大直徑盾構隧道工作井環框梁計算方法及建議

楊國松，王海林，敬懷珺，蔡麗琴

(湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙 410008)

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展，基礎設施投入的力度進一步加大，越來越多的超大直徑盾構隧道應需而生[1-3]。因盾構斷面愈發加大，為滿足盾構機的始發及接收要求，基坑深度也隨之變深。由于盾構始發需要拆除內支撐，使得盾構井整體剛度降低，該工況下為圍護結構、環框梁、側墻整體受力，為保證工作井的安全，一般在盾構洞門圈上部設置一道較大斷面的環框梁用于增強側墻的水平剛度[4]。目前，對于大直徑盾構隧道工作井始發階段環框梁受力狀態的計算方法尚存在爭論，通過采用三維實體模型和二維大小剛度框架模型、二維平面荷載傳遞模型進行數值分析，并結合現場實際監測數據，校核各模型的準確性，提出了大直徑盾構井環框梁相對合理的計算方法及建議[5]。

1 工程概況

珠江口隧道盾構始發井平面為矩形結構，長×寬為23.4 m×26.8 m，深25.35 m，地下四層結構，采用明挖逆作法施工，為保證基坑安全與穩定，盾構井開挖階段采用連續墻+內支撐體系，連續墻厚1 000 mm，連續墻嵌固深度不小于5.0 m，基坑支撐系統采用5道混凝土支撐，第一道截面尺寸為800 mm×1 000 mm；第二道截面尺寸為1 000 mm×1 200 mm；第三、四、五道截面尺寸為1 200 mm×1 200 mm，第一道環框梁截面尺寸為1 200 mm×2 500 mm，第二道環框梁截面尺寸為2 000 mm×3 000 mm，第三、四、五道環框梁截面尺寸為2 000 mm×2 500 mm。主體結構頂板厚700 mm，夾層板厚200 mm，地下一層板厚400 mm，地下二層板厚400 mm，地下三層板厚200 mm，底板厚1 500 mm，側墻厚1 200 mm。

2 地質概況

擬建盾構井地貌單元為珠江一級階地，場區地形平緩，地面高程-0.3～-0.5 m，周邊環境較簡單，基坑開挖深度范圍內地層以覆蓋層為主，場區分布有地表水，水深0.5～1 m，施工前應對其進行抽排。地下水主要為賦存于中砂層中的孔隙式承壓水，其與下伏基巖中基巖裂隙水構成統一含水層，具承壓性。勘察期間，該層水位埋深約0.5 m左右，高程-0.8～-1 m。地勘資料揭露顯示，場地范圍內從上到下穿越地層主要為淤泥、粉質黏土、淤泥質土、中砂、全風化含礫砂巖、強風化含礫砂巖、弱風化含礫砂巖，基底位于全風化含礫砂巖，具體巖土參數設計建議值見表1。

表1 土層物理力學參數

3 三維實體模型數值計算

3.1 模型及荷載分布

通過采用midas GTS NX有限元軟件建立盾構井三維實體模型，盾構始發階段需拆除內部各道支撐，且內部結構中各層梁、板、柱均未施工，整個受力體系由地連墻、環框梁、主體結構側墻及底板構成，洞門圈加強梁采用梁單元，地連墻及主體結構側墻、底板采用板單元，圍護結構、底板與土體接觸均采用僅受壓地基彈簧模擬，基床系數取41 MPa/m，同時通過約束后配套段的X、Y方向位移[6]，保證模型結構與實際相符。盾構井分別按正常使用極限狀態、承載力極限狀態進行計算，荷載取最不利組合進行設計，圍護結構上的荷載為側向水土壓力、地面超載(考慮管片堆載引起的超載值)，底板上的荷載為豎向水浮力荷載[7]。

3.2 計算結果

盾構始發階段，第二道環框梁為最不利構件，選取第二道環框梁為代表性構件進行研究，第二道環框梁My彎矩，最大彎矩為14 098.4 kN·m，最大變形為0.003 1 m。盾構井側墻x方向最大變形為0.003 8 m，y方向最大變形為0.002 9 m。

4 二維模型數值計算

二維模型采用有限元軟件SAP2000進行計算，荷載取值、地基彈簧系數及約束條件均與三維模型相同，對比分析采用大小剛度框架模型與板荷載傳遞模型所計算結果的區別。

4.1 大小剛度計算

各層環框梁與地連墻及主體結構側墻作為盾構始發階段內部框架的支撐體系，環框梁的支撐剛度取值既為施加于環框梁上的力與它引起的線位移之比。環框梁最小剛度發生在框架短邊跨中位置，最大剛度發生在框架長邊角部位置[8]。采用SAP2000有限元軟件，建立計算環框梁最大、最小剛度的平面荷載-結構模型，對環框梁施加單位力，根據變形結果計算出環框梁的等效最大、最小剛度。

通過對計算出來的位移結果，根據剛度公式K=F/L，其中K為剛度，F為環框梁上的單位荷載，L為環框梁的位移，統計后的各道環框梁最大、最小剛度見表2。

表2 環框梁等效剛度值列表

4.2 二維大小剛度框架模型

盾構井建立側墻、底板、連續墻的二維框架結構，作用于地連墻上的荷載為采用水土分算后的側向水土壓力、 考慮盾構始發時管片堆載的超載值，底板荷載為水浮力，與土體的接觸部位施加彈簧剛度為41 MPa/m的僅受壓地基彈簧，側墻與連續墻之間采用僅受壓虛擬連桿，各道環框梁節點位置采用同剛度的彈簧模擬，彈簧剛度系數即為所計算出來的環框梁最大、最小剛度。通過計算出環框梁處彈簧的節點力后反向施加于環框梁平面模型進行包絡計算，最大、最小剛度節點力統計結果見表3。

表3 盾構始發階段環框梁大小剛度節點力計算結果表

將二維大小剛度框架模型計算出來的節點力反向施加于環框梁平面模型，以此力計算環框梁的彎矩及變形。

通過該方法計算，第二道環框梁最小剛度計算結果中最大變形為0.019 m，最大剛度計算結果中最大變形為0.001 m，平均值為0.010 m，環框梁的最大彎矩為28 92.44 kN·m。

4.3 二維板荷載傳遞模型

工程中通常考慮的二維板荷載傳遞模型即假定盾構井地連墻、側墻背后的水土壓力、超載值經過側墻傳遞后均集中到環框梁承擔，荷載沿斜向45°集中于梁上，梁兩端為固定約束。

第二道環框梁豎向荷載承擔范圍為6.33 m，頂部土壓力為32.2 kPa，底部土壓力49.92 kPa，頂部水壓力為57.6 kPa，底部水壓力為89.25 kPa，超載值為14 kPa，水平向梁跨度為23.4 m，分擔范圍均為彈性構件，計算結果顯示環框梁最大彎矩為38 480.24 kN·m，最大變形為0.141 m。

5 現場實測

為更好的了解環框梁的實際受力性狀，我們在盾構井及基坑周邊制定了嚴格的監控措施，對環框梁、地連墻水平位移等方面進行監測[9-11]。盾構于2021年底始發，地連墻及環框梁水平位移最大值均出現于內支撐拆除之后，兩者變形基本一致，具體變化情況見圖1所示，地連墻最大水平位移為0.009 5 m，環框梁最大水平位移為0.009 2 m。

圖1 地連墻及環框梁位移監測圖

6 結論與建議

(1)采用大、小剛度的二維框架模型計算環框梁的受力及變形是適宜的，其變形平均值為0.010 1 m，與實際監測數據0.009 2 m基本一致，考慮到后續盾構掘進過程中，盾構井周邊土體的蠕變及次固結，環框梁的變形也會相應小幅增加，因此，該方法在實際的環框梁設計中是相對合理的。

(2)環框梁計算采用二維板荷載傳遞模型其最大變形為0.141 m，與實際監測結果相差較大，此方法可能因其忽略了板的剛度，將環框梁作為單獨構件計算，設計過程中若采用此方法，必然會造成浪費。

(3)盾構井三維模型中考慮下部幾道環框梁與洞門圈加強梁節點完全耦合，未考慮盾構始發時對其的影響，環框梁最大變形為0.003 8 m，計算結果偏理想化。

盾構隧道始發前內支撐需要全部拆除，此時，整個基坑側向為一個懸臂結構。過小剛度的環框梁可能會造成基坑坍塌，危及生命和財產安全。較大剛度的環框梁能夠保證基坑的安全，但過于保守的設計必然會導致工程浪費。結合以上相關研究結論，建議大直徑盾構井環框梁設計時采用二維大小剛度框架模型，該模型在保證基坑安全的前提下，能預留一定的安全儲備。