盾构管廊始发井设计问题探讨*

谭琳 胡亚东 梁彦豪 劳伟康 张发科

1.北京市市政工程设计研究总院有限公司广东分院 广州510060

2.广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司 广州510060

引言

在城市的老城区中具有较多管线问题亟待处理，管廊敷设能有效地规划、建设和管理各类市政管线，解决了城市“拉链路”、架空线网密集、管线事故频发等问题。但在这些地区存在道路交通繁忙、征借地困难等问题而导致无明挖施工的条件，故管廊建设采用非开挖的工法进行施工十分必要。非开挖施工法有矿山法、隧道掘进机工法、盾构法等。其中，盾构法能适应较复杂地层，开挖及掘进过程有足够的安全度，对沿线建（构）筑物和地下管线影响较小，在市场中得到广泛的应用。

本文从盾构管廊始发井的基坑支护设计、主体结构设计及人防设计三方面对盾构管廊始发井的关键技术问题进行探讨。论述了基坑支护设计时支护结构、水平支撑的设计问题，并提出了相应的深化建议；又针对主体结构的耐久性、结构超长问题及施工过程结构设计进行探讨；最后阐述盾构管廊始发井人防设计相关问题。

1 工程概况

广州市天河智慧城综合管廊设计采用盾构管廊型式总长8.31km，为东西走向，设置于广州市北部交通较繁忙的科翔路、华观路下12m～18m处。盾构管廊由管廊始发井、管廊工作井、管廊吊出井及管廊隧道区间四部分组成，隧道区间直径为6.0m（内净空5.4m），因考虑工艺使用要求，需采用钢筋混凝土板对其划分，上部为电力舱、下部为综合舱［1］，如图1所示。出于对管廊人员出入口、逃生口、吊装口、通风口、变配电房、排水泵坑等功能使用要求的考虑，共设16

座盾构井，其中始发井共计3座，其中2座采用双向始发形式。本文仅针对盾构管廊双向始发井（简称“始发井”）进行探讨。

始发井在实现其使用功能的前提下，从运维的商业性角度考虑，为达到更有效、经济地开发和利用市政公共设施资源的目的，增设了商业地下自动停车库，以实现“商业管廊”的设计理念。对比常规地铁车站始发井，其设计层高均为6m～7m左右。而盾构管廊始发井分为了东侧的管廊区和西侧的车库区。管廊区根据使用功能的不同，设置为地下4层，层高为2.7m～4.7m，层高变化较大；地下车库区设置地下5层，除最下层供管廊使用外，其余各层均为地下停车库，层高为3m～4.35m，并设消防水池及自动停车设施，如图2所示，两区域存在各层楼板不连续现象。

图2 盾构始发井剖面Fig.2 Profile of shield launching shaft

始发井土层分布自上而下为杂填土层、中粗砂层、淤泥层、黏土层及全风化花岗岩层（基底位于该层）等。地下水主要有第四系孔隙水和基岩风化裂隙水，其常年受降雨季节支配，稳定水位接近地表。始发井结构平面外尺寸为：长72.4m、宽20m、深22m～23.5m，如图3所示。始发井的结构安全等级均为一级，在抗震设计中需按照重点设防类（乙类）进行设计，抗震等级为三级。盾构管廊始发井的防水等级为二级，其中电房区域防水等级考虑为一级。

图3 盾构始发井结构平面Fig.3 Structural plan of shield launching shaft

2 始发井基坑支护设计

基坑支护设计综合考虑该项目地块周边情况、地质复杂性、地下水丰沛、基坑深度较大和工程造价等因素，比较分析后采用排桩＋内支撑的支护形式。φ1200＠1400mm的排桩满足基坑设计承载能力极限状态及正常使用极限状态要求；勘察报告显示存在透水性较强的砂层，且基底位于遇水易软化的黄岗岩残积土层，故在桩间采用φ800的旋喷桩进行截水的支护形式，并在基坑内设置疏干井解决基坑内的地下水问题，如图4所示。并根据计算需设置三层钢筋混凝土支撑，并在最下层设置一道锚索。

图4 盾构始发井基坑Fig.4 Design of the foundation of shield launching shaft

2.1 支护结构设计

基坑支护与主体结构的相对位置关系并无规定的做法，须根据相应的设计理念进行考虑。常规地下结构基坑会选择预留1.5m～2.5m的槽道，俗称“肥槽”。始发井基坑深度较大，如预留肥槽，将出现以下几类问题：（1）用地范围将增大，老城区中用地紧张、各类管线密集的问题十分尖锐，增大用地范围将增加项目的协调难度；（2）肥槽空间狭小、高支模问题突出，属于“超过一定规模的危险性较大的分部分项工程”，工程安全风险值增大；（3）外侧防水卷材保护困难，从过往回填经验可知，卷材的保护基本上不可能实现；（4）肥槽回填压实度难以保证，后期地面都会出现不同程度的沉降；（5）除采用素混凝土进行回填，其余材料回填均会产生地表水，会出现通过“肥槽”与基底贯通现象，以及地表水产生的“水盆效应”抗浮设计问题，对结构永久抗浮不利。

采用支护结构与主体结构紧密结合的布置方式，是较优的选择。但由此将产生对支护结构垂直度的要求严苛，对整体施工质量要求较高的问题。在本工程中，采用排桩结构的支护方式都不同程度的出现“排桩内侵主体结构”的问题，局部对主体结构削弱较大，建议对于盾构工作井支护结构设计宜采用地下连续墙的支护形式，其既能承担支护结构的作用，又能达到防水效果。

2.2 水平支撑设计

水平支撑竖向布置需结合各层楼板标高合理设置，并保证施工空间1m以上。始发井是双向始发，在水平支撑两侧平面布置时需自上而下预留11.5m×9.0m盾构机出入口，以保证盾构机的安装及后期渣土的运输等要求，具体如图5所示。为保证盾构机进出工作井的需求，底板至最下层支撑需保留7.0m以上净高，故基坑下部高度较大，为保证其安全性，基坑设计在结构底板板面以上1m处设置一道层锚索，增加基坑的刚度和稳定性。

图5 水平支撑平面Fig.5 Design of transverse horizontal bracing

始发井管廊区需考虑高压电缆等的出线问题，故局部边跨无楼板，同时在地下车库区需设置两台车用电梯，为满足车辆运输轨道的设备要求也需预留洞口，如图3所示。如此将导致在“换撑”时，以上区域竖向支护结构缺少水平支撑的问题。设计采用大开洞处填素混凝土板、加钢支撑的方式，把永久结构中为满足工艺、建筑使用要求设计的较大洞口进行暂时封闭，以保证基坑水平传力的连续性，从而达到整体受力及稳定性的要求。

3 始发井主体结构设计

3.1 耐久性设计

根据管廊规范要求［2］，管廊结构设计使用年限为100年，需进行管廊结构耐久性极限状态设计［3］。通过控制混凝土的强度等级、最大水灰比、最大氯离子含量、控砂率等指标，达到耐久性设计要求，具体要求见表1。

表1 混凝土耐久性要求Tab.1 Performance index of concrete durability

3.2 超长结构设计

始发井结构平面结构最大尺寸为72.4m，超过规范建议的伸缩缝最大设缝间距≤50m的要求，而从使用功能来考虑，应尽量不设贯通结构的变形缝。考虑地面以下温差变化较小，混凝土收缩主要发生在前期，拟采取：

（1）在楼板中设置一道后浇带，同时在侧壁设置三道后浇带，以解决施工过程中混凝土的水化热问题；

（2）采用控制裂缝宽度性能较好的变形钢筋，壁板、楼板钢筋按照“宁细勿粗、宁密勿疏”的原则配置，板筋双层双向拉通布置；

（3）从减少混凝土自身收缩率的角度考虑，优化混凝土的配合比设计，加入合适的添加剂，控制水灰比、砂率、水泥用量及塌落度等指标；

（4）设计中要求加强混凝土的振捣及养护，混凝土应在全湿润条件下硬化。设计要求优先考虑蓄水养护等措施，避免或减少混凝土的前期收缩和温度效应引起的混凝土构件可见裂缝的产生。

3.3 施工过程结构设计

始发井主体结构存在楼层标高变化较大、错层结构较多、预埋件及预埋孔洞较密集的情况。考虑盾构期间渣土的外运、管片的运输安装等问题，始发井结构需分两期进行。一期为完成底板及盾构区间上一层的楼板结构，二期为其余结构，如图6所示。图中阴影填充区为盾构始发前须完成的主体结构，即一期施工结构。结构计算时，须对一、二期工况分别计算，取包络值进行设计。

图6 始发井施工期间剖面Fig.6 Profile design of shield launching shaft of utility tunnel in construction

设计中在预留孔口四周设置为企口，并在企口部位预埋一级钢筋接驳器，保证后期封堵后钢筋的有效连接和结构的整体性，并采用提高一级的微膨胀混凝土对预留洞口进行封堵，如图7所示。

图7 钢筋连接大样Fig.7 Diagram of steel connection

4 始发井人防工况设计

管廊的人防设计只是针对管线的防护而非人员的防护，无需进行防化要求且允许染毒。盾构管廊根据防火分区的划分进行防护单元的划分，为与地铁人防工程防护标准保持一致，盾构管廊防常规武器抗力级别和防核武器抗力级别均为6级［4］。

始发井内不同区域功能重要性等级不同，故对于盾构始发井采用分区域进行人防设计的设计理念，仅管廊区进行人防设计，图9阴影区域为人防区，非阴影区（即地下自动停车库区域）为非人防区设置。人防区与非人防区间采用钢筋混凝土墙（“临空墙”）进行分割；楼板按照地下室防空顶板进行设计，对常规武器爆炸动荷载或核武器爆炸动荷载作用均采用等效静荷载法进行计算。有覆土处底板人防荷载为75kPa，其余顶板人防荷载为60kPa，临空墙人防荷载为130kPa，外侧墙人防荷载为30kPa，底板人防荷载为50kPa。设计成果显示临空墙及顶板的控制荷载为人防荷载，其余结构均为平时荷载控制。

图8 始发井人防布置图及人防荷载Fig.8 Diagram of plan and load of civil defense works

5 结论

1.始发井基坑支护设计应采用无肥槽的方式进行布置；支护结构宜考虑地下连续墙，以保证其垂直度和可靠性。

2.始发井主体结构设计通过对材料指标的控制实现其耐久性设计；通过控制钢筋选型、混凝土的指标、增加施工措施，达到超长结构不分缝效果。始发井需进行施工过程结构设计和永久使用结构设计，取其两种工况的包络值。

3.始发井人防设计宜考虑分区设计，仅管廊区考虑人防工况。