盾構工作井基坑圍護與主體結構一體化設計

摘 要：深圳市龍瀾大道某市政配套管廊工程中，盾構工作井的基坑圍護與主體結構采用一體化設計。盾構工作井的基坑圍護采用地下連續墻+內支撐形式，內支撐為三道鋼筋混凝土支撐+三道鋼支撐。其中，第三、四道鋼筋混凝土圍檁、支撐與盾構工作井的主體結構框架永臨結合。在盾構始發施工階段，地下連續墻、盾構工作井的底板、內襯墻、上下層中框架及頂框架形成了整體受力體系。這一設計不僅提高了盾構工作井在盾構始發施工階段的結構整體抗浮能力、安全穩定性，而且減少了拆除環節、縮短了工期、節省了造價。盾構工作井按施工工序采取三階段設計，分別為基坑開挖及回筑底板、內襯墻階段；盾構始發階段及盾構使用階段。

關鍵詞：盾構工作井；一體化設計；施工工序；三階段設計

中圖分類號：TU473.2 文獻標識碼：A 文章編號：2096-6903（2024）09-0005-04

收稿日期：2024-04-03

作者簡介：章萍（1977—），女，浙江寧波人，碩士研究生，高級工程師，從事市政結構設計。

1 工程概況

本項目為深圳市龍瀾大道某市政配套管廊工程，施工工藝包括明挖法和盾構法，總長度約為2.16 km，其中，盾構段長度約為1.12 km，按盾構始發及管廊工藝要求，始發井平面尺寸為64.0 m×13.7 m。結合現場地形條件，周邊建設條件，取整平地面標高為51.50 m，基坑開挖深度為24.85 m，最終完成的道路設計標高為48.30～49.91 m。圖1為盾構始發井剖面圖。

根據勘察資料，從上至下巖土層依次為：①1素填土、⑧1粉質黏土、?1全風化變質砂巖、?2-1土狀強風化變質砂巖、?2-2塊狀強風化變質砂巖，結構底板持力層為?2-1土狀強風化變質砂巖。

盾構始發井基坑支護形式為1.0 m厚地下連續墻+內支撐（三道鋼筋混凝土支撐+三道鋼支撐），結構形式為地下4層鋼筋混凝土結構。主體結構混凝土強度等級為C40，抗滲等級為P12；第一道鋼筋混凝土圍檁及支撐的混凝土強度等級取C35，第三、四道鋼筋混凝土圍檁、支撐與主體結構框架永臨結合[1]，混凝土強度等級取C40，抗滲等級取P12；頂板以上臨時內襯墻混凝土強度等級取C35[2，3]。

結構抗震設防烈度為7度，抗震等級為三級。結構安全等級為一級，結構設計使用年限為100年。

2 施工工序設計

基坑圍護采用地下連續墻+內支撐型式，內支撐為三道鋼筋混凝土支撐+三道鋼支撐，其中：第一道鋼筋混凝土圍檁及支撐構成頂框架，第三、四道鋼筋混凝土圍檁及支撐分別構成上、下層中框架。施工工序分6步，盾構始發井施工工序圖如圖2所示。

2.1 第一步

平整場地、施工地下連續墻。掏槽開挖至第一道鋼筋混凝土圍檁及支撐底，澆筑第一道鋼筋混凝土圍檁、支撐及擋墻，在圍檁中預留內襯墻澆搗孔，并預留內襯墻的鋼筋接駁器。

2.2 第二步

依次開挖到各道圍檁及支撐底并施作各道圍檁及支撐，并在第三、四道鋼筋混凝土圍檁中預留內襯墻澆搗孔，預留內襯墻、中板的鋼筋接駁器，在支撐中預留中板、中隔墻的鋼筋接駁器。開挖土體至基坑底。

2.3 第三步

施工墊層及底板，并設置泄水孔，預留內隔墻插筋，施工內襯墻至第六道鋼圍檁及支撐下方1.2 m，待底板及內襯墻達到設計強度，依次拆除第六、五道鋼圍檁及鋼支撐。

2.4 第四步

澆筑內襯墻至第二道鋼圍檁及支撐下方1.2 m，澆筑上下層中板（扣除吊裝口及出渣口）。待達到設計強度后，拆除第二道鋼圍檁及支撐，澆筑內襯墻至第一道鋼筋混凝土圍檁。待達到設計強度后封閉泄水孔，盾構始發。

2.5 第五步

盾構始發完成后，澆筑底板處素混凝土、工作井其余結構（頂板、地下一層板、上下層中框架處剩余中板、中隔墻、出頂板結構、樓梯等）。待頂板達到設計強度后，鑿除第一道鋼筋混凝土圍檁及支撐、鑿除地下連續墻及內襯墻至頂板標高，施工防水層。

2.6 第六步

整平至道路設計標高。

3 三階段設計原則

3.1 基坑開挖及回筑底板、內襯墻階段

盾構始發井基坑圍護結構計算，地面超載按30 kPa計，圍檁和支撐上活載按4 kPa計。根據《建筑基坑工程技術規程》（廣東省）（DBJ/T 15-20—2016）及《基坑支護技術標準》（深圳市）（SJG 05—2020）的規定，本基坑支護結構安全等級為一級。基坑穩定性控制標準按表1執行。地下連續墻+內支撐支護結構頂部最大水平位移控制值取0.002 h與30 mm的較小值（h為基坑開挖深度）。

3.2 盾構始發階段

工作井內襯墻澆筑完畢，鋼圍檁及支撐拆除，盾構范圍內地下連續墻鑿除，待結構達到強度后封閉泄水孔。地下連續墻、盾構工作井的底板、內襯墻、上下層中框架及頂框架形成了整體受力體系。結構內力計算時，水土壓力采用水土合算，側壓力系數取綜合側壓力系數0.7，地面超載取30 kPa。

3.3 盾構正常使用階段

工作井其余結構（頂板、地下三層板、上下層中框架處剩余中板及中隔墻、出頂板結構、樓梯等）澆筑完成，頂板以上第一道鋼筋混凝土圍檁及支撐、地下連續墻及內襯墻鑿除，地下連續墻及頂框架退出整體受力體系。結構內力計算時，各層板需考慮設備、裝修荷載及活載，水土壓力采用水土分算，地面超載取20 kPa。

4 結構設計分析

盾構工作井基坑圍護與主體結構采用一體化設計。在盾構始發施工階段，第三、四道鋼筋混凝土圍檁及支撐與主體結構框架永臨結合。頂圈梁與地下連續墻、內襯墻整澆。第三、四道鋼筋混凝土圍檁與地下連續墻通過插筋連接。此階段，地下連續墻、盾構工作井的底板、內襯墻、上下層中框架及頂框架形成了整體受力體系，主體結構與地下連續墻共同抗浮。在盾構使用階段，將結構頂板以上內襯墻、第一道鋼筋混凝土圍檁及支撐鑿除，使主體結構與地下連續墻整體抗浮受力體系解除。結構設計分析包括抗浮驗算、計算分析。

4.1 抗浮驗算

本工程抗浮設計等級為甲級，包括盾構始發階和盾構使用階段兩部分。盾構始發階段抗浮安全系數不小于1.05；盾構使用階段抗浮安全系數不小于1.10[4]。 各階段抗浮力分項見表2。

盾構始發階段，地下連續墻、盾構工作井的底板、內襯墻、上下層中框架及頂框架形成了整體受力體系，主體結構與地下連續墻共同抗浮。抗浮驗算可考慮地下連續墻浮重及其摩阻力作用。此階段，抗浮力分項包括底板、地下二至三層板，第一、三、四道鋼筋混凝土圍檁及支撐，底板至第一道鋼筋混凝土圍檁底內襯墻，地下連續墻的浮重及摩阻力。浮力計算至整平地面標高。經計算，抗浮安全系數為1.35＞1.05，滿足規范要求，若不考慮地下連續墻，抗浮安全系數僅為0.70。因此，基坑圍護與主體結構一體化設計，大大提高了結構整體抗浮能力，結構無需另設抗拔樁抗浮，縮短了工期、節省了造價。

盾構使用階段，將結構頂板以上內襯墻、第一道鋼筋混凝土圍檁及支撐鑿除，使主體結構與地下連續墻整體抗浮受力體系解除。因此，抗浮驗算不考慮地下連續墻浮重及其摩阻力STkXjoxrU2bKp3M42mi4WQ==作用。此階段，抗浮力分項包括底板、地下一至三層板、頂板，第三、四道鋼筋混凝土圍檁及支撐，底板至頂板底內襯墻，底板至頂板底中隔墻，出頂板結構，底板上素混凝土，頂板上覆土。浮力計算至道路設計標高。經計算，抗浮系數為1.13＞1.10，滿足規范要求。

4.2 計算分析

根據《建筑結構可靠性設計統一標準》（GB 50068—2018），恒載分項系數γG=1.3，活載分項系數γQ=1.5，重要性系數γ0=1.1，活載調整系數γL為1.1。盾構工作井的構件設計以裂縫控制為主，因此先對構件按裂縫控制要求進行厚度及配筋設計，再對構件進行強度復核。盾構始發階段，圍檁及支撐構件裂縫按0.3 mm控制，底板、頂板以下內襯墻裂縫按0.2 mm控制，內部板、頂板上方臨時內襯墻裂縫按0.3 mm控制。盾構使用階段，頂、底板及內襯墻裂縫按0.2 mm控制，內部板、中隔墻裂縫按0.3 mm控制。

結構荷載包括結構自重①、側壓力②、裝修荷載③、活載④、地面超載⑤9ZvGU+or94fHhmZxphvesQ==、地面超載引起的側壓力及⑥、水浮力⑦。荷載組合包括正常使用極限狀態組合[①+②+③+④+⑤+⑥+⑦]和承載力極限狀態組合[（①+②+③+⑦）×1.3×1.1+（④+⑤+⑥）× 1.5×1.1×1.1]。正常使用極限狀態組合，用于對構件按裂縫控制要求進行厚度及配筋設計，承載力極限狀態組合用于對構件進行強度復核。

計算分析包括包盾構始發階段和使用階段兩部分。第三、四道鋼筋混凝土圍檁、支撐與盾構工作井的主體結構框架永臨結合，需另進行基坑開挖階段的分析計算。

盾構始發階段和使用階段采用MIDAS GEN 2022計算軟件，墻、板采用僅受壓彈性板單元模擬，框架采用梁單元模擬，底板持力層為土狀或塊狀強風化變質砂巖，模擬K為40 000 kN/m2僅受壓的彈性地基板；基坑圍護與結構側墻間回填壓實，側墻模擬K為10 000 kN/m2僅受壓的彈性地基板；并將始發階段地下連續墻的作用模擬為周圈Z向固定約束。基坑開挖計算采用同濟啟明星frws9.0及BSC5.0計算軟件。盾構始發井始發階段構件詳見表3，使用階段構件詳見表4。

構件計算取正常使用極限狀態內力，按裂縫控制進行構件厚度及配筋設計，再對承載力極限狀態內力計算結果進行強度復核。盾構始發階段構件內力包括底板、內襯墻、上下層中框架樓板（扣除吊裝口及出渣）、上下層中框架及頂框架圍檁及支撐；使用階段構件內力包括包括底板、內襯墻、3層中板、地下一層至二層圍檁及支撐；此外，上、下層中框架還需滿足基坑開挖階段的強度和裂縫控制要求。計算分析結果表明，本工程中上、下層中框架圍檁及支撐的作用主要體現在基坑開挖階段，盾構始發階段，地下連續墻、盾構工作井的底板、內襯墻、上下層中框架及頂框架形成了整體受力體系，上、下層中框架圍檁及支撐的受力遠小于基坑開挖階段；盾構使用階段，主體結構施工完畢，各層中板均已澆筑，樓板平面內接近無限剛性，此階段更不是上、下層中框架圍檁及支撐的受力控制狀態。

5 結束語

在盾構始發施工階段，第一道鋼筋混凝土圍檁與地下連續墻、內襯墻整澆，第三、四道鋼筋混凝土圍檁及支撐與主體結構框架永臨結合，共同抗浮。這一設計思想大大提高了此階段結構整體抗浮能力，結構無需另設抗拔樁抗浮，縮短了工期、節省了造價。

在盾構始發施工階段，將基坑圍護和主體結構進行一體化設計。這一設計思想不僅加強了工作井在盾構始發施工階段的安全穩定性，而且減少了拆除環節，縮短了工期。此外，鋼筋混凝土圍檁及支撐兼做永久結構的框架也節省了材料造價。

將鋼筋混凝土圍檁及支撐與主體結構框架永臨結合，需在圍檁中預留內襯墻、中板等構件的鋼筋接駁器，在支撐中預留中板、中隔墻等構件的鋼筋接駁器，增加了鋼筋接駁器的數量，施工時需仔細核對，避免遺漏。

鋼筋混凝土圍檁及支撐與主體結構框架永臨結合，破壞了主體結構的防水整體性，在圍檁的上下方形成了水平施工縫。設計考慮在圍檁插筋處設遇水膨脹止水膠，在水平施工縫處涂刷水泥基滲透結晶型防水涂料、設遇水膨脹止水膠及止水鋼板、預埋注漿導管，并在水平施工縫外側設防水加強層。

深圳市龍瀾大道某市政配套管廊工程中，將基坑圍護和主體結構進行一體化設計，已在實際的施工中得到了驗證，取得了較好的經濟和使用效益，希望本文提供的設計分析方法，對今后類似的工程設計有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 方衛，張恒.超大直徑盾構法隧道工作井結構設計及實踐[J].隧道與軌道交通，2020（1）：22-27.

[2] GB/T 50476-2019.混凝土結構耐久性設計標準[S].

[3] SJG 19-2019.深圳市建設工程防水技術標準[S].

[4] JGJ 476-2019.建筑工程抗浮技術標準[S].