深圳市城際鐵路工程區間圓形工作井形式及計算方法研究

李瀟 LI Xiao

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣州 510010）

1 研究背景

根據粵港澳大灣區城際網規劃。深圳近期建設5個項目，項目總長約410公里，總投資約2018億元，其中，城際項目3個，于2020年年初開展可研階段工作。分別為：深大城際：69.2km，設站11座，設九圍動車段1座；深惠城際：59.4km，設站10座；龍大城際：39.5km，設站6座，設新大存車場一座。

城際鐵路長大區間較多，且埋深更大，因此對投資的影響更為顯著；受制于曲線半徑大，下穿眾多控制點（高速公路、市政橋梁、建筑物、軌道交通、供水設施等），區間平均埋深在50m左右，工作井深度在40-60m。

從結構形式上，需要優化圍護和主體結構形式，達到受力合理，截面優化，工效提高的目的。對于超深工作井，一方面隨著深度的增加，水土壓力也增大，圍護結構截面也相應增加，從而造成投資增加；另一方面超深工作井支撐鑿除或拆除周期長、風險大、工序銜接差、工效低。

從規模上，需要精細化設計，在保證工效的前提下優化工作井的規模。城際鐵路車站多數為樞紐站，往往受到邊界條件不穩定和拆遷的影響，多數不具備始發條件，因此區間工作井以（雙）始發為主，規模也大于接收井。工作井對投資和工期的影響也更大。

2 工作井形式和規模

傳統工作井采用矩形斷面形式，地下連續墻+環框梁及內支撐順筑法，但是隨著埋深增加彎矩加大，從而造成地連墻截面大，并且需要設置中立柱和內支撐，影響施工，如圖1所示。如果采用圓形地下連續墻+內襯墻逆筑（或環框梁順筑法），受力較為合理，軸力大彎矩小，井內凈空合理利用，不影響施工，經濟安全。

圖1 矩形工作井形式

圓形工作井考慮始發條件及主體結構形式可以采用三種方案。綜合考慮推薦采用圓形工作井第三種形式。

第一種為端頭采用砼端墻，無前后導洞，分體始發。采用逆順結合，工作井主體范圍順筑，主體施工后施筑砼端墻，預埋洞口環板，分體始發。優點是洞門節點簡單，整體性好，結構安全性高。缺點是施筑端墻后空間受限，盾構分體始發，施工工效低。為保證空間，工作井規模增大后不經濟。如圖2所示。

圖2 圓形工作井形式一

第二種為端頭采用洞口圈梁+環框梁，加設前后導洞，整體始發。采用順筑或逆順結合，工作井主體范圍順筑，將洞口圈梁施工完成后，破除洞門礦山法施作導洞，盾構始發。優點是工作井內凈空可以做到利用最大化，加上前后導洞，可以實現盾構洞內整體始發，工效高。缺點是洞口節點復雜，對管片和圓形地連墻的削弱大，工程風險相對高。如圖3所示。

圖3 圓形工作井形式二

第三種為主體結構加強后，加設前后導洞，整體始發。采用逆順結合，工作井主體范圍順筑，主體結構預留出洞和盾構始發條件，主體完成后破除洞門施作導洞，盾構始發。優點是融合了方案一和方案二的優點，在不增加規模的情況下做到整體始發，主體結構加強后圈梁和環框梁尺寸減小。工作井凈空考慮始發、出渣、吊裝、垂直電梯、風管布置等要求，其中受隧道洞門圈梁和始發施工作業空間控制。17.6m線間距前后導洞采用礦山空推管片的區間工作井內襯墻凈空為33m；圈梁處設置暗柱，并與縱橫向隔墻形成剛性連接，對開洞處加強。主機距離側墻邊1000mm（困難情況下不小于500mm）。工作井底板考慮盾構始發和接收要求，下沉1700mm，設置前后導洞。圍護結構采用地下連續墻+內襯墻進行支護。采用一挖一襯的順序擬筑施工。在主體結構以上部分為疊合墻體系。在主體范圍采用逆筑復合墻體系，全包防水。內部隔墻采用順筑，完成隔墻后灌填混凝土后破洞門開挖礦山盲洞。安全性相對較高，全包防水效果好。但防水節點需特殊處理，洞口圈梁范圍逆筑工藝復雜。如圖4所示。

圖4 圓形工作井形式三

3 計算方法

3.1 結構內力分析方法

對于圓形地下連續墻，可供選擇的計算方法有平面豎向彈性地基梁法、空間彈性地基板法、三維連續介質有限元法和有限差分法等。

雖然平面豎向彈性地基梁法已成為目前工程界普遍采用的計算方法，但是，對于空間效應明顯的圓形基坑，采用平面彈性地基梁法求解地下連續墻的內力和變形時，忽略了圓形圍護結構的三維拱效應，計算結果與實際受力情況不符，導致設計人員在設計時過于保守而造成資源浪費或者留下安全隱患。并且在平面分析模式下，作用在地下連續墻外側的水土壓力全部由內支撐體系和坑外土體的抗力來平衡，各道水平支撐產生的軸力較大，分析結果并不合理。

因此，對于空間效應明顯的圓形地下連續墻，采用空間彈性地基板法和三維連續介質法分析地下連續墻的實際受力狀態更為合理。

以某區間2#井為例，分別采用上述兩種方法對其圍護結構進行結構內力計算，計算結果顯示空間彈性地基板法的內力明顯小于平面豎向彈性地基梁法內力。如圖5~圖6所示。

圖5 圍護結構內力計算結果（平面豎向彈性地基梁法）

圖6 圍護結構彎矩計算結果（空間彈性地基板法）

3.2 平面豎向彈性地基梁法

①地連墻等效分布彈性系數。

圓形地連墻的空間效應，軸線對稱結構取單位寬度的地下連續墻墻體作為豎向彈性地基梁。根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363-2019）附錄T，圓形地連墻的環向效應可采用沿深度方向的彈性支撐來替代。

其中環向剛度折減系數應根據工程具體情況研究采用，主要考慮墻段間存在的泥皮對圓形地下連續墻墻體環向受壓剛度的削弱。槽段混凝土是分期澆注的，由于采用泥漿護壁，二期槽段澆注時，在一、二期墻段間必然存在一定厚度的泥皮。基坑開挖時，外側水土壓力作用導致墻體環向受壓，泥皮在壓力作用下產生變形，從而削弱了墻體的環向剛度。圓形地下連續墻直徑越大、槽段接頭數越多、泥皮厚度越大，則削弱程度越大。削弱程度的取值，與施工單位的技術水平、經驗密切相關，需要根據工程具體情況研究采用。武漢陽邏大橋南錨錠基礎圓形地下連續墻支護結構受力計算中，采用了法國基礎公司根據其多年經驗提供的建議方法對a值進行了計算，算得a為0.417。根據信息化施工監測結果，墻體受力及變形狀態與計算結果非常吻合。武漢陽邏大橋南錨錠基礎圓形地下連續墻支護結構外徑達73m，墻厚1.5m，最大墻深約61m，最大開挖深度約45m，己達相當規模，因此本條取用a低限值為0.4，能夠包括一般情形下的圓形地下連續墻支護結構。a高限值取0.7主要參考了《港口工程地下連續墻結構設計與施工規程》。

②內襯墻、內環梁等效彈性系數。

內襯墻由于其整體性，充分考慮其空間效應，采用根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363-2019）附錄T，當圓形地下連續墻支護結構利用內環梁或內襯作支承時，可將內環梁或內襯墻以等效彈性支承來替代。

應考慮地層、地下水、地面荷載分布的不均勻性，以及圓環向外側變形區域的土體對內環梁或內襯的約束作用。缺乏資料時，荷載作用的不均勻系數可取1.1~1.2，安全起見，按沿對角象限分布進行計算。

3.3 結構驗算

圓形工作井圍護結構穩定性驗算除整體滑動、抗傾覆、嵌固、抗隆起、滲流穩定性驗算外，還需進行軸心受壓驗算。

3.4 結構內力計算總結

①地連墻在豎向荷載不均勻，這比盾構管片受力更為不利。且地連墻的作用主要是承擔未施作內襯工況下的荷載作用。同時每幅地連墻結構相對獨立，環向鋼筋未貫通。因此建議仍按照平面桿系結構彈性支點法計算，配筋以豎向主筋為主。

②地連墻需考慮圓形地連墻的空間效應，具體以《公路橋涵地基與基礎設計規范》規定為準。

③內襯墻由于其整體性，建議采用空間彈性地基板法計算，充分考慮其空間受力的特性。配筋主筋為環向+縱向（雙向板）。

④地連墻存在施工垂直度偏差引起的有效厚度小于設計厚度的情況；同時地層差異存在不均勻荷載偏壓的情況；地面超載不均勻也有偏壓的情況；鄰近基坑開挖引起的應力釋放也存在偏壓的情況。在設計中應明確邊界條件，選取合理的計算模型和荷載工況。

4 結論及展望

4.1 結論

深圳城際鐵路的工作井具有深度深、平面尺寸大的特點。傳統的方形結構+密排支撐的支護形式不再適用，本著“好干、好用、省錢”的原則，經前期深入研究，擬采用圓形結構形式。經理論分析，圓形結構可考慮環向剛度、空間效應，在控制變形、提高工效、控制投資等方面有顯著優勢。

①建議依據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG3363-2019），《港口工程地下連續墻結構設計與施工規程》（JTJ303-2003）的相關規定進行圓形支護地下連續墻結構設計，地下連續墻可按環向效應的豎向彈性地基梁或空間結構計算，內襯墻的內力和變形可按空間受力效應的三維彈性地基板法計算。

②內襯墻應沿基坑深度方向分段變截面設計，隨著內力增加逐步加厚，周邊環境簡單、且地層較好時，頂部一定范圍內可根據內力情況不設內襯墻。

③圓形地下連續墻墻體的環向效應修正系數可取0.4~0.7，應綜合考慮工作井半徑、槽段數量等工程具體情況合理取值，不應脫離實際一律按0.4計算。地下連續墻環向有效厚度計算時垂直度可按1/300控制，基坑較淺、施工工藝成熟可靠時可適當提高控制標準。

④應合理控制地下連續墻和內襯墻（環梁）的配筋量，避免因配筋過密導致混凝土振搗不密實，進而影響結構強度。設計文件應明確破洞門施工工序，驗算主體結構破洞門工況的結構安全，加強薄弱節點處配筋。

⑤如采用全逆筑方案，應結合地層條件及施工組織需求，靈活調整開挖進尺，使結構充分發揮作用，且便于施工組織安排。

4.2 展望

①需要進一步調研及比選內襯墻和環梁方案，滿足結構安全的前提下，綜合考慮止水效果、井內施工環境、現場施工組織需求等因素，靈活選用相適應的方案。

②內襯墻與地連墻的剛度折減系數是否分開取值，應如何取值，剛度計算前還是計算后折減[4]。

③三維計算模型如何準確的反應地下連續墻及其接頭，內襯墻與地墻之間的連接關系如何體現；開挖工況增量法如何在軟件中便捷的實現。

④地連墻失穩的穩定性系數在未施作內襯范圍如何考慮等。