盾構管廊始發井設計問題探討*

譚琳 胡亞東 梁彥豪 勞偉康 張發科

1.北京市市政工程設計研究總院有限公司廣東分院 廣州510060

2.廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司 廣州510060

引言

在城市的老城區中具有較多管線問題亟待處理，管廊敷設能有效地規劃、建設和管理各類市政管線，解決了城市“拉鏈路”、架空線網密集、管線事故頻發等問題。但在這些地區存在道路交通繁忙、征借地困難等問題而導致無明挖施工的條件，故管廊建設采用非開挖的工法進行施工十分必要。非開挖施工法有礦山法、隧道掘進機工法、盾構法等。其中，盾構法能適應較復雜地層，開挖及掘進過程有足夠的安全度，對沿線建（構）筑物和地下管線影響較小，在市場中得到廣泛的應用。

本文從盾構管廊始發井的基坑支護設計、主體結構設計及人防設計三方面對盾構管廊始發井的關鍵技術問題進行探討。論述了基坑支護設計時支護結構、水平支撐的設計問題，并提出了相應的深化建議；又針對主體結構的耐久性、結構超長問題及施工過程結構設計進行探討；最后闡述盾構管廊始發井人防設計相關問題。

1 工程概況

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

座盾構井，其中始發井共計3座，其中2座采用雙向始發形式。本文僅針對盾構管廊雙向始發井（簡稱“始發井”）進行探討。

始發井在實現其使用功能的前提下，從運維的商業性角度考慮，為達到更有效、經濟地開發和利用市政公共設施資源的目的，增設了商業地下自動停車庫，以實現“商業管廊”的設計理念。對比常規地鐵車站始發井，其設計層高均為6m～7m左右。而盾構管廊始發井分為了東側的管廊區和西側的車庫區。管廊區根據使用功能的不同，設置為地下4層，層高為2.7m～4.7m，層高變化較大；地下車庫區設置地下5層，除最下層供管廊使用外，其余各層均為地下停車庫，層高為3m～4.35m，并設消防水池及自動停車設施，如圖2所示，兩區域存在各層樓板不連續現象。

圖2 盾構始發井剖面Fig.2 Profile of shield launching shaft

始發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化裂隙水，其常年受降雨季節支配，穩定水位接近地表。始發井結構平面外尺寸為：長72.4m、寬20m、深22m～23.5m，如圖3所示。始發井的結構安全等級均為一級，在抗震設計中需按照重點設防類（乙類）進行設計，抗震等級為三級。盾構管廊始發井的防水等級為二級，其中電房區域防水等級考慮為一級。

圖3 盾構始發井結構平面Fig.3 Structural plan of shield launching shaft

2 始發井基坑支護設計

基坑支護設計綜合考慮該項目地塊周邊情況、地質復雜性、地下水豐沛、基坑深度較大和工程造價等因素，比較分析后采用排樁＋內支撐的支護形式。φ1200＠1400mm的排樁滿足基坑設計承載能力極限狀態及正常使用極限狀態要求；勘察報告顯示存在透水性較強的砂層，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的旋噴樁進行截水的支護形式，并在基坑內設置疏干井解決基坑內的地下水問題，如圖4所示。并根據計算需設置三層鋼筋混凝土支撐，并在最下層設置一道錨索。

圖4 盾構始發井基坑Fig.4 Design of the foundation of shield launching shaft

2.1 支護結構設計

基坑支護與主體結構的相對位置關系并無規定的做法，須根據相應的設計理念進行考慮。常規地下結構基坑會選擇預留1.5m～2.5m的槽道，俗稱“肥槽”。始發井基坑深度較大，如預留肥槽，將出現以下幾類問題：（1）用地范圍將增大，老城區中用地緊張、各類管線密集的問題十分尖銳，增大用地范圍將增加項目的協調難度；（2）肥槽空間狹小、高支模問題突出，屬于“超過一定規模的危險性較大的分部分項工程”，工程安全風險值增大；（3）外側防水卷材保護困難，從過往回填經驗可知，卷材的保護基本上不可能實現；（4）肥槽回填壓實度難以保證，后期地面都會出現不同程度的沉降；（5）除采用素混凝土進行回填，其余材料回填均會產生地表水，會出現通過“肥槽”與基底貫通現象，以及地表水產生的“水盆效應”抗浮設計問題，對結構永久抗浮不利。

采用支護結構與主體結構緊密結合的布置方式，是較優的選擇。但由此將產生對支護結構垂直度的要求嚴苛，對整體施工質量要求較高的問題。在本工程中，采用排樁結構的支護方式都不同程度的出現“排樁內侵主體結構”的問題，局部對主體結構削弱較大，建議對于盾構工作井支護結構設計宜采用地下連續墻的支護形式，其既能承擔支護結構的作用，又能達到防水效果。

2.2 水平支撐設計

水平支撐豎向布置需結合各層樓板標高合理設置，并保證施工空間1m以上。始發井是雙向始發，在水平支撐兩側平面布置時需自上而下預留11.5m×9.0m盾構機出入口，以保證盾構機的安裝及后期渣土的運輸等要求，具體如圖5所示。為保證盾構機進出工作井的需求，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，基坑設計在結構底板板面以上1m處設置一道層錨索，增加基坑的剛度和穩定性。

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

始發井管廊區需考慮高壓電纜等的出線問題，故局部邊跨無樓板，同時在地下車庫區需設置兩臺車用電梯，為滿足車輛運輸軌道的設備要求也需預留洞口，如圖3所示。如此將導致在“換撐”時，以上區域豎向支護結構缺少水平支撐的問題。設計采用大開洞處填素混凝土板、加鋼支撐的方式，把永久結構中為滿足工藝、建筑使用要求設計的較大洞口進行暫時封閉，以保證基坑水平傳力的連續性，從而達到整體受力及穩定性的要求。

3 始發井主體結構設計

3.1 耐久性設計

根據管廊規范要求［2］，管廊結構設計使用年限為100年，需進行管廊結構耐久性極限狀態設計［3］。通過控制混凝土的強度等級、最大水灰比、最大氯離子含量、控砂率等指標，達到耐久性設計要求，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 超長結構設計

始發井結構平面結構最大尺寸為72.4m，超過規范建議的伸縮縫最大設縫間距≤50m的要求，而從使用功能來考慮，應盡量不設貫通結構的變形縫。考慮地面以下溫差變化較小，混凝土收縮主要發生在前期，擬采取：

（1）在樓板中設置一道后澆帶，同時在側壁設置三道后澆帶，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，優化混凝土的配合比設計，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；

（4）設計中要求加強混凝土的振搗及養護，混凝土應在全濕潤條件下硬化。設計要求優先考慮蓄水養護等措施，避免或減少混凝土的前期收縮和溫度效應引起的混凝土構件可見裂縫的產生。

3.3 施工過程結構設計

始發井主體結構存在樓層標高變化較大、錯層結構較多、預埋件及預埋孔洞較密集的情況。考慮盾構期間渣土的外運、管片的運輸安裝等問題，始發井結構需分兩期進行。一期為完成底板及盾構區間上一層的樓板結構，二期為其余結構，如圖6所示。圖中陰影填充區為盾構始發前須完成的主體結構，即一期施工結構。結構計算時，須對一、二期工況分別計算，取包絡值進行設計。

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

設計中在預留孔口四周設置為企口，并在企口部位預埋一級鋼筋接駁器，保證后期封堵后鋼筋的有效連接和結構的整體性，并采用提高一級的微膨脹混凝土對預留洞口進行封堵，如圖7所示。

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

4 始發井人防工況設計

管廊的人防設計只是針對管線的防護而非人員的防護，無需進行防化要求且允許染毒。盾構管廊根據防火分區的劃分進行防護單元的劃分，為與地鐵人防工程防護標準保持一致，盾構管廊防常規武器抗力級別和防核武器抗力級別均為6級［4］。

始發井內不同區域功能重要性等級不同，故對于盾構始發井采用分區域進行人防設計的設計理念，僅管廊區進行人防設計，圖9陰影區域為人防區，非陰影區（即地下自動停車庫區域）為非人防區設置。人防區與非人防區間采用鋼筋混凝土墻（“臨空墻”）進行分割；樓板按照地下室防空頂板進行設計，對常規武器爆炸動荷載或核武器爆炸動荷載作用均采用等效靜荷載法進行計算。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，外側墻人防荷載為30kPa，底板人防荷載為50kPa。設計成果顯示臨空墻及頂板的控制荷載為人防荷載，其余結構均為平時荷載控制。

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

5 結論

1.始發井基坑支護設計應采用無肥槽的方式進行布置；支護結構宜考慮地下連續墻，以保證其垂直度和可靠性。

2.始發井主體結構設計通過對材料指標的控制實現其耐久性設計；通過控制鋼筋選型、混凝土的指標、增加施工措施，達到超長結構不分縫效果。始發井需進行施工過程結構設計和永久使用結構設計，取其兩種工況的包絡值。

3.始發井人防設計宜考慮分區設計，僅管廊區考慮人防工況。