井主體結(jié)構(gòu)存在樓層標(biāo)高變化較大、錯(cuò)層結(jié)構(gòu)較多、預(yù)埋件及預(yù)埋孔洞較密集的情況。考慮盾構(gòu)期間渣土的外運(yùn)、管片的運(yùn)輸安裝等問題，始發(fā)井結(jié)構(gòu)需分兩期進(jìn)行。一期為完成底板及盾構(gòu)區(qū)間上一層的樓板結(jié)構(gòu)，二期為其余結(jié)構(gòu)，如圖6所示。圖中陰影填充區(qū)為盾構(gòu)始發(fā)前須完成的主體結(jié)構(gòu)，即一期施工結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，須對(duì)一、二期工況分別計(jì)算，取包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖6 始發(fā)井施工期間剖面Fig.6 Profile design of shield launching shaft of utility tunnel in construction

設(shè)計(jì)中在預(yù)留孔口四周設(shè)置為企口，并在企口部位預(yù)埋一級(jí)鋼筋接駁器，保證后期封堵后鋼筋的有效連接和結(jié)構(gòu)的整體性，并采用提高一級(jí)的微膨脹混凝土對(duì)預(yù)留洞口進(jìn)行封堵，如圖7所示。

圖7 鋼筋連接大樣Fig.7 Diagram of steel connection

4 始發(fā)井人防工況設(shè)計(jì)

管廊的人防設(shè)計(jì)只是針對(duì)管線的防護(hù)而非人員的防護(hù)，無(wú)需進(jìn)行防化要求且允許染毒。盾構(gòu)管廊根據(jù)防火分區(qū)的劃分進(jìn)行防護(hù)單元的劃分，為與地鐵人防工程防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)保持一致，盾構(gòu)管廊防常規(guī)武器抗力級(jí)別和防核武器抗力級(jí)別均為6級(jí)［4］。

始發(fā)井內(nèi)不同區(qū)域功能重要性等級(jí)不同，故對(duì)于盾構(gòu)始發(fā)井采用分區(qū)域進(jìn)行人防設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)理念，僅管廊區(qū)進(jìn)行人防設(shè)計(jì)，圖9陰影區(qū)域?yàn)槿朔绤^(qū)，非陰影區(qū)（即地下自動(dòng)停車庫(kù)區(qū)域）為非人防區(qū)設(shè)置。人防區(qū)與非人防區(qū)間采用鋼筋混凝土墻（“臨空墻”）進(jìn)行分割；樓板按照地下室防空頂板進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)常規(guī)武器爆炸動(dòng)荷載或核武器爆炸動(dòng)荷載作用均采用等效靜荷載法進(jìn)行計(jì)算。有覆土處底板人防荷載為75kPa，其余頂板人防荷載為60kPa，臨空墻人防荷載為130kPa，外側(cè)墻人防荷載為30kPa，底板人防荷載為50kPa。設(shè)計(jì)成果顯示臨空墻及頂板的控制荷載為人防荷載，其余結(jié)構(gòu)均為平時(shí)荷載控制。

圖8 始發(fā)井人防布置圖及人防荷載Fig.8 Diagram of plan and load of civil defense works

5 結(jié)論

1.始發(fā)井基坑支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)采用無(wú)肥槽的方式進(jìn)行布置；支護(hù)結(jié)構(gòu)宜考慮地下連續(xù)墻，以保證其垂直度和可靠性。

2.始發(fā)井主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過對(duì)材料指標(biāo)的控制實(shí)現(xiàn)其耐久性設(shè)計(jì)；通過控制鋼筋選型、混凝土的指標(biāo)、增加施工措施，達(dá)到超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)不分縫效果。始發(fā)井需進(jìn)行施工過程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和永久使用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，取其兩種工況的包絡(luò)值。

3.始發(fā)井人防設(shè)計(jì)宜考慮分區(qū)設(shè)計(jì)，僅管廊區(qū)考慮人防工況。