盾構井基坑支護設計

高振宇

（1.廣州市市政工程設計研究院，廣東廣州510060；2.華南理工大學土木與交通學院，廣東廣州510641）

1 設計條件

1.1 工程概況

本文工程背景為一大型引水工程，該工程管線穿越了河道大堤、高速公路、鐵路、住宅區、廠房及高壓煤氣站等重要建、構筑物。管道施工主要有明挖埋管、頂管及盾構三種工法。其中明挖工法對建、構筑物影響大，特別是穿越住宅需要大量拆遷，穿越立交樁基需改線繞道，穿越河道大堤需破堤或改跨越，且工期長；頂管工法對建、構筑物影響小，但由于單次頂進的距離較短，需設置大量井位，且對不良地質適應性差，工期較長；盾構工法對建、構筑物影響最小，井位少，穿越立交樁基、大堤迅速，且施工機械化程度高，能適應各種不良地質，工期相對較短。所以，綜合以上各因素，該工程部分有障礙管段采用盾構工法，本文則重點介紹其盾構井基坑結構設計方法。

1.2 工程和水文地質

基坑所在場地主要開挖地層由上而下分別為：（1）素填土，厚 1.30 m；（2）粉質粘土，N=6.0，厚 1.9 m；（3）淤泥，N=3.0，厚 5.4 m；（4）粘土，N=3.0～4.0，厚 4.0 m；（5）淤泥質粉質粘土，N=4.0，厚1.6 m；（6）細砂，N=7.0～9.0，厚 3.6 m；（7）中砂，N=16.0，厚 1.4 m；（8）粗砂，N=18.0，厚 3.8 m；（9）卵石質粗砂，N=25.0～29.0，厚 8.5 m；（10）卵石，N=29.0，厚3.3 m。開挖的地層主要為含孔隙水的沖積砂層，孔隙水主要接受大氣降水的滲入補給和上游地下水徑流及周邊河涌的側向補給。由于孔隙水和河涌水具有密切的水力聯系，故補給來源充足。該基坑底所在位置為卵石質粗砂層，滲透系數大，且具有承壓性，因此地下水對盾構井結構設計影響極大。

2 盾構井基坑方案設計

2.1 主體結構設計

由于該盾構井為深基坑工程（支護深度為19.94 m），內凈尺寸較大（28.0 m×14.0 m），為了保證結構安全及止水效果，基坑支護主體結構采用地下連續墻+鋼筋混凝土支撐體系，詳見圖1。連續墻采用重合墻連接形式，即在內外墻間設置防水隔離層，工序為先施工外800連續墻，后施工內600內襯墻及支撐，內襯墻及支撐采用逆做法。

2.1.1 圍護墻設計

該盾構井基坑結構分析時需考慮圍護及支撐體系的空間整體協同作用。根據參考文獻[1]，在滿足精度的前提下可以將計算模型進行簡化，即把墻作為豎直連續單向板，取單位長度作為一個單元進行計算，配筋時適當增加水平方向的鋼筋。本設計采用理正深基坑軟件對圍護墻進行計算，計算時考慮施工過程中土方開挖先后工況、地面超載(q=20 kPa)重型設備吊裝荷載的影響，計算結果見圖2。

2.1.2 支撐及圍檁設計

支撐、圍檁體系結構主要承受圍護墻傳遞的水平荷載及變形，本設計思路是將每一道支撐及圍檁視為平面框架，把上一步圍護墻設計中得到的彈性支座反力作為平面框架的均布荷載，并利用均質彈簧來模擬圍護墻對圍檁的約束，采用桿系有限元法對平面框架進行內力及變形分析。本設計采用SAP2000有限元軟件進行支撐及圍檁的計算，由上至下的每一道平面框架的均布荷載分別為 144.34 kN/m、570.24 kN/m、764.19 kN/m，計算結果見圖3。該圖只表示了荷載為764.19 kN/m時平面框架的荷載及變形，其余可線性推出。

2.2 盾構出洞加固措施

盾構始發是事故的多發階段，尤其當場地為飽和砂層時，這是由于在鑿除盾構出洞口的圍護混凝土結構時，由于洞口內外存在較大的水頭差且土體滲透系數大，洞口土體極易發生管涌，嚴重時土體會失穩坍塌，隨之引起基坑支護結構的破壞，所以出洞加固對于盾構井設計及施工是一個比較關鍵的環節。

出洞加固體的設計主要包括工法和尺寸兩方面內容：

（1）在工法選擇方面。據以往經驗，在飽和砂層，尤其是中粗砂層，必須選用三管旋噴樁，選擇其它工法按目前的施工管理水平很難保證封堵質量。

（2）在尺寸設計方面。a.加固體的最小尺寸應按滿足土體強度驗算及機械設備要求的最小尺寸確定，根據參考文獻[2]、[3]，復合地基土體抗剪指標φp=30°，cp=0.36 MPa，所以當加固土體寬度時，端頭加固體在主動土壓力下不會破壞；而按目前國內盾構機械，一般當b≥6 m時，盾構機的注漿可以保證封堵盾構機在掘進過程中所產生于加固體和連續墻結合部中的涌砂通道，所以本設計認為盾構加固體寬宜取為6 m。b.為防止盾構始發磕頭，本設計利用三管旋噴樁加固洞口下部4 m范圍內土體。c.為保證有效覆蓋厚度及地面大型起重設備要求，并考慮到工法限制，本設計利用三管旋噴樁加固洞口上部4 m范圍內土體，并利用水泥攪拌樁接著加固至地面。

2.3 工藝要求

盾構井在盾構施工完成后需要根據工藝要求進行設備安裝，如管道閥門安裝、設置檢修井及工作平臺等。本設計思路是要充分利用原有盾構井基坑結構承擔輸水管道運營后的長期荷載，所以在設計內支撐時除了要考慮管道安裝需要的空間，還要在盾構井基坑構件相應位置預留鋼筋，以便設置滿足運營期需要進行結構布置的橫梁及樓板。

3 結論

綜合以上內容，本文得出結論如下：

（1）盾構井基坑結構分析根據不同工況，采用不同的方法分別對圍護墻及支撐體系進行計算分析是可行的，既減少了三維計算分析的工作量，也包絡了所有工況引起的結構內力值，達到了設計效果。

（2）盾構井出洞加固是設計的關鍵環節，特別當場地為飽和砂層時，需根據以往工程經驗進行合理設計。

（3）盾構井基坑構件設計是要充分考慮以后工藝設備安裝的空間要求及項目運營后的長期荷載作用，統籌設計。

[1]程文瀼，顏德姮，康谷貽,等.混凝土結構與砌體結構設計（第三版）[M].北京：中國建筑工業出版社,2005.

[2]龔曉南.地基處理手冊（第三版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[3]錢家歡,殷宗澤.土工原理及計算（第二版）[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[4]趙志縉,應惠清.簡明深基坑工程設計施工手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2001.

[5]JGJ 120-99,建筑基坑支護技術規程[S].