超大盾構(gòu)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(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

超大盾構(gòu)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(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化水平不斷提高，對(duì)市政交通的要求也越來越高[1]，在有限的地上空間發(fā)展逐步轉(zhuǎn)向地下空間的發(fā)展已成為城市交通發(fā)展的趨勢(shì)。目前上海地區(qū)市政交通中地下空間的施工主要采用盾構(gòu)掘進(jìn)法施工，在盾構(gòu)施工中其結(jié)構(gòu)工作井承載著盾構(gòu)機(jī)械設(shè)備安裝調(diào)試的作用，其結(jié)構(gòu)的安全關(guān)系著盾構(gòu)設(shè)備能否按預(yù)期實(shí)施的關(guān)鍵。我國一般盾構(gòu)工作井的施工已趨于成熟，而超大盾構(gòu)（直徑大于14 m）實(shí)施時(shí)間相對(duì)較短，其工作井的結(jié)構(gòu)施工也處于技術(shù)人員不斷探索改進(jìn)中。

半逆作法施工；圍護(hù)墻體測(cè)斜；支撐軸力

0 引言

本文以上海某隧道工程超大盾構(gòu)工作井施工為研究對(duì)象，對(duì)超深工作井基坑順做法施工變更為半逆做法后，對(duì)支護(hù)體系在施工中的受力及變形動(dòng)態(tài)監(jiān)控，分析各工況節(jié)點(diǎn)下的變形、受力特征，汲取有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)，數(shù)據(jù)為同類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，施工工藝的改進(jìn)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 基坑概況

擬建項(xiàng)目工作井采用1 200 mm厚地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，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(biāo)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(nèi)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(diǎn)工程，施工工期節(jié)點(diǎn)受各方關(guān)注，為了保證工作井結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度能匹配上原計(jì)劃盾構(gòu)下井安裝時(shí)間節(jié)點(diǎn)，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(duì)工作井施工流程進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)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(diào)整后相比原施工流程工期約可提前1個(gè)月，確保在不影響結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的前提下，盾構(gòu)能按原計(jì)劃時(shí)間下井安裝。本工作井2015年7月開始施工，2016年1月初結(jié)構(gòu)施工完成，盾構(gòu)機(jī)按計(jì)劃下井安裝。

2 監(jiān)測(cè)概況

作為龐大而復(fù)雜的地下工程，往往因其地質(zhì)條件復(fù)雜、建設(shè)周期長、時(shí)間跨度大、施工困難、設(shè)計(jì)計(jì)算理論尚不完善等多方面的問題，在建設(shè)過程中會(huì)出現(xiàn)工程質(zhì)量難以保證、工程進(jìn)度難以把握、工程風(fēng)險(xiǎn)難以控制的情況。而監(jiān)測(cè)工作的有效實(shí)施，是保證施工安全的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[2]，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從中汲取出有價(jià)值的內(nèi)容和信息，及時(shí)反饋至工程建設(shè)相關(guān)單位，對(duì)于保證工程質(zhì)量和基坑施工安全具有極其重要意義。

盾構(gòu)工作井監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包含基坑圍護(hù)體系內(nèi)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(duì)象，通過對(duì)各工況節(jié)點(diǎn)下的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、結(jié)合施工特征，分析其支護(hù)結(jié)構(gòu)的力與變形特征。根據(jù)規(guī)范[3]要求并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，盾構(gòu)工作井的監(jiān)測(cè)內(nèi)容參見表1。監(jiān)測(cè)內(nèi)容分為六個(gè)方面，即圍護(hù)墻頂變形監(jiān)測(cè)、圍護(hù)測(cè)斜監(jiān)測(cè)、坑外地下水位監(jiān)測(cè)、坑外地表位移監(jiān)測(cè)、支撐軸力監(jiān)測(cè)、立柱垂直位移監(jiān)測(cè)。

表1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容統(tǒng)計(jì)表

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

由于監(jiān)測(cè)期間所測(cè)數(shù)據(jù)及監(jiān)測(cè)內(nèi)容繁多，本文主要統(tǒng)計(jì)圍護(hù)墻體測(cè)斜及支撐軸力在關(guān)健施工節(jié)點(diǎn)下的變形、受力數(shù)據(jù)，分析半逆作法施工過程中變化規(guī)律趨勢(shì)，為同類項(xiàng)目的實(shí)施積累經(jīng)驗(yàn)。

3.1 墻體測(cè)斜

統(tǒng)計(jì)工作井墻體測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)在各道支撐（內(nèi)襯墻）完成及支撐拆除完成后最大變形及對(duì)應(yīng)深度參見表2（分六個(gè)工況：地下一層結(jié)構(gòu)完成，地下二層結(jié)構(gòu)完成，地下三層結(jié)構(gòu)完成，第五道支撐完成，地下四層結(jié)構(gòu)完成，拆撐完成）。

選取典型性監(jiān)測(cè)點(diǎn)繪制墻體測(cè)斜點(diǎn)在各工況節(jié)點(diǎn)下的累計(jì)變形曲線，見圖4。

從測(cè)點(diǎn)所處區(qū)域分析工作井地墻北側(cè)數(shù)據(jù)略小，東、西兩側(cè)墻體整體變形數(shù)值較接近；不同區(qū)域變形數(shù)據(jù)差異主要由于所處環(huán)境不同，北側(cè)墻體外為盾構(gòu)出洞區(qū)域，地基土采取了三軸攪拌樁加固措施，東、西兩側(cè)地基土為正常沉積土層，不同的地基土性質(zhì)引起的變形也不盡相同。

表2 墻體測(cè)斜最大變形及對(duì)應(yīng)深度表

圖4 墻體測(cè)斜工況節(jié)點(diǎn)累計(jì)變形（單位：mm）

在各工況節(jié)點(diǎn)下墻體的變形主要遵循以下特征：

（1）地下一層結(jié)構(gòu)施工期間，墻體位移在開挖面底下4m左右達(dá)到最大值，墻體曲線呈“鼓肚”狀向坑內(nèi)突出，整個(gè)地墻頂、底位移相對(duì)穩(wěn)定。

（2）地下二層結(jié)構(gòu)施工期間，墻體位移最大值處于開挖面底下6 m附近，圍護(hù)墻體與地下一層結(jié)構(gòu)疊合面無明顯位移，而地下一層結(jié)構(gòu)面以下，曲線明顯向坑內(nèi)突出；墻頂位移趨于穩(wěn)定，墻底小幅向坑內(nèi)移動(dòng)。

（3）地下三層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)疊合面相對(duì)穩(wěn)定；疊合面以下墻體位移逐步增大，在開挖面底下5 m達(dá)最大值后位移量再逐步減小，延伸至墻底向坑內(nèi)位移7 mm左右。

（4）第五道支撐施工期間墻體位移在三層結(jié)構(gòu)疊合墻部位位移相對(duì)較小，疊合部位以下墻體位移曲線呈明顯散開趨勢(shì)，在開挖面以下5 m左右達(dá)到最大值，位移達(dá)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(jié)構(gòu)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(duì)較小，疊合墻部位以下變形在上一工況累計(jì)變形基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，在坑底下5 m左右達(dá)最大值，隨著深度的增加相對(duì)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(nèi)小幅位移，在拆撐部位未呈現(xiàn)明顯移動(dòng)，主要由于地墻與內(nèi)襯墻疊合后整個(gè)圍護(hù)剛度大增，能抑制坑外土壓力。另外拆撐期間延續(xù)時(shí)間較長，下部土體擾動(dòng)后重新固結(jié)還未穩(wěn)定同時(shí)上部結(jié)構(gòu)在溫度大幅下降下呈現(xiàn)小幅收縮，在測(cè)點(diǎn)上特征表現(xiàn)出小幅向坑內(nèi)移動(dòng)。

墻體的位移主要由于坑內(nèi)土方開挖造成坑外土體失去平衡向坑內(nèi)位移所致，位移的大小取決于圍護(hù)體對(duì)周邊巖土的約束程度及施工的方式。本工程在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在未調(diào)整的前提下，合理調(diào)整了施工工序，墻體的變形特征與常規(guī)順做法的變形特征有了一定的改變，疊合墻的較早施工對(duì)坑外土體位移的發(fā)展產(chǎn)生了明顯的制約作用，整個(gè)工程施工期間墻體的變形均處于設(shè)計(jì)控制值范圍內(nèi)，好于預(yù)期。

3.2 支撐軸力

在基坑施工中鋼筋混凝土支撐作為臨時(shí)構(gòu)件設(shè)施，它與圍護(hù)體系的有機(jī)結(jié)合，將有效制約坑外荷載對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，支撐的安全性評(píng)估主要由支撐軸力的大小來衡量。監(jiān)測(cè)實(shí)施過程中采用不同的施工方法支撐軸力的發(fā)展規(guī)律與趨勢(shì)也不盡。統(tǒng)計(jì)本項(xiàng)目各軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同工況下的累計(jì)受力值見表3（共10個(gè)軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)：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(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果及日常測(cè)量數(shù)據(jù)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(xiàn)明顯受壓，第三層土方以下開挖支撐軸力整體呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，下部支撐拆除期間，支撐軸力仍呈小幅減小；支撐的受力特征與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(jié)構(gòu)收縮，支撐內(nèi)力發(fā)生了相應(yīng)的變化。

表3 不同工況下支撐軸力統(tǒng)計(jì)表

（2）第二道支撐軸力的受力趨勢(shì)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(xiàn)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(hù)結(jié)構(gòu)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(fā)生位移，造成支撐軸力有所增加，同時(shí)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(xù)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(jié)構(gòu)的底端，上部為逆作法施工疊合墻，下部僅為地墻，對(duì)土壓力的抑制作用明顯較低，進(jìn)而造成下部土方繼續(xù)開挖支撐軸力繼續(xù)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(shí)支護(hù)時(shí)間相對(duì)較短，在開挖至底板期間軸力達(dá)到最大值，隨著基坑底板及第四結(jié)構(gòu)的完成，軸力呈小幅減小。

從支撐軸力的絕對(duì)數(shù)值分析，第一道支撐及第五道支撐軸力離控制值范圍相對(duì)較近，第二至四道支撐離控制值范圍相對(duì)較遠(yuǎn)；上述特征的產(chǎn)生主要受地下結(jié)構(gòu)施工的影響，原設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)受力模式，局部區(qū)域內(nèi)襯墻與地墻的疊合大大增加了圍護(hù)體的剛度，制約了相當(dāng)一部分的土體位移，進(jìn)而改變了支撐桿件的受力大小。

4 結(jié)論

支護(hù)體系的受力及變形數(shù)值大小，是基坑安全性評(píng)價(jià)的重要衡量指標(biāo)，工作井施工工序的調(diào)整，使原結(jié)構(gòu)的受力模式發(fā)生了改變，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力的改變，也從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中直觀的表現(xiàn)了出來。通過對(duì)本文案例工程支護(hù)體的受力變形趨勢(shì)分析，可以看出結(jié)構(gòu)的剛度決定了力與變形數(shù)據(jù)的大小；工作井半逆作法施工中地墻與內(nèi)襯墻的提前疊合，增加了圍護(hù)體的剛度，同時(shí)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(fā)展。

總體來看工作井半逆作法施工的優(yōu)點(diǎn)是縮短了施工工期，減小了圍護(hù)體系的受力變形數(shù)值，使基坑施工過程中安全程度進(jìn)一步提高。但半逆作法施工也存在著一些潛在風(fēng)險(xiǎn)，疊合結(jié)構(gòu)雖有效抑制了部分位移及受力的發(fā)展，但坑外土壓力未經(jīng)過一定的變形釋放，附加給疊合墻的應(yīng)力也會(huì)更大，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠的情況下容易引起局部變形，進(jìn)而產(chǎn)生滲水、裂縫等次生災(zāi)害。為有效解決半逆作法施工存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，在監(jiān)測(cè)過程中還可加強(qiáng)疊合墻內(nèi)力、變形監(jiān)測(cè)，為盾構(gòu)工作井及類似結(jié)構(gòu)中推廣相關(guān)施工工藝、設(shè)計(jì)人員調(diào)整相應(yīng)參數(shù)提供更充分的依據(jù)。

[1]董林青.城市地下空間開發(fā)與利用研究[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2010, 22(20):286-287.

[2]孫家鑫.對(duì)基坑監(jiān)測(cè)工作關(guān)鍵環(huán)節(jié)的認(rèn)識(shí)[J].河南科技,2013(11X): 167.

[3]DG/TJ08-2001-2006,基坑工程施工監(jiān)測(cè)規(guī)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(shè)計(jì)工作。