长大过站井侧壁服役关键阶段内力分析

王印昌 张嘉威

上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司 200125

引言

城市中较多采用盾构法施工隧道，以应对不良地质条件和减少环境影响，确保安全与环保。工作井是盾构法隧道的重要组成部分，目的是为了满足盾构的拼装、拆解或掉头，一般包括始发井和接收井，具有平面规模大、深度深等工程特点。有时超长地下通道为了满足交通集散、应急救援或通风消防等特殊需求，尚需要在隧道中间设置过站井，并同步建设匝道。在施工过程中，该井为盾构快速通过创造条件。

深大工作井的井壁通常采用叠合墙结构，即施工开挖阶段的地下连续墙作为围护结构承受水土压力，使用阶段地下连续墙和二次衬墙有效结合成整体共同受力，以期减少占地和节约造价。

目前国内对盾构隧道工作井的研究多局限于端头始发井［1，2］及施工方法［3，4］的探讨，鲜有对过站井的分析，尚无针对长条形侧壁结构过站井的研究。本文依托上海市北横通道工程杨树浦港井实际工程，计算、分析这种长大特殊井侧壁服役关键阶段的内力特点及其特殊性。

1 工程概况

上海北横通道西接中环（北虹路），向东沿长宁路-光复西路-苏州河-余姚路-新会路-天目西路-天目中路-海宁路-周家嘴路至内江路，全长19.1km，设计为双层双向六车道，采用盾构法施工，隧道外径为15m，如图1所示。

图1 北横通道断面（单位：m）Fig.1 Beiheng tunnel section（unit：m）

北横通道全线共设8个工作井，其中杨树浦港井位于周家嘴路上杨树浦港和黄兴路之间，并设置了一对上下叠层匝道。工作井采用现浇钢筋混凝土结构，平面内净尺寸为70m×（20～30）m（长×宽），基坑深30.3m～31.6m，围护结构采用1.2m厚地下连续墙，如图2所示。井内设置顶板、下一～四层板以及底板，厚度依次为1.1m、0.8m、0.6m、0.8m、0.8m、2.0m，中框架以上内衬厚0.8m，中框架以下内衬厚1.2m，中框架梁尺寸为1.3m×3.5m。在隧道“分流岛”三角区域布置立柱，各层板在柱位处“T”型布设纵横梁。本井侧壁纵向净跨70m，为增加其抗侧刚度，在建筑利用多余空间预设壁柱，柱距约7m，截面尺寸为2.0m×2.5m，布设高度为下一层板至底板。

2 全过程关键阶段分析

周顺华等［5］通过盾构工作井围护结构在施工全过程的内力测试分析后认为，内衬墙施工阶段对连续墙的内力影响不大。盾构进出洞的开洞工作是在内衬墙达到强度后进行的，所以开洞施工及盾构的进出洞对围护结构的内力影响甚小。

李雄飞［2］通过对超大盾构工作井半逆作法施工受力变形特征分析，认为地下连续墙与内衬墙的提前叠合，增加了围护体的刚度，有效抑制了力与变形的发展。

本文过站井采用顺作法施工，基坑自上而下设置六道钢筋混凝土支撑，如图3所示。过站井从基坑开挖、内部部分墙板回筑、剩余墙板继续浇筑到覆土、机电安装、建筑装修、实现通车的全过程来看，盾构过井是过站井侧壁叠合墙控制性受力的关键阶段。此时，基坑开挖完成，底板、内衬和下一层板等主要构件浇筑完毕，形成大跨度空间受力体系，内衬墙和地连墙有效叠合完成，楼板下第三～六道钢筋混凝土支撑拆除，为盾构过井创造空间，仅保留楼板上第一、二道钢筋混凝土支撑。

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

图3 盾构过井横断面（单位：m）Fig.3 Cross section of shield transit（unit：m）

3 空间计算分析

3.1 模型建立

过站井总长74.8m，总宽24.8m～34.8m，地下空间体量大、埋深大，采用Robot Structural Analysis Professional 2015软件建立工作井三维模型，如图4所示。

图4 工作井三维模型Fig.4 3D model of working shaft

三维模型构件跨度自构件中线处计算，墙、板采用壳单元模拟，支撑、壁柱等采用梁单元模拟。底板与地下连续墙底部分别设置弹簧约束，由于底板位于⑤3-1粉质黏土层中，地下连续墙底位于⑧2粉质黏土与粉砂互层中，依据《基坑工程技术标准》［6］，底板基床系数取10000kN/m3，地下连续墙底基床系数取100000kN/m3。水平地层压力按水土分算，采用朗肯土压力公式计算［7］，结构分析采用荷载结构模式。

针对前述关键阶段的特殊工况进行模拟计算：围护结构施工完毕，底板、中框架以下内衬、下一层板、壁柱等构件回筑完成，保留第一、二道钢筋混凝土支撑，割除第三～六道支撑，洞口封闭盾构尚未过井，下一层板考虑预留相关孔洞，井内降水。

3.2 计算模式

侧壁结构包括井壁（内衬+地下连续墙）和壁柱等构件，其中井壁位置有内侧和外侧之分（背土面为内侧，迎土面为外侧），方向亦有竖向和水平之分，不同位置、不同方向的内力分布更为不同。地下连续墙和内衬是采用不同工艺施做的墙体，围护墙由于墙幅竖缝的存在，墙幅之间不能传递拉力，而内衬墙是后期整体现浇的，质量可控、整板性好，因此叠合墙是竖向和水平向刚度不同的各向异性板。围护墙属于隐蔽性工程，从工程实践效果来看，由于施工场地地质条件复杂，施工工艺要求不易满足，墙体混凝土密实度难以保证，墙缝易出现夹泥、漏水等现象，墙幅之间易出现错位，难以严密啮合，无法保证地墙能够有效传递压力。同时，本工程井壁设置壁柱后，在考察其水平向内力分布规律时，井壁中间区域呈现出微观拉压交替分布的特征，墙体受压区变形难以协调。为解决刚度差异性的模拟问题，以期为设置壁柱的大跨度工作井结构设计提供具体的内力数值，计算模式取竖向式和水平式两种三维模型。竖向式三维模型井壁考虑两墙合一，井壁模型厚度取2.4m；水平式三维模型考虑弯矩由内衬承受，井壁模型厚度取1.2m。

3.3 计算结果

工作井北面侧壁结构竖向净跨18.7m、水平净跨70m，长短净跨比约3.7∶1，具有特殊性和典型性。选取该面侧壁为考察对象，其结构内力计算结果如图5、图6所示。

图5 北面侧壁竖向内力结果Fig.5 Vertical internal force results of north lateral wall

图6 北面侧壁水平内力结果Fig.6 Horizontal internal force results of north lateral wall

如图5a、图5b所示，板中心区域竖向弯矩图显示出标准的带上下支座（下一层板和底板）的单向受力板特征，但接近两侧支座区域，跨中正弯矩逐渐减小，至左右支座附近转化为负弯矩，角隅现象明显（此处角隅弯矩约为跨中的1/2）。图5c中，由于设置了壁柱，壁柱有效地分担了板面荷载，减少了壁板内力，如居中的第5根壁柱弯矩为21580.11kN·m，相应区域壁板弯矩2772.22 kN·m，比值高达7.8。

图6a显示水平角隅弯矩远大于竖向角隅弯矩，这说明对于长边和短边之比大于3的壁板，由于短边侧受到侧板约束的影响，不能简单地将其按单向板进行简化，需考虑采用空间计算才能反映出结构真实受力情况。从图6b展示的水平中间板带内力图来看，水平跨径对水平角隅弯矩的影响很大。同时，也显示出和竖向式计算模型相同的特征，即端墙水平约束刚度不同造成的支座负弯矩差异，而板中心区域却更能体现出竖向单向板的受力特性。图6c显示对于此类长条形壁板，设置壁柱对改善水平式受力的意义更加明显。此时，居中的第5根壁柱弯矩为23804.99kN·m，相应区域壁板弯矩828.11kN·m，比值高达28.7。

4 结论

本文基于设计实践，分析了长大过站井侧壁服役全过程中的控制性关键阶段。基于三维空间模型模拟了工作井侧壁结构受力状态，并分析总结了长条形侧壁特殊的内力特征，希望研究的结论对同行有一定启发和借鉴作用。研究的结论主要有：

1.盾构过井是过站井的侧壁叠合墙控制性受力关键阶段。

2.对于工作井中具有长条形侧壁这样的四边支承板，即便长边和短边之比大于3时，亦不能简单地按沿短边方向受力的单向板简化计算，应采用空间计算模型才合理安全。

3.长大工作井的空间效应明显，水平角隅弯矩较大且受长边跨径影响显著。

4.长条形侧壁设置壁柱能够有效改善侧壁的抗弯能力。