長大過站井側壁服役關鍵階段內力分析

王印昌 張嘉威

上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司 200125

引言

城市中較多采用盾構法施工隧道，以應對不良地質條件和減少環境影響，確保安全與環保。工作井是盾構法隧道的重要組成部分，目的是為了滿足盾構的拼裝、拆解或掉頭，一般包括始發井和接收井，具有平面規模大、深度深等工程特點。有時超長地下通道為了滿足交通集散、應急救援或通風消防等特殊需求，尚需要在隧道中間設置過站井，并同步建設匝道。在施工過程中，該井為盾構快速通過創造條件。

深大工作井的井壁通常采用疊合墻結構，即施工開挖階段的地下連續墻作為圍護結構承受水土壓力，使用階段地下連續墻和二次襯墻有效結合成整體共同受力，以期減少占地和節約造價。

目前國內對盾構隧道工作井的研究多局限于端頭始發井［1，2］及施工方法［3，4］的探討，鮮有對過站井的分析，尚無針對長條形側壁結構過站井的研究。本文依托上海市北橫通道工程楊樹浦港井實際工程，計算、分析這種長大特殊井側壁服役關鍵階段的內力特點及其特殊性。

1 工程概況

上海北橫通道西接中環（北虹路），向東沿長寧路-光復西路-蘇州河-余姚路-新會路-天目西路-天目中路-海寧路-周家嘴路至內江路，全長19.1km，設計為雙層雙向六車道，采用盾構法施工，隧道外徑為15m，如圖1所示。

圖1 北橫通道斷面（單位：m）Fig.1 Beiheng tunnel section（unit：m）

北橫通道全線共設8個工作井，其中楊樹浦港井位于周家嘴路上楊樹浦港和黃興路之間，并設置了一對上下疊層匝道。工作井采用現澆鋼筋混凝土結構，平面內凈尺寸為70m×（20～30）m（長×寬），基坑深30.3m～31.6m，圍護結構采用1.2m厚地下連續墻，如圖2所示。井內設置頂板、下一～四層板以及底板，厚度依次為1.1m、0.8m、0.6m、0.8m、0.8m、2.0m，中框架以上內襯厚0.8m，中框架以下內襯厚1.2m，中框架梁尺寸為1.3m×3.5m。在隧道“分流島”三角區域布置立柱，各層板在柱位處“T”型布設縱橫梁。本井側壁縱向凈跨70m，為增加其抗側剛度，在建筑利用多余空間預設壁柱，柱距約7m，截面尺寸為2.0m×2.5m，布設高度為下一層板至底板。

2 全過程關鍵階段分析

周順華等［5］通過盾構工作井圍護結構在施工全過程的內力測試分析后認為，內襯墻施工階段對連續墻的內力影響不大。盾構進出洞的開洞工作是在內襯墻達到強度后進行的，所以開洞施工及盾構的進出洞對圍護結構的內力影響甚小。

李雄飛［2］通過對超大盾構工作井半逆作法施工受力變形特征分析，認為地下連續墻與內襯墻的提前疊合，增加了圍護體的剛度，有效抑制了力與變形的發展。

本文過站井采用順作法施工，基坑自上而下設置六道鋼筋混凝土支撐，如圖3所示。過站井從基坑開挖、內部部分墻板回筑、剩余墻板繼續澆筑到覆土、機電安裝、建筑裝修、實現通車的全過程來看，盾構過井是過站井側壁疊合墻控制性受力的關鍵階段。此時，基坑開挖完成，底板、內襯和下一層板等主要構件澆筑完畢，形成大跨度空間受力體系，內襯墻和地連墻有效疊合完成，樓板下第三～六道鋼筋混凝土支撐拆除，為盾構過井創造空間，僅保留樓板上第一、二道鋼筋混凝土支撐。

圖2 工作井布置（單位：m）Fig.2 Layout of working shaft（unit：m）

圖3 盾構過井橫斷面（單位：m）Fig.3 Cross section of shield transit（unit：m）

3 空間計算分析

3.1 模型建立

過站井總長74.8m，總寬24.8m～34.8m，地下空間體量大、埋深大，采用Robot Structural Analysis Professional 2015軟件建立工作井三維模型，如圖4所示。

圖4 工作井三維模型Fig.4 3D model of working shaft

三維模型構件跨度自構件中線處計算，墻、板采用殼單元模擬，支撐、壁柱等采用梁單元模擬。底板與地下連續墻底部分別設置彈簧約束，由于底板位于⑤3-1粉質黏土層中，地下連續墻底位于⑧2粉質黏土與粉砂互層中，依據《基坑工程技術標準》［6］，底板基床系數取10000kN/m3，地下連續墻底基床系數取100000kN/m3。水平地層壓力按水土分算，采用朗肯土壓力公式計算［7］，結構分析采用荷載結構模式。

針對前述關鍵階段的特殊工況進行模擬計算：圍護結構施工完畢，底板、中框架以下內襯、下一層板、壁柱等構件回筑完成，保留第一、二道鋼筋混凝土支撐，割除第三～六道支撐，洞口封閉盾構尚未過井，下一層板考慮預留相關孔洞，井內降水。

3.2 計算模式

側壁結構包括井壁（內襯+地下連續墻）和壁柱等構件，其中井壁位置有內側和外側之分（背土面為內側，迎土面為外側），方向亦有豎向和水平之分，不同位置、不同方向的內力分布更為不同。地下連續墻和內襯是采用不同工藝施做的墻體，圍護墻由于墻幅豎縫的存在，墻幅之間不能傳遞拉力，而內襯墻是后期整體現澆的，質量可控、整板性好，因此疊合墻是豎向和水平向剛度不同的各向異性板。圍護墻屬于隱蔽性工程，從工程實踐效果來看，由于施工場地地質條件復雜，施工工藝要求不易滿足，墻體混凝土密實度難以保證，墻縫易出現夾泥、漏水等現象，墻幅之間易出現錯位，難以嚴密嚙合，無法保證地墻能夠有效傳遞壓力。同時，本工程井壁設置壁柱后，在考察其水平向內力分布規律時，井壁中間區域呈現出微觀拉壓交替分布的特征，墻體受壓區變形難以協調。為解決剛度差異性的模擬問題，以期為設置壁柱的大跨度工作井結構設計提供具體的內力數值，計算模式取豎向式和水平式兩種三維模型。豎向式三維模型井壁考慮兩墻合一，井壁模型厚度取2.4m；水平式三維模型考慮彎矩由內襯承受，井壁模型厚度取1.2m。

3.3 計算結果

工作井北面側壁結構豎向凈跨18.7m、水平凈跨70m，長短凈跨比約3.7∶1，具有特殊性和典型性。選取該面側壁為考察對象，其結構內力計算結果如圖5、圖6所示。

圖5 北面側壁豎向內力結果Fig.5 Vertical internal force results of north lateral wall

圖6 北面側壁水平內力結果Fig.6 Horizontal internal force results of north lateral wall

如圖5a、圖5b所示，板中心區域豎向彎矩圖顯示出標準的帶上下支座（下一層板和底板）的單向受力板特征，但接近兩側支座區域，跨中正彎矩逐漸減小，至左右支座附近轉化為負彎矩，角隅現象明顯（此處角隅彎矩約為跨中的1/2）。圖5c中，由于設置了壁柱，壁柱有效地分擔了板面荷載，減少了壁板內力，如居中的第5根壁柱彎矩為21580.11kN·m，相應區域壁板彎矩2772.22 kN·m，比值高達7.8。

圖6a顯示水平角隅彎矩遠大于豎向角隅彎矩，這說明對于長邊和短邊之比大于3的壁板，由于短邊側受到側板約束的影響，不能簡單地將其按單向板進行簡化，需考慮采用空間計算才能反映出結構真實受力情況。從圖6b展示的水平中間板帶內力圖來看，水平跨徑對水平角隅彎矩的影響很大。同時，也顯示出和豎向式計算模型相同的特征，即端墻水平約束剛度不同造成的支座負彎矩差異，而板中心區域卻更能體現出豎向單向板的受力特性。圖6c顯示對于此類長條形壁板，設置壁柱對改善水平式受力的意義更加明顯。此時，居中的第5根壁柱彎矩為23804.99kN·m，相應區域壁板彎矩828.11kN·m，比值高達28.7。

4 結論

本文基于設計實踐，分析了長大過站井側壁服役全過程中的控制性關鍵階段。基于三維空間模型模擬了工作井側壁結構受力狀態，并分析總結了長條形側壁特殊的內力特征，希望研究的結論對同行有一定啟發和借鑒作用。研究的結論主要有：

1.盾構過井是過站井的側壁疊合墻控制性受力關鍵階段。

2.對于工作井中具有長條形側壁這樣的四邊支承板，即便長邊和短邊之比大于3時，亦不能簡單地按沿短邊方向受力的單向板簡化計算，應采用空間計算模型才合理安全。

3.長大工作井的空間效應明顯，水平角隅彎矩較大且受長邊跨徑影響顯著。

4.長條形側壁設置壁柱能夠有效改善側壁的抗彎能力。