提 要：本文詳細地介紹了上海外環沉管隧道浦西風井超深基坑圍護結構的設計，這對于進行開挖深度大于25m的超深基坑設計將提供重要的參考。
關鍵詞：沉管隧道 超深基坑 風井支撐 鋼格構柱 鋼筋連接器
Abstract: This paper presents in detail the design of strutting & bracing structure for Puxi Ventilation shaft hyper-deep foundation pit at Taihe Road Cross river immersed tube tunnel, Outer Ring Roadway , to provide important reference to similar design of deeper than 25m foundation pit excavation.
Keywords: immersed tube tunnel, hyper?deep foundation pit, ventilation shaft, support/stay, steel grid column, rebar coupler.
1 引言
上海外環線泰和路越江隧道浦西風井是外環線沉管隧道的通風井，位于浦西岸邊段PX26和PX25之間，浦西風井與沉放的第一節管段E1之間是PX27和PX26。浦西風井分地下建筑與地面建筑兩部分，地下部分主要是雙向8車道隧道、電纜層、變電所和下一層，地上部分主要是混凝土結構風塔（高30.92m）。
浦西風井基坑最深處深近26m，基坑沿隧道軸線長36m（隧道中心線處弧線長），寬44.2m（直線長），圍護結構平面圖、剖面圖詳見圖1與圖2。目前，上海市超過25m深的基坑很少（金茂大廈基坑深約20m），上海市“基坑工程設計規程”按基坑工程的重要性規定基坑開挖深度大于、等于10m即屬一級基坑，浦西風井基坑的設計屬于超深基坑的設計。
圖1 浦西風井圍護結構平面圖
2 圍護結構設計中采用的三項新技術
在浦西風井基坑設計中，使用了建設部1998年頒布的建筑業10項新技術中的三項新技術，這三項新技術是：
（1） 基坑工程的信息施工技術。在設計中考慮了時空效應的影響，制定了信息化施工的具體內容，如支撐到位時間、開挖工序及警報值等。信息施工技術是浦西風井基坑成敗的關鍵，在回做過程中，亦嚴格規定了鋼支撐的拆除時間及拆除順序。
（2） 鋼-混凝土組合結構技術。由于基坑跨度很大（42.2m），在基坑開挖時，采用不同規格的鋼格構柱作為支撐的豎向支撐；在制作內部結構時，一部分鋼格構柱外包混凝土作為內部結構的承重柱，這種結構強度大剛性好，并具有很好的抗震性、耐火性和耐腐蝕性等，還有些鋼格構柱被拆除。這樣一來，浦西風井的鋼格構柱分成拆除和保留兩種，保留鋼格構柱就是采用了鋼-混凝土組合結構技術。
（3） 粗直徑鋼筋連接技術。采用了數以萬計的粗直徑（d=32，28和25mm）鋼筋連接器，給地下墻的設計增加了難度，因為風井中有六層樓板要留接駁器，另外，由于風井位于PX26和PX25之間，還要留好交接處的的鋼筋連接器。
圖2 浦西風井圍護結構剖面圖
3 浦西風井圍護結構設計
浦西風井圍護結構為地下連續墻?鋼筋混凝土圍檁支撐?鋼管支撐?鋼格構柱的混合圍護體系，鋼筋混凝土支撐采用與主體地下結構梁相結合的圍護體系。地下連續墻作為內部結構外墻的一部分，在其內側設置鋼筋混凝土內襯（俗稱復合墻），內部結構主次梁作為圍護結構的內支撐，共設三道鋼筋混凝土支撐（第一，二，四道）和三道鋼支撐（第三，五，六道）。
由于混凝土支撐為風井結構的一部分，在制作內部結構時不拆除水平砼支撐，八字撐需拆除，在此基礎上制作樓板、內襯；當隧道底板達到設計強度后，拆除第六道鋼支撐；隧道頂板和電纜層底板達到設計強度后，拆除第五道鋼支撐；當電纜層樓板、下一層樓板達到設計強度后，拆除第三道鋼支撐；混凝土圍檁不拆除。在圍檁、支撐上均應留出施工縫，在不同的位置預留鋼筋連接器、預留內襯鋼筋。施工過程中，對每道鋼支撐施加預應力的具體要求為：第三、五、六道支撐分別施加對應最大計算軸力的50%，60%，70%。采用這種支撐體系的圍護結構，設計上要求詳細、精確和周到以確保圍護結構變形不能過大。
對浦西風井圍護結構進行了詳細的計算和驗算，其內容如下：
(1) 基坑底部土體抗隆起穩定性和抗滲流穩定性驗算；
(2) 圍護墻結構的抗傾覆穩定性驗算；
(3) 圍護墻結構和地基的整體抗滑動穩定性驗算；
(4) 基坑外地表變形和土體移動的驗算；
(5) 圍護墻結構內力和變形的計算；
(6) 鋼格構柱的內力和變形的計算；
(7) 圍護結構的構件截面強度的計算和節點構造處理；
(8) 與主體地下結構相結合的圍護體系按內部結構設計遵循的規范進行長期荷載作用下的結構內力和變形的計算。
4 涉及的有限元計算
4.1 先位移后支撐的內力包絡和疊加方法
使用我院YAOA程序對地下連續墻進行了詳細的計算，采用的計算模式為先位移后支撐的計算模式,在計算中需預加位移。由于使用了復合墻，在包絡和疊加時考慮了施工工序對內力的影響，在設計時運用了時空效應理論。當內外墻結合面能夠承受剪力時，使用階段的墻體厚度取復合墻厚之和；否則使用階段的墻體內力按內外墻的剛度分配。格構柱截面承載力按偏心受壓構件計算。
圖3，4為地下連續墻計算各工況的彎矩包絡和疊加圖。
圖3 順筑工況彎矩包絡圖
圖4 回筑工況彎矩疊加圖
4.2 浦西風井抗浮計算
由于浦西風井不能滿足抗浮要求，打了很多鉆孔灌注樁作為抗拔樁。由于新的上海地基基礎規范中收集的抗拔樁試樁資料并不多，因此沒有現成的經驗可以借鑒，對如此深的基坑的抗浮問題需進行詳細的計算。在圍護結構設計的同時，必須進行抗拔樁的設計，因為施工時要將鋼格構架與鉆孔灌注樁鋼筋籠焊接后整體吊入孔內。
根據地鐵工程抗浮設計的經驗、手工計算和三維有限元計算結果，確定了整個結構的抗拔力。在三維有限元計算中，使用了使用工況和水反力工況對浦西風井的內部結構進行了計算，不僅確定了內部結構的內力，還確定了抗拔樁的內力。圖5為三維計算網格圖，圖6，圖7和圖8分別為內力圖。
圖5 浦西風井三維計算網格圖
圖6 水反力工況頂板梁彎矩圖
圖7 水反力工況下一層樓板梁彎矩圖
圖8 水反力工況電纜層梁彎矩圖
4.3 內部結構計算
因為采用了與主體地下結構相結合的圍護體系，所以在圍護結構設計的同時必須進行內部結構的設計。除了變電所樓板采用無梁樓蓋外，其余各層樓板均采用梁板體系結構，所有樓板均使用有限單元法進行計算，分三維全空間計算和二維薄板計算。結合這些計算結果對內部結構部分預留了相應的鋼筋連接器或鋼筋，以確保內部結構施工時準確連接。
雖然風井段并不長，但連續墻與連續墻之間的接頭方式就有兩種，它們是接頭樁和鋼板接頭。接頭樁內亦需要預留鋼筋連接器，接頭樁需預制。連續墻有6m幅和4m幅兩種，由于隧道坡度為方便用4%，所以連接器不是在一個水平面上的，而且是弧線，這些均給設計增加了難度。
5 詳細的工程措施
5.1 地下連續墻
浦西風井段地下墻厚度為1m，長度為41.6m，寬度為6m、4m（隧道中心線處弧長），單幅地下墻寬度未考慮施工誤差，施工單位可靈活掌握。
5.2 鋼筋混凝土支撐
由于鋼筋混凝土支撐既是內部結構的梁，施工階段又兼作支撐使用，故計算時按施工階段和使用階段進行計算，取其內力包絡圖進行配筋。
5.3 鋼支撐
鋼支撐采用?609鋼管(δ=16mm)，其中第五道鋼支撐采用兩根?609鋼管，其余采用一根。
5.4 鋼筋混凝土圍檁
根據施工階段支撐承受的最大反力來確定圍檁的內力，圍檁內預留連接樓板的鋼筋連接器，圍檁在使用階段不拆除。
5.5 鋼格構柱和鉆孔灌注樁
格構柱插入鉆孔樁2.5m，施工時將鋼格構架與鋼筋籠焊接后整體吊入孔內。
5.6 各層樓板
根據施工階段順、回筑工況及使用階段的荷載大小和跨度情況，確定各層樓板的厚度及內力配筋，并將鋼筋或鋼筋連接器預留在圍護體系中。5.7 鋼筋連接器 5.8 變形縫 浦西風井與PX26和PX25相接處各設一條變形縫。 5.9 其他 根據風井設計需要，地下墻在各層樓板位置處必須預留相應的鋼筋連接器。制作風井內襯時，要求將與之接觸的地下墻表面鑿毛，清洗干凈。制作混凝土圍檁時，要求將與之接觸的地下墻保護層鑿除。混凝土強度等級C30（水下澆筑），抗滲等級0.8MPa。 6 結語 本文詳細地介紹了上海外環沉管隧道浦西風井超深基坑圍護結構的設計采用的新技術、浦西風井圍護結構設計、涉及的有限元計算和相應的工程措施，這對于進行超深基坑的設計將提供重要的參考。 參考文獻 ［1］ 李慶來. 人工神經網絡與概率方法在深基開挖信息施工中的應用. 土木工程學報, 2001(2):96-100 ［2］ 申偉強，李慶來，喬宗昭. 上海國際會議中心地下車庫興建對環境影響分析(一、二), 1999 ［3］ 龔杰，倪勤，朱桔妹，李慶來. 大型通用有限元程序Algor FEAS的后處理系統用戶手冊,2000 ［4］ 王秀志. 大型有限元程序Algor FEAS后處理系統用戶報告,2000 ［5］ 上海市建設和管理委員會. 大型有限元程序Algor FEAS后處理系統鑒定報告,2000,10 ［6］ 李慶來，申偉強，楊志豪等. 大型有限元程序Algor FEAS后處理系統技術報告,2000,10 新聞來源：《城市交通隧道工程最新技術》 |
| (李慶來) |