人民南路地下人行通道工程盾構后背墻結構設計

王武 朱果

[摘? 要]：地下人行通道工程采用盾構頂管法施工，由于場地條件限制，需在地下室內設置后背墻作為盾構頂管的受力點，頂管千斤頂水平作用力高達40 000 kN，給后背墻的結構設計帶來極大挑戰。文章主要介紹了一種盾構后背墻結構設計，包括結構布置、基礎設計、連接節點專項設計等內容，為以后類似工程項目提參考。

[關鍵詞]：頂管施工; 盾構后背墻; 高水平作用力; 樁筏連接節點

U455.43A

1 工程概況

四川大學華西校區田徑運動場地下停車場新建人民南路地下人行通道工程采用矩形盾構頂管法施工，該施工法是世界首個在砂卵石地層進行矩形盾構頂掘的施工作業，盾構頂管施工所采用的支撐鋼組件往前挖掘以及推進的水平力高達40 000 kN。

由于場地條件限制，現場并無天然山體作為盾構頂管的后背支撐點，因此需要在地下室主體范圍內設計一個盾構后背墻來承擔盾構頂管千斤頂的巨大水平作用力，控制受力變形以保證頂管施工的正常進行（圖1）。

2 結構體系與選型

2.1 千斤頂水平荷載

通過千斤頂作用在后背墻上的水平力非常大，該頂管工程共布置10根油缸，每根油缸推力4 000 kN，總推力40 000 kN，具體布置如圖2所示。

2.2 上部結構受力體系

通過方案對比和結構試算，通過設置后澆帶將頂管后背墻結構與地下室主體結構完全脫開[3]，千斤頂的巨大水平作用力最終是由4片鋼筋混凝土墻來承擔[5]，并通過在鋼筋混凝土墻間設置連接板和連系梁來有效控制鋼筋混凝土墻的平面外翹曲變形，以保持整個后背墻結構在受力過程中是一個協調變形的整體（圖3）[4]。

鋼筋混凝土墻的優點是在平面內側向剛度大[1]，在水平荷載作用下側移小，能有效防止結構發生剪切破壞[8]。連續的鋼筋混凝土墻還能將千斤頂的巨大水平作用力均有效的傳遞給下部結構，避免了單節點水平力過大從而導致節點設計困難等問題[6]。

2.3 基礎設計

頂管后背墻所承擔的水平力以及由此產生的附加彎矩都需要通過基礎傳給地基[7]，結合地勘及場地條件，最終采用的基礎形式為樁筏基礎[2]，樁基為嵌巖樁基礎（圖4）。

3 計算分析及專項設計

3.1 上部結構

材料：混凝土-C30;鋼筋-HRB400。

荷載組合：1.0×自重+1.0×千斤頂作用力。

3.1.1 應力

最大壓應力：10.75 MPa;最大拉應力：8.5 MPa;最大剪切應力：7.05MPa如圖5所示。

3.1.2 變形

千斤頂作用方向最大位移：1.21 mm;垂直千斤頂作用方向最大位移：0.20 mm;

豎向最大位移：0.34 mm如圖6所示。

3.1.3 鋼骨混凝土

在頂管千斤頂直接作用的受力點、受力點偏位置以及最近端混凝土受拉區域節點設置型鋼骨，保證節點傳力的可靠性[9]（圖7）。

3.1.4 水平施工縫設置

作用在頂管后背墻的水平作用力非常大，傳統工藝的水平施工縫很難滿足相應的抗剪設計要求。改為契型水平施工縫如圖8所示。

3.1.4.1 契型水平施工縫

將傳統的直線型水平施工縫改為凹凸相間的契型水平施工縫，將傳統水平施工縫的純抗剪受力狀態變為契塊斜截面的受壓、受剪以及契塊根部的受剪受力狀態，通過調節契塊的根部長度和契塊的斜截面坡度，就能將水平施工縫的抗剪問題控制在安全合理的范圍內，極大程度的保證了上部結構與下部結構直接傳力的可靠性。

3.1.4.2 水平施工縫抗剪鋼筋的設置

通過附加插筋的方式，在契型水平施工縫截面上面設置附加豎向水平抗剪鋼筋，既能增強新舊混凝土之間咬合力，又能起到相應的抗剪作用，是水平力可靠傳遞的另一道保障。

3.2 基礎

3.2.1 筏板應力應變控制

頂管后背墻的巨大水平作用力通過上部結構直接作用在筏板上，容易引起筏板應力集中以及筏板的翹曲變形，需對筏板的受力情況做出相應的判斷和分析。

本工程筏板厚度設置為1 500 mm厚，采用25@125（HRB400）雙層雙向配筋。筏板正應力、剪應力除在樁頂附近有應力集中外，普遍均在合理可控范圍內;筏板變形亦在合理可控范圍內（圖9）。

3.2.2 樁基水平承載力驗算

頂管后背墻的巨大水平力及相應的附加彎矩最終都由樁筏基礎以及土體的側向剛度來承擔，通過樁基的拉壓以及土體的側向約束來平衡。因此需要對樁基進行水平承載力進行計算分析以及對樁頂位移的變形控制來滿足整個頂管后背墻的受力以及變形要求[2]。

本工程旋挖灌注樁直接D=1200 mm，樁身長度10 m，嵌巖深度3.6 m，樁縱向鋼筋為26根25（HRB400），根據地勘報告，通過計算，單樁的抗拔承載力特征值2 215 kN，抗壓承載力特征值2 244 kN，水平承載力特征值799 kN，樁底水平位移控制在3 mm以內。

3.2.3 樁筏連接節點

頂管后背墻的巨大水平力通過筏板均分分布后再傳給樁基礎，在此工程中，傳統的樁筏連接節點上結合施工質量問題極可能出現節點連接性破壞從而導致整個后背墻結構的失效。為保證傳力的可靠性，在樁筏連接節點上，我們經過水平抗剪以及豎向抗拔的承載力計算，通過設置型鋼鉚釘預埋件的方式來保證“強節點”的節點設計[9]（圖10）。

3.3 應力應變檢測控制點

為保證頂管過程中的順利進行，筆者還對關鍵點進行應力應變檢測，以隨時對頂管過程中后背的應變情況進行實時的跟蹤和分析，以保證頂管過程安全可靠的進行。整個后背墻工設置6個應力應變監測點，在整個頂管過程中，實時監測后背墻的應力和變形情況（圖11）。

4 結論

矩形盾構頂掘機吊裝下井，該臺矩形盾構機是世界首個用于砂卵石地層矩形盾構頂掘施工作業的高技術產品。因為場地條件限制，盾構頂管后座需要設置在地下室主體范圍內，且與地下室主體同時施工，這也是國內首例，完全打破以往頂管后背的常規做法。目前該工程已順利完工，為國內以后類似項目的設計和施工提供了一個具有指導性的成功案例，希望能為以后類似工程項目提供借鑒和參考。

參考文獻

[1] [英] 季天健 Adrian Bell. 感知結構概念[M]. 北京： 高等教育出版社， 2009.

[2] 建筑樁基技術規范：JGJ 94-2008[S]. 北京：中國建筑工業出版社， 2008.

[3] [美] 鐵木辛柯. 結構理論[M]. 北京：機械工業出版社， 2005.

[4] 中國建筑科學研究院. 混凝土結構設計[M]. 北京：中國建筑工業出版社， 2003.

[5] 林同炎. 結構概念和體系（第二版）[M].北京：中國建筑工業出版社， 1999.

[6] [德]海諾.恩格爾. 結構體系與建筑造型[M]. 天津：天津大學出版社，2002.

[7] 建筑地基基礎設計規范： GB50007-2011[S].北京：中國建筑工業出版社， 2011.

[8] 混凝土結構設計規范： GB50010-2010（2015年版）[S].北京：中國建筑工業出版社， 2015.

[9] 組合結構設計規范： JGJ 138-2016[S].北京：中國建筑工業出版社， 2016.