超大盾構工作井半逆作法施工受力變形特征分析

李雄飛

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

超大盾構工作井半逆作法施工受力變形特征分析

李雄飛

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

隨著我國經濟的快速發展，城市化水平不斷提高，對市政交通的要求也越來越高[1]，在有限的地上空間發展逐步轉向地下空間的發展已成為城市交通發展的趨勢。目前上海地區市政交通中地下空間的施工主要采用盾構掘進法施工，在盾構施工中其結構工作井承載著盾構機械設備安裝調試的作用，其結構的安全關系著盾構設備能否按預期實施的關鍵。我國一般盾構工作井的施工已趨于成熟，而超大盾構（直徑大于14 m）實施時間相對較短，其工作井的結構施工也處于技術人員不斷探索改進中。

半逆作法施工；圍護墻體測斜；支撐軸力

0 引言

本文以上海某隧道工程超大盾構工作井施工為研究對象，對超深工作井基坑順做法施工變更為半逆做法后，對支護體系在施工中的受力及變形動態監控，分析各工況節點下的變形、受力特征，汲取有價值的經驗，數據為同類結構設計優化，施工工藝的改進提供借鑒經驗。

1 基坑概況

擬建項目工作井采用1 200 mm厚地下連續墻作為圍護結構，墻深47.5 m，平面外包尺寸取為26.8 m×55 m，基坑開挖深度26.32 m，基坑底標高為-21.395 m。工作井采用鋼筋混凝土斜支撐體系，沿基坑豎向共布置5道鋼筋混凝土支撐。其中第1、2道鋼筋混凝土支撐與井內頂、中框架合二為一。工作井平面布置見圖1。

圖1 工作井平面布置圖（單位：mm）

由于本工程為上海市重點工程，施工工期節點受各方關注，為了保證工作井結構施工進度能匹配上原計劃盾構下井安裝時間節點，施工過程中考慮到順作法施工無法滿足工期要求，見圖2，施工方對工作井施工流程進行了相應調整采用半逆做法施工，見圖3。

圖2 順做法施工順序圖

圖3 半逆做法施工順序圖

工序調整后相比原施工流程工期約可提前1個月，確保在不影響結構施工質量的前提下，盾構能按原計劃時間下井安裝。本工作井2015年7月開始施工，2016年1月初結構施工完成，盾構機按計劃下井安裝。

2 監測概況

作為龐大而復雜的地下工程，往往因其地質條件復雜、建設周期長、時間跨度大、施工困難、設計計算理論尚不完善等多方面的問題，在建設過程中會出現工程質量難以保證、工程進度難以把握、工程風險難以控制的情況。而監測工作的有效實施，是保證施工安全的一個重要環節[2]，通過對監測數據進行統計分析，從中汲取出有價值的內容和信息，及時反饋至工程建設相關單位，對于保證工程質量和基坑施工安全具有極其重要意義。

盾構工作井監測內容主要包含基坑圍護體系內力、變形，基坑外土體變形、地表變形、坑外水位。本文主要以地墻變形及支撐受力作為研究對象，通過對各工況節點下的數據統計、結合施工特征，分析其支護結構的力與變形特征。根據規范[3]要求并結合現場實際情況，盾構工作井的監測內容參見表1。監測內容分為六個方面，即圍護墻頂變形監測、圍護測斜監測、坑外地下水位監測、坑外地表位移監測、支撐軸力監測、立柱垂直位移監測。

表1 監測內容統計表

3 監測數據分析

由于監測期間所測數據及監測內容繁多，本文主要統計圍護墻體測斜及支撐軸力在關健施工節點下的變形、受力數據，分析半逆作法施工過程中變化規律趨勢，為同類項目的實施積累經驗。

3.1 墻體測斜

統計工作井墻體測斜監測點在各道支撐（內襯墻）完成及支撐拆除完成后最大變形及對應深度參見表2（分六個工況：地下一層結構完成，地下二層結構完成，地下三層結構完成，第五道支撐完成，地下四層結構完成，拆撐完成）。

選取典型性監測點繪制墻體測斜點在各工況節點下的累計變形曲線，見圖4。

從測點所處區域分析工作井地墻北側數據略小，東、西兩側墻體整體變形數值較接近；不同區域變形數據差異主要由于所處環境不同，北側墻體外為盾構出洞區域，地基土采取了三軸攪拌樁加固措施，東、西兩側地基土為正常沉積土層，不同的地基土性質引起的變形也不盡相同。

表2 墻體測斜最大變形及對應深度表

圖4 墻體測斜工況節點累計變形（單位：mm）

在各工況節點下墻體的變形主要遵循以下特征：

（1）地下一層結構施工期間，墻體位移在開挖面底下4m左右達到最大值，墻體曲線呈“鼓肚”狀向坑內突出，整個地墻頂、底位移相對穩定。

（2）地下二層結構施工期間，墻體位移最大值處于開挖面底下6 m附近，圍護墻體與地下一層結構疊合面無明顯位移，而地下一層結構面以下，曲線明顯向坑內突出；墻頂位移趨于穩定，墻底小幅向坑內移動。

（3）地下三層結構施工期間，墻體最大位移處于開挖面底下5 m左右，墻體變形在上兩層結構疊合面相對穩定；疊合面以下墻體位移逐步增大，在開挖面底下5 m達最大值后位移量再逐步減小，延伸至墻底向坑內位移7 mm左右。

（4）第五道支撐施工期間墻體位移在三層結構疊合墻部位位移相對較小，疊合部位以下墻體位移曲線呈明顯散開趨勢，在開挖面以下5 m左右達到最大值，位移達最大值后隨著深度的加大逐漸減小，延伸至地墻底部變形約20 mm。

（5）地下四層結構施工期間伴隨著基坑底板施工，墻體位移在地下第三層疊合墻部位相對較小，疊合墻部位以下變形在上一工況累計變形基礎上進一步發展，在坑底下5 m左右達最大值，隨著深度的增加相對位移逐步減小，延伸至墻底位移約30 mm。

（6）拆撐期間墻體整體向坑內小幅位移，在拆撐部位未呈現明顯移動，主要由于地墻與內襯墻疊合后整個圍護剛度大增，能抑制坑外土壓力。另外拆撐期間延續時間較長，下部土體擾動后重新固結還未穩定同時上部結構在溫度大幅下降下呈現小幅收縮，在測點上特征表現出小幅向坑內移動。

墻體的位移主要由于坑內土方開挖造成坑外土體失去平衡向坑內位移所致，位移的大小取決于圍護體對周邊巖土的約束程度及施工的方式。本工程在設計結構在未調整的前提下，合理調整了施工工序，墻體的變形特征與常規順做法的變形特征有了一定的改變，疊合墻的較早施工對坑外土體位移的發展產生了明顯的制約作用，整個工程施工期間墻體的變形均處于設計控制值范圍內，好于預期。

3.2 支撐軸力

在基坑施工中鋼筋混凝土支撐作為臨時構件設施，它與圍護體系的有機結合，將有效制約坑外荷載對圍護結構的影響，支撐的安全性評估主要由支撐軸力的大小來衡量。監測實施過程中采用不同的施工方法支撐軸力的發展規律與趨勢也不盡。統計本項目各軸力監測點在不同工況下的累計受力值見表3（共10個軸力監測點：Z C1-1, Z C1-2,Z C2-1,Z C2-2,Z C3-1,Z C3-2,Z C4-1,Z C4-2, Z C5-1,Z C5-2）。

從數據統計結果及日常測量數據分析，各道支撐軸力在各不同工況下大致存在以下特征：

（1）第一道支撐軸力在第二層土方開挖期間呈現明顯受壓，第三層土方以下開挖支撐軸力整體呈現出減小趨勢，下部支撐拆除期間，支撐軸力仍呈小幅減?。恢蔚氖芰μ卣髋c一般基坑開挖支撐的受力特征有所改變，支撐下部疊合墻完成后，下部的土方開挖及支撐拆除未引起上部支撐軸力增大，支撐軸力的逐步減小主要取決于溫度的降低引起的結構收縮，支撐內力發生了相應的變化。

表3 不同工況下支撐軸力統計表

（2）第二道支撐軸力的受力趨勢與第一道支撐基本相同。

（3）第三道支撐軸力在第四層土方開挖期間軸力呈現明顯增大，第五層土方開挖期間小幅增加，拆撐期間軸力未見增大；支撐軸力的大小主要取決于坑外土壓力的大小及支護結構自身的剛度，本道支撐的受力特征與上部支撐略有不同，主要由于隨著開挖的加深，下部土壓力越來越大，疊合墻抗外力效果有所降低，局部發生位移，造成支撐軸力有所增加，同時溫度的影響也造成軸力增加幅度減小。

（4）第四道支撐軸力在第五層土開挖期間支撐軸力增加幅度最大，下部土方繼續開挖至底板期間，支撐軸力也有一定幅度的增加；第四道支撐處于地下三結構的底端，上部為逆作法施工疊合墻，下部僅為地墻，對土壓力的抑制作用明顯較低，進而造成下部土方繼續開挖支撐軸力繼續增大；第五道支撐拆撐期間支撐軸力未見增大，受支撐拆除影響較小。

（5）第五道支撐軸力臨時支護時間相對較短，在開挖至底板期間軸力達到最大值，隨著基坑底板及第四結構的完成，軸力呈小幅減小。

從支撐軸力的絕對數值分析，第一道支撐及第五道支撐軸力離控制值范圍相對較近，第二至四道支撐離控制值范圍相對較遠；上述特征的產生主要受地下結構施工的影響，原設計中只考慮采用地墻來平衡坑外的土壓力，而逆作法施工改變了原結構受力模式，局部區域內襯墻與地墻的疊合大大增加了圍護體的剛度，制約了相當一部分的土體位移，進而改變了支撐桿件的受力大小。

4 結論

支護體系的受力及變形數值大小，是基坑安全性評價的重要衡量指標，工作井施工工序的調整，使原結構的受力模式發生了改變，而圍護結構受力的改變，也從監測數據中直觀的表現了出來。通過對本文案例工程支護體的受力變形趨勢分析，可以看出結構的剛度決定了力與變形數據的大?。还ぷ骶肽孀鞣ㄊ┕ぶ械貕εc內襯墻的提前疊合，增加了圍護體的剛度，同時在土體位移上縮短了土體塑性變形周期，有效抑制了力與變形的發展。

總體來看工作井半逆作法施工的優點是縮短了施工工期，減小了圍護體系的受力變形數值，使基坑施工過程中安全程度進一步提高。但半逆作法施工也存在著一些潛在風險，疊合結構雖有效抑制了部分位移及受力的發展，但坑外土壓力未經過一定的變形釋放，附加給疊合墻的應力也會更大，在結構強度不夠的情況下容易引起局部變形，進而產生滲水、裂縫等次生災害。為有效解決半逆作法施工存在的潛在風險，在監測過程中還可加強疊合墻內力、變形監測，為盾構工作井及類似結構中推廣相關施工工藝、設計人員調整相應參數提供更充分的依據。

[1]董林青.城市地下空間開發與利用研究[J].現代商貿工業,2010, 22(20):286-287.

[2]孫家鑫.對基坑監測工作關鍵環節的認識[J].河南科技,2013(11X): 167.

[3]DG/TJ08-2001-2006,基坑工程施工監測規范[S].

U455.43

B

1009-7716（2017）06-0198-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.059

2017-04-09

李雄飛（1983-），男，四川廣安人，工程師，從事勘察設計工作。