提 要：本文詳細地介紹了上海外環(huán)沉管隧道浦西風井超深基坑圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計，這對于進行開挖深度大于25m的超深基坑設(shè)計將提供重要的參考。
關(guān)鍵詞：沉管隧道 超深基坑 風井支撐 鋼格構(gòu)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(huán)線泰和路越江隧道浦西風井是外環(huán)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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計規(guī)程”按基坑工程的重要性規(guī)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(shè)計屬于超深基坑的設(shè)計。
圖1 浦西風井圍護結(jié)構(gòu)平面圖
2 圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用的三項新技術(shù)
在浦西風井基坑設(shè)計中，使用了建設(shè)部1998年頒布的建筑業(yè)10項新技術(shù)中的三項新技術(shù)，這三項新技術(shù)是：
（1） 基坑工程的信息施工技術(shù)。在設(shè)計中考慮了時空效應(yīng)的影響，制定了信息化施工的具體內(nèi)容，如支撐到位時間、開挖工序及警報值等。信息施工技術(shù)是浦西風井基坑成敗的關(guān)鍵，在回做過程中，亦嚴格規(guī)定了鋼支撐的拆除時間及拆除順序。
（2） 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)。由于基坑跨度很大（42.2m），在基坑開挖時，采用不同規(guī)格的鋼格構(gòu)柱作為支撐的豎向支撐；在制作內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，一部分鋼格構(gòu)柱外包混凝土作為內(nèi)部結(jié)構(gòu)的承重柱，這種結(jié)構(gòu)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(gòu)柱被拆除。這樣一來，浦西風井的鋼格構(gòu)柱分成拆除和保留兩種，保留鋼格構(gòu)柱就是采用了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)。
（3） 粗直徑鋼筋連接技術(shù)。采用了數(shù)以萬計的粗直徑（d=32，28和25mm）鋼筋連接器，給地下墻的設(shè)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(jié)構(gòu)剖面圖
3 浦西風井圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計
浦西風井圍護結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻?鋼筋混凝土圍檁支撐?鋼管支撐?鋼格構(gòu)柱的混合圍護體系，鋼筋混凝土支撐采用與主體地下結(jié)構(gòu)梁相結(jié)合的圍護體系。地下連續(xù)墻作為內(nèi)部結(jié)構(gòu)外墻的一部分，在其內(nèi)側(cè)設(shè)置鋼筋混凝土內(nèi)襯（俗稱復合墻），內(nèi)部結(jié)構(gòu)主次梁作為圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)支撐，共設(shè)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(jié)構(gòu)的一部分，在制作內(nèi)部結(jié)構(gòu)時不拆除水平砼支撐，八字撐需拆除，在此基礎(chǔ)上制作樓板、內(nèi)襯；當隧道底板達到設(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)留出施工縫，在不同的位置預留鋼筋連接器、預留內(nèi)襯鋼筋。施工過程中，對每道鋼支撐施加預應(yīng)力的具體要求為：第三、五、六道支撐分別施加對應(yīng)最大計算軸力的50%，60%，70%。采用這種支撐體系的圍護結(jié)構(gòu)，設(shè)計上要求詳細、精確和周到以確保圍護結(jié)構(gòu)變形不能過大。
對浦西風井圍護結(jié)構(gòu)進行了詳細的計算和驗算，其內(nèi)容如下：
(1) 基坑底部土體抗隆起穩(wěn)定性和抗?jié)B流穩(wěn)定性驗算；
(2) 圍護墻結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性驗算；
(3) 圍護墻結(jié)構(gòu)和地基的整體抗滑動穩(wěn)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(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的計算；
(6) 鋼格構(gòu)柱的內(nèi)力和變形的計算；
(7) 圍護結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面強度的計算和節(jié)點構(gòu)造處理；
(8) 與主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的圍護體系按內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循的規(guī)范進行長期荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)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(nèi)力包絡(luò)和疊加方法
使用我院YAOA程序?qū)Φ叵逻B續(xù)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(luò)和疊加時考慮了施工工序?qū)?nèi)力的影響，在設(shè)計時運用了時空效應(yīng)理論。當內(nèi)外墻結(jié)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(nèi)力按內(nèi)外墻的剛度分配。格構(gòu)柱截面承載力按偏心受壓構(gòu)件計算。
圖3，4為地下連續(xù)墻計算各工況的彎矩包絡(luò)和疊加圖。
圖3 順筑工況彎矩包絡(luò)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(chǔ)規(guī)范中收集的抗拔樁試樁資料并不多，因此沒有現(xiàn)成的經(jīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計的同時，必須進行抗拔樁的設(shè)計，因為施工時要將鋼格構(gòu)架與鉆孔灌注樁鋼筋籠焊接后整體吊入孔內(nèi)。
根據(jù)地鐵工程抗浮設(shè)計的經(jīng)驗、手工計算和三維有限元計算結(jié)果，確定了整個結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了計算，不僅確定了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，還確定了抗拔樁的內(nèi)力。圖5為三維計算網(wǎng)格圖，圖6，圖7和圖8分別為內(nèi)力圖。
圖5 浦西風井三維計算網(wǎng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)計算
因為采用了與主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的圍護體系，所以在圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時必須進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)構(gòu)，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(jié)合這些計算結(jié)果對內(nèi)部結(jié)構(gòu)部分預留了相應(yīng)的鋼筋連接器或鋼筋，以確保內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工時準確連接。
雖然風井段并不長，但連續(xù)墻與連續(xù)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(nèi)亦需要預留鋼筋連接器，接頭樁需預制。連續(xù)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(shè)計增加了難度。
5 詳細的工程措施
5.1 地下連續(xù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)力包絡(luò)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(jù)施工階段支撐承受的最大反力來確定圍檁的內(nèi)力，圍檁內(nèi)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(gòu)柱和鉆孔灌注樁
格構(gòu)柱插入鉆孔樁2.5m，施工時將鋼格構(gòu)架與鋼筋籠焊接后整體吊入孔內(nèi)。
5.6 各層樓板
根據(jù)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(nèi)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(shè)一條變形縫。 5.9 其他 根據(jù)風井設(shè)計需要，地下墻在各層樓板位置處必須預留相應(yīng)的鋼筋連接器。制作風井內(nèi)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?jié)B等級0.8MPa。 6 結(jié)語 本文詳細地介紹了上海外環(huán)沉管隧道浦西風井超深基坑圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用的新技術(shù)、浦西風井圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計、涉及的有限元計算和相應(yīng)的工程措施，這對于進行超深基坑的設(shè)計將提供重要的參考。 參考文獻 ［1］ 李慶來. 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與概率方法在深基開挖信息施工中的應(yīng)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(huán)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(tǒng)用戶手冊,2000 ［4］ 王秀志. 大型有限元程序Algor FEAS后處理系統(tǒng)用戶報告,2000 ［5］ 上海市建設(shè)和管理委員會. 大型有限元程序Algor FEAS后處理系統(tǒng)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(tǒng)技術(shù)報告,2000,10 新聞來源：《城市交通隧道工程最新技術(shù)》 |
| (李慶來) |