超深超大工作井疊合墻結構工作性態全過程分析

李曉春

(中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088)

超深超大工作井疊合墻結構工作性態全過程分析

李曉春

(中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088)

為研究南京市緯三路過江通道江南工作井的全過程工作性態，以指導設計和施工。通過對豎井設計特點的分析，綜合考慮安全、經濟因素，兼顧施工期與運營期使用需要，確定采用疊合墻的結構設計方案；采用數值模擬手段得出地表沉降與豎井圍護結構剛度的關系曲線，證明了地下連續墻在控制地表沉降方面的優勢；運用SAP2000建立三維有限元模型，對工作井的疊合墻結構施工和運營進行了仿真模擬，研究了疊合結構的變形和受力特征；通過二維和三維計算對比，結合實測數據，指出豎井結構內力計算時，其空間效應是不能被忽略的。通過分析，論證了疊合墻結構體系在江南工作井中運用的合理性，證實了其經濟、受力合理、控制沉降好等優點，可為類似工程提供借鑒。

南京市緯三路過江通道；盾構隧道；超深超大工作井；疊合墻；數值模擬

0 引言

與普通豎井相比，超深超大工作井具有平面規模大、深度深、地質變化大、地質條件差等特點及工程風險。隨著城市地下工程的不斷建設，深大豎井會越來越多。國內學者對深大豎井進行了很多有意義的研究工作。朱正國等[1]基于朗肯土壓力理論荷載結構模型和連續介質空間模型對地鐵深豎井圍護結構安全性進行了分析，并結合FLAC3D進行三維數值模擬，分析了豎井土壓力與變形規律；杜良平[2]結合工程實際，利用數值分析方法對深大豎井施工過程中圍巖的穩定性進行了研究，得出豎井圍巖變形規律及結構受力特征；黃廷[3]依托錢江盾構隧道江北明挖段超深基坑，探討了地下連續墻與主體結構相結合體系的特點、結構計算要點與經濟性，并提出工程應用中應注意的問題；徐向輝[4]通過工程實例，討論了疊合墻體系的施工難點和技術缺陷。針對深大豎井的研究有很多，但是多局限于技術的應用以及施工方法的探討，缺少對工作井整個服役過程的力學行為和變形規律分析，特別是針對疊合墻結構類型的豎井[5-8]。本文依托工程實際，通過理論研究、數值分析、反演分析等手段，研究深大豎井疊合墻結構施工過程中、正常使用階段的變形和受力特征，以期為類似工程提供有益借鑒。

1 工程概況

1.1 概況

南京市緯三路過江通道工程位于南京長江大橋下游約5 km，是南京市的重要過江通道，是緩解長江大橋交通壓力和加強地區間交通聯系的主要通道。

通道采用雙管雙層、X型8車道盾構隧道，盾構接收井(即江南工作井)位于揚子江大道西側，周圍場地開闊，豎井邊緣距離長江大堤的最短距離約53 m。工作井頂部設計標高+7.500 m，基坑底標高-22.100 m，工作井內凈空20 m×20 m，平面外包尺寸為24.8 m×24.8 m，底板埋深29.3 m，為超深大豎井。豎井東北側有若干條重要的市政管線。工作井平面布置如圖1所示。

圖1 工作井平面圖

1.2 工程地質和水文地質

豎井場區勘察揭露地層上部均為第四系松散沉積物，下伏為白堊系基巖。根據土層的成因時代、埋深及巖石的風化程度等確定工程地質層，共劃分為6層。地層分布情況見圖2和表1。另外，工程所處環境地下水埋深淺。

2 工作井設計思路分析

2.1 江南工作井特點分析

本工作井的特點是平面尺寸大、深度很深，且地質條件差，地下水豐富，周圍有重要的市政管線，所以設計及施工過程中主要面臨2方面的問題。

1)支護的選擇。地質條件及結構尺寸決定了結構在施工和運營過程中都要承受較大的地層壓力。另外，周邊有重要的市政管線，施工期要保證對其影響降至最低，不發生破壞，要求支護結構有一定的剛度。因此，在保證施工安全的前提下，選擇經濟合理的支護形式是工程面臨的關鍵問題。

2)地下水位高，地層透水性強，易發生涌水、滑塌等災害，處理不好會對結構安全產生不利影響。

圖2 工作井場區地質圖(單位：mm)

表1 地層統計表Table 1 Parameters of strata

2.2 工作井圍護結構選擇

因工作井地處城市之中，且周邊有重要的市政管線，施工中對地面沉降控制要求很高。因此，為選擇合適的圍護結構，對豎井開挖過程地表沉降和圍護剛度的敏感性進行數值分析，建立如圖3所示的有限元分析模型。因為對稱，取一半分析即可。為了便于比較，本次分析只改變圍護結構剛度參數，而插入比、地下水位等參數保持不變。

不斷改變圍護結構的剛度，經過計算后，以豎井基坑水平向為X軸，地面沉降為Y軸，繪制沉降曲線，如圖4所示。從圖4中可以看出，地面沉降規律基本符合懸臂式基坑外地表沉降變化形式。E為圍護結構剛度，可以看出，隨著圍護結構剛度的增大，地表沉陷呈逐漸減小的趨勢。

圖3 工作井圍護結構有限元模型(單位：mm)Fig.3 Finite element model of retaining structure of working shaft (mm)

圖4 工作井沉降與圍護結構剛度關系圖Fig.4 Curves of ground surface settlement Vs rigidity of retaining structure of working shaft

對于地下墻按混凝土彈性材料考慮，取彈性模量E=25 000 MPa；對于圍護樁和土層協同作用后，按照等剛度原則平均后取E=10 000 MPa。從圖4中查找地下墻對應的最大沉降約為9 mm，圍護樁對應的最大沉降約為15 mm，可見地下墻相對于圍護樁具有明顯的抵抗沉降的優勢。

2.3 工作井疊合墻設計方案

疊合墻體系是深大豎井中常用的圍護結構體系，在很多明挖地下工程中得到應用，獲得了很好的施工效果，并取得了較好的經濟效益。所謂疊合墻體系，是指圍護結構作為主體結構側墻的一部分，與內襯墻組成疊合式結構，通過結構和施工措施使疊合面可以傳遞剪力，疊合之后，結構將會作為一個整體發揮承載作用。

針對本工程的特點，若豎井施工時的支護僅僅作為臨時支護使用，會造成較大的資源浪費，因此，江南工作井支護結構采用疊合墻體系。地下連續墻不僅作為施工期基坑的臨時支護，在運營階段也作為永久結構的一部分受力，同時兼作止水墻，采用明挖順作法施工。豎井施工工序見圖5。

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

(g) (h)

本工程豎井支護結構所處地層環境差，受到較大的圍巖壓力，且水壓較高，設計采用1 200 mm厚的C35混凝土地下連續墻作為圍護結構，支撐采用鋼筋混凝土支撐與鋼管內支撐相結合的方案，內襯墻采用1 200 mm厚C35防水混凝土。主要設計要點如下：

1)基坑開挖采用明挖順筑法施工。橫撐系統采用7道支撐，其中第1～6道支撐為鋼筋混凝土支撐，第7道支撐為鋼管支撐。在平面設置3道支撐，從而減小井壁彎矩和剪力，優化結構受力。

2)工作井地下連續墻接縫采用十字止水鋼板接頭，并在豎井地下連續墻接縫外側采用旋噴樁止水，以防止基坑開挖時的墻間水滲漏和水砂突涌。

3)在內支撐中間設置1排格構柱，在明挖段與工作井接口部位設計1排格構柱。

4)采用φ1 200@900 mm高壓旋噴樁對基底進行滿堂加固，加固深度為坑底以下5.0 m。

3 工作井施工期力學性態分析

根據不同工況進行施工期豎井支護結構計算，取所有工況的內力包絡值為控制工況。

在基坑開挖階段，地下連續墻承擔全部水土壓力及施工荷載。圍護結構計算分析采用荷載-結構模式，按荷載“增量法”進行計算，模擬基坑開挖階段結構的受力及變形特點。根據豎井開挖、支撐的實際施工過程，采用彈性地基桿系有限元法計算分析圍護結構內力[9-10]。內力及變形包絡圖如圖6所示。

從圖6中可以看出，地下墻的最大彎矩達到了3 000 kN·m，最大側向位移達到了39 mm，但是這一結果忽略了結構的空間特征。為了研究空間效應對基坑變形的影響，預先在地下墻中埋設測斜管，以觀察施工期地下墻的變形情況。主要布置了2組測點，一組在豎井邊墻跨中，另一組在豎井邊墻1/4跨的位置，如圖7所示。

通過測斜管，在豎井施工到底部后，對2組測點進行監測，以豎井地下墻側向位移為橫坐標，豎井深度為縱坐標，繪制地下墻側向變形圖，如圖8所示。

從圖8中可以看出：測點2(1/4跨)的側向位移明顯小于測點1(跨中)，說明豎井四壁的端部效應十分明顯；另外，測點1的最大值為19 mm，與上述平面分析中的最大值39 mm相差很大，說明此豎井基坑雖然尺寸較大，但空間效應仍相當可觀，在設計計算中可以充分利用。

4 疊合墻服役全過程空間分析

工作井疊合墻結構是一個四邊相互支撐的、閉合的結構體系，具有顯著的空間受力特征，因此，通過SAP2000建立三維有限元模型進行工作井結構的力學分析，以指導設計。

圖7 圍護結構水平位移測點布置Fig.7 Layout of monitoring points to measure horizontal displacement of retaining structure

4.1 建立有限元模型

根據豎井疊合墻結構的組成和特點，建立有限元模型，如圖9所示。

圖8 豎井圍護結構側向位移分布圖Fig.8 Curves of lateral displacement of retaining structure of working shaft

圖9豎井疊合墻有限元模型

Fig.9 Finite element model of composite wall of working shaft

1)地連墻部分。將地連墻簡化為支撐于圍囹的單向板，并考慮其剪切變形，采用厚殼單元進行有限元模擬計算。

2)內襯墻部分。用考慮剪切變形的厚殼單元模擬，考慮內襯墻與地連墻疊合后剛度。

3)圍囹及支撐采用梁單元模擬。

4)井內建筑部分。頂板及車道板為厚殼單元模擬，內框架部分為框架單元模擬。

4.2 計算工況

根據工程實際情況，計算分3個工況進行，不同工況計算模型見圖10—12。

圖10工況1模型

Fig.10 Model of case 1

圖11 工況2模型

圖12 工況3模型

4.2.1 工況1

工況1為地下連續墻整體剛度形成后，豎井圍巖開挖以及臨時支護的施作，施工步序如下：

Step1：結構整體剛度形成，自重加載，開挖第1部分土體；

Step2：施作第1道圍囹及橫向支撐，完成后開挖第2部分土體；

Step3：施作第2道圍囹及支撐，完成后開挖第3部分土體；

……

Step8：施作第7道圍囹及支撐，完成后開挖第8部分土體。

4.2.2 工況2

臨時支護形成后，在工況1計算結果的基礎上施作內襯，并逐步撤除橫向支撐以及部分相應位置的圍囹，施工步序及計算如下：

Step1：施作全部內襯墻體及豎井底板；

Step2：撤除7道支撐；

……

Step8：撤除1道支撐；

Step9：拆除盾構端圍囹；

Step10：拆除盾構端地連墻；

Step11：施加開口側側向土壓力；

Step12：底板加水壓作用。

注：以上部分拆除支撐時，只拆除該道水平支撐及斜撐，保留相應位置的圍囹。

4.2.3 工況3

在工況2計算結果基礎上施工豎井內建筑，施工工序及計算過程如下：

Step1：施工車道板與立柱；

Step2：加車道活荷載，考慮風塔反力作用。

4.3 結果分析

根據平面及三維空間數值計算結果，統計結構最大變形及受力(見表2)，對各個工況進行比較和分析。

表2 計算結果Table 2 Calculation results

4.3.1 工況1

工況1位移圖和彎矩圖如圖13所示。由圖 13可以看出，工況1外圍地連墻的最大位移為24.4 mm，變形方向指向井內部，最大彎矩為2 390 kN·m。對比2D和3D計算結果，可見發生極值的部位相同，但位移和彎矩均較小，位移減小37%，彎矩減小20%，所以，在進行結構設計計算時，豎井支護結構的空間作用是不可忽視的。具體設計中，應結合2D和3D計算結果綜合選用。

(a)位移圖 (b)端墻彎矩圖

4.3.2 工況2

第2施工階段，內襯墻施工完畢后將與地連墻作為疊合受力構件共同工作，因此，在地連墻同一位置增加內襯墻計算單元，以模擬增加內襯墻之后的豎井支護結構，該階段豎井截面內力為2個計算單元內力之和。計算時，考慮跨地連墻受壓對內襯墻水平剛度的增強作用。

工況2位移圖和彎矩圖如圖14所示。工況2外圍地連墻及內襯墻的最大位移為32.9 mm(累計了工況1的變形值)，變形指向內部。疊合墻彎矩分別為：地下墻1 930 kN·m，內襯墻3 590 kN·m。可見，作為圍護結構的地下墻在永久結構的受力中起到了很大的作用，說明設計采用“永臨結合”的方案是十分合理的。

圖14 工況2位移圖和彎矩圖

4.3.3 工況3

對于采用有限元分析結構外圍墻體側土壓力作用下的主要變形，在工況1和工況2階段已經完成；工況3在工況2的基礎上增加井內建筑，并施加上部結構反力，對主要構件不起控制作用，所以在此不作詳述。

4.3.4 內襯單獨承載

為了便于比較，在表2中列出內襯單獨承載的內力和位移，可見單獨承載會導致內力增大，且位移很難控制。

5 結論與建議

在制定超大超深工作井設計方案時，應充分考慮到大規模豎井的受力特點，不能將近期臨時階段和遠期永久階段分開考慮，否則會造成大量浪費，而且受力也不合理。應按照近遠期相結合的理念進行設計，充分利用多種結構的受力性能。通過總結，可得出以下結論：

1)隨著圍護結構剛度的增大，地表沉陷呈逐漸減小的趨勢。地下墻剛度大，對于控制地面沉降效果較好。

2)對于大規模豎井工程，不應將臨時工況與永久工況分開單獨考慮，應充分利用圍護結構的受力性能，將圍護結構設計服役期加長，或適當降低內襯墻支護剛度，降低成本。

3)從2D和3D計算結果的對比分析來看，空間計算結果無論是在內力上還是在位移上，均比平面計算減小很多。因此，豎井工程的設計和計算應充分考慮空間效應，只按平面問題計算會造成較大浪費。

疊合墻構件可以較大程度地分散地下結構壓力，使各個參與工作的構件受力更加合理。對于類似工程的大規模豎井，建議盡量采用疊合構件進行設計。

超大超深豎井反演分析方面的研究對工程有很大的實際應用價值，但目前此方面的研究成果還比較欠缺，建議今后應逐步加強這方面的研究工作。

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汶馬高速開工全長174 km一半是隧道

全長174 km的汶馬(汶川至馬爾康)高速公路于2014年11月4日全線開工，這條由阿壩州汶川縣發端，深入四川羌區、藏區的高速公路，沿線海拔高差近2 000 m。汶馬高速處于四川盆地向青藏高原過渡的邊緣地帶，全線86.5%為橋梁和隧道，在全國乃至全世界可謂最高“橋隧比”。

汶馬高速公路建成后，成都前往馬爾康的車程將由現在的5 h縮短至3.5 h。

(摘自 新華網 http://www.cnteg.com/News/View/8638.aspx 2014-11-05)

StudyonLong-termandShort-termWorkingBehaviorofCompositeWallofSuper-deepandSuper-largeWorkingShaft

LI Xiaochun

(CCCCHighwayConsultantsCo.,Ltd.,Beijing100088,China)

Considering the safety,cost and operation of a working shaft of Weisanlu River-crossing project in Nanjing,the author analyses the characteristics of the project and decides to take the composite wall as the support of the working shaft.The author mainly analyses the working behaviour of the diaphragm wall in the construction stage,and obtains the relationship between the ground settlement and the support rigidity,then concludes that the diaphragm wall is better than the retaining piles in terms of ground settlement control.Then,the author establishes 3D finite element models,simulates the construction and operation of the working shaft by SAP2000,and studies the characteristics of the deformation and internal forces of the support.By comparing 2D numerical simulation with 3D numerical simulation,the author gets the result that the spatial characteristics of the retaining structure of the working shaft cannot be ignored in the structure design.The author concludes that the application of composite wall in the working shaft is rational.The study can provide reference for similar projects in the future.

Weisanlu River-crossing project in Nanjing; shield-bored tunnel; super-deep and super-large working shaft; composite wall; numerical simulation

2014-04-10;

2014-10-22

李曉春(1967—)，女，江西萍鄉人，1989年畢業于長安大學，城市道路工程專業，本科，高級工程師，從事公路隧道及地下工程的理論與設計研究工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.002

U 455

B

1672-741X(2014)11-1024-07