李瀟 LI Xiao

（廣州地鐵設計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5個項目，項目總長約410公里，總投資約2018億元，其中，城際項目3個，于2020年年初開展可研階段工作。分別為：深大城際：69.2km，設站11座，設九圍動車段1座；深惠城際：59.4km，設站10座；龍大城際：39.5km，設站6座，設新大存車場一座。

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

從結構形式上，需要優(yōu)化圍護和主體結構形式，達到受力合理，截面優(yōu)化，工效提高的目的。對于超深工作井，一方面隨著深度的增加，水土壓力也增大，圍護結構截面也相應增加，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、風險大、工序銜接差、工效低。

從規(guī)模上，需要精細化設計，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)條件及主體結構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，無前后導洞，分體始發(fā)。采用逆順結合，工作井主體范圍順筑，主體施工后施筑砼端墻，預埋洞口環(huán)板，分體始發(fā)。優(yōu)點是洞門節(jié)點簡單，整體性好，結構安全性高。缺點是施筑端墻后空間受限，盾構分體始發(fā)，施工工效低。為保證空間，工作井規(guī)模增大后不經(jīng)濟。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，加設前后導洞，整體始發(fā)。采用順筑或逆順結合，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洞，盾構始發(fā)。優(yōu)點是工作井內(nèi)凈空可以做到利用最大化，加上前后導洞，可以實現(xiàn)盾構洞內(nèi)整體始發(fā)，工效高。缺點是洞口節(jié)點復雜，對管片和圓形地連墻的削弱大，工程風險相對高。如圖3所示。

圖3 圓形工作井形式二

第三種為主體結構加強后，加設前后導洞，整體始發(fā)。采用逆順結合，工作井主體范圍順筑，主體結構預留出洞和盾構始發(fā)條件，主體完成后破除洞門施作導洞，盾構始發(fā)。優(yōu)點是融合了方案一和方案二的優(yōu)點，在不增加規(guī)模的情況下做到整體始發(fā)，主體結構加強后圈梁和環(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；圈梁處設置暗柱，并與縱橫向隔墻形成剛性連接，對開洞處加強。主機距離側墻邊1000mm（困難情況下不小于500mm）。工作井底板考慮盾構始發(fā)和接收要求，下沉1700mm，設置前后導洞。圍護結構采用地下連續(xù)墻+內(nèi)襯墻進行支護。采用一挖一襯的順序擬筑施工。在主體結構以上部分為疊合墻體系。在主體范圍采用逆筑復合墻體系，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。安全性相對較高，全包防水效果好。但防水節(jié)點需特殊處理，洞口圈梁范圍逆筑工藝復雜。如圖4所示。

圖4 圓形工作井形式三

3 計算方法

3.1 結構內(nèi)力分析方法

對于圓形地下連續(xù)墻，可供選擇的計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算方法，但是，對于空間效應明顯的圓形基坑，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，忽略了圓形圍護結構的三維拱效應，計算結果與實際受力情況不符，導致設計人員在設計時過于保守而造成資源浪費或者留下安全隱患。并且在平面分析模式下，作用在地下連續(xù)墻外側的水土壓力全部由內(nèi)支撐體系和坑外土體的抗力來平衡，各道水平支撐產(chǎn)生的軸力較大，分析結果并不合理。

因此，對于空間效應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)介質法分析地下連續(xù)墻的實際受力狀態(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其圍護結構進行結構內(nèi)力計算，計算結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 圍護結構內(nèi)力計算結果（平面豎向彈性地基梁法）

圖6 圍護結構彎矩計算結果（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，軸線對稱結構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設計規(guī)范》（JTG 3363-2019）附錄T，圓形地連墻的環(huán)向效應可采用沿深度方向的彈性支撐來替代。

其中環(huán)向剛度折減系數(shù)應根據(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，由于采用泥漿護壁，二期槽段澆注時，在一、二期墻段間必然存在一定厚度的泥皮?；娱_挖時，外側水土壓力作用導致墻體環(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，與施工單位的技術水平、經(jīng)驗密切相關，需要根據(jù)工程具體情況研究采用。武漢陽邏大橋南錨錠基礎圓形地下連續(xù)墻支護結構受力計算中，采用了法國基礎公司根據(jù)其多年經(jīng)驗提供的建議方法對a值進行了計算，算得a為0.417。根據(jù)信息化施工監(jiān)測結果，墻體受力及變形狀態(tài)與計算結果非常吻合。武漢陽邏大橋南錨錠基礎圓形地下連續(xù)墻支護結構外徑達73m，墻厚1.5m，最大墻深約61m，最大開挖深度約45m，己達相當規(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)墻支護結構。a高限值取0.7主要參考了《港口工程地下連續(xù)墻結構設計與施工規(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，采用根據(jù)《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTG 3363-2019）附錄T，當圓形地下連續(xù)墻支護結構利用內(nèi)環(huán)梁或內(nèi)襯作支承時，可將內(nèi)環(huán)梁或內(nèi)襯墻以等效彈性支承來替代。

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

3.3 結構驗算

圓形工作井圍護結構穩(wěn)定性驗算除整體滑動、抗傾覆、嵌固、抗隆起、滲流穩(wěn)定性驗算外，還需進行軸心受壓驗算。

3.4 結構內(nèi)力計算總結

①地連墻在豎向荷載不均勻，這比盾構管片受力更為不利。且地連墻的作用主要是承擔未施作內(nèi)襯工況下的荷載作用。同時每幅地連墻結構相對獨立，環(huán)向鋼筋未貫通。因此建議仍按照平面桿系結構彈性支點法計算，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，具體以《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》規(guī)定為準。

③內(nèi)襯墻由于其整體性，建議采用空間彈性地基板法計算，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計厚度的情況；同時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力釋放也存在偏壓的情況。在設計中應明確邊界條件，選取合理的計算模型和荷載工況。

4 結論及展望

4.1 結論

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

①建議依據(jù)《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTG3363-2019），《港口工程地下連續(xù)墻結構設計與施工規(guī)程》（JTJ303-2003）的相關規(guī)定進行圓形支護地下連續(xù)墻結構設計，地下連續(xù)墻可按環(huán)向效應的豎向彈性地基梁或空間結構計算，內(nèi)襯墻的內(nèi)力和變形可按空間受力效應的三維彈性地基板法計算。

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

③圓形地下連續(xù)墻墻體的環(huán)向效應修正系數(shù)可取0.4~0.7，應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，不應脫離實際一律按0.4計算。地下連續(xù)墻環(huán)向有效厚度計算時垂直度可按1/300控制，基坑較淺、施工工藝成熟可靠時可適當提高控制標準。

④應合理控制地下連續(xù)墻和內(nèi)襯墻（環(huán)梁）的配筋量，避免因配筋過密導致混凝土振搗不密實，進而影響結構強度。設計文件應明確破洞門施工工序，驗算主體結構破洞門工況的結構安全，加強薄弱節(jié)點處配筋。

⑤如采用全逆筑方案，應結合地層條件及施工組織需求，靈活調整開挖進尺，使結構充分發(fā)揮作用，且便于施工組織安排。

4.2 展望

①需要進一步調研及比選內(nèi)襯墻和環(huán)梁方案，滿足結構安全的前提下，綜合考慮止水效果、井內(nèi)施工環(huán)境、現(xiàn)場施工組織需求等因素，靈活選用相適應的方案。

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

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