人民南路地下人行通道工程盾构后背墙结构设计

王武 朱果

[摘  要]：地下人行通道工程采用盾构顶管法施工，由于场地条件限制，需在地下室内设置后背墙作为盾构顶管的受力点，顶管千斤顶水平作用力高达40 000 kN，给后背墙的结构设计带来极大挑战。文章主要介绍了一种盾构后背墙结构设计，包括结构布置、基础设计、连接节点专项设计等内容，为以后类似工程项目提参考。

[关键词]：顶管施工; 盾构后背墙; 高水平作用力; 桩筏连接节点

U455.43A

1 工程概况

四川大学华西校区田径运动场地下停车场新建人民南路地下人行通道工程采用矩形盾构顶管法施工，该施工法是世界首个在砂卵石地层进行矩形盾构顶掘的施工作业，盾构顶管施工所采用的支撑钢组件往前挖掘以及推进的水平力高达40 000 kN。

由于场地条件限制，现场并无天然山体作为盾构顶管的后背支撑点，因此需要在地下室主体范围内设计一个盾构后背墙来承担盾构顶管千斤顶的巨大水平作用力，控制受力变形以保证顶管施工的正常进行（图1）。

2 结构体系与选型

2.1 千斤顶水平荷载

通过千斤顶作用在后背墙上的水平力非常大，该顶管工程共布置10根油缸，每根油缸推力4 000 kN，总推力40 000 kN，具体布置如图2所示。

2.2 上部结构受力体系

通过方案对比和结构试算，通过设置后浇带将顶管后背墙结构与地下室主体结构完全脱开[3]，千斤顶的巨大水平作用力最终是由4片钢筋混凝土墙来承担[5]，并通过在钢筋混凝土墙间设置连接板和连系梁来有效控制钢筋混凝土墙的平面外翘曲变形，以保持整个后背墙结构在受力过程中是一个协调变形的整体（图3）[4]。

钢筋混凝土墙的优点是在平面内侧向刚度大[1]，在水平荷载作用下侧移小，能有效防止结构发生剪切破坏[8]。连续的钢筋混凝土墙还能将千斤顶的巨大水平作用力均有效的传递给下部结构，避免了单节点水平力过大从而导致节点设计困难等问题[6]。

2.3 基础设计

顶管后背墙所承担的水平力以及由此产生的附加弯矩都需要通过基础传给地基[7]，结合地勘及场地条件，最终采用的基础形式为桩筏基础[2]，桩基为嵌岩桩基础（图4）。

3 计算分析及专项设计

3.1 上部结构

材料：混凝土-C30;钢筋-HRB400。

荷载组合：1.0×自重+1.0×千斤顶作用力。

3.1.1 应力

最大压应力：10.75 MPa;最大拉应力：8.5 MPa;最大剪切应力：7.05MPa如图5所示。

3.1.2 变形

千斤顶作用方向最大位移：1.21 mm;垂直千斤顶作用方向最大位移：0.20 mm;

竖向最大位移：0.34 mm如图6所示。

3.1.3 钢骨混凝土

在顶管千斤顶直接作用的受力点、受力点偏位置以及最近端混凝土受拉区域节点设置型钢骨，保证节点传力的可靠性[9]（图7）。

3.1.4 水平施工缝设置

作用在顶管后背墙的水平作用力非常大，传统工艺的水平施工缝很难满足相应的抗剪设计要求。改为契型水平施工缝如图8所示。

3.1.4.1 契型水平施工缝

将传统的直线型水平施工缝改为凹凸相间的契型水平施工缝，将传统水平施工缝的纯抗剪受力状态变为契块斜截面的受压、受剪以及契块根部的受剪受力状态，通过调节契块的根部长度和契块的斜截面坡度，就能将水平施工缝的抗剪问题控制在安全合理的范围内，极大程度的保证了上部结构与下部结构直接传力的可靠性。

3.1.4.2 水平施工缝抗剪钢筋的设置

通过附加插筋的方式，在契型水平施工缝截面上面设置附加竖向水平抗剪钢筋，既能增强新旧混凝土之间咬合力，又能起到相应的抗剪作用，是水平力可靠传递的另一道保障。

3.2 基础

3.2.1 筏板应力应变控制

顶管后背墙的巨大水平作用力通过上部结构直接作用在筏板上，容易引起筏板应力集中以及筏板的翘曲变形，需对筏板的受力情况做出相应的判断和分析。

本工程筏板厚度设置为1 500 mm厚，采用25@125（HRB400）双层双向配筋。筏板正应力、剪应力除在桩顶附近有应力集中外，普遍均在合理可控范围内;筏板变形亦在合理可控范围内（图9）。

3.2.2 桩基水平承载力验算

顶管后背墙的巨大水平力及相应的附加弯矩最终都由桩筏基础以及土体的侧向刚度来承担，通过桩基的拉压以及土体的侧向约束来平衡。因此需要对桩基进行水平承载力进行计算分析以及对桩顶位移的变形控制来满足整个顶管后背墙的受力以及变形要求[2]。

本工程旋挖灌注桩直接D=1200 mm，桩身长度10 m，嵌岩深度3.6 m，桩纵向钢筋为26根25（HRB400），根据地勘报告，通过计算，单桩的抗拔承载力特征值2 215 kN，抗压承载力特征值2 244 kN，水平承载力特征值799 kN，桩底水平位移控制在3 mm以内。

3.2.3 桩筏连接节点

顶管后背墙的巨大水平力通过筏板均分分布后再传给桩基础，在此工程中，传统的桩筏连接节点上结合施工质量问题极可能出现节点连接性破坏从而导致整个后背墙结构的失效。为保证传力的可靠性，在桩筏连接节点上，我们经过水平抗剪以及竖向抗拔的承载力计算，通过设置型钢铆钉预埋件的方式来保证“强节点”的节点设计[9]（图10）。

3.3 应力应变检测控制点

为保证顶管过程中的顺利进行，笔者还对关键点进行应力应变检测，以随时对顶管过程中后背的应变情况进行实时的跟踪和分析，以保证顶管过程安全可靠的进行。整个后背墙工设置6个应力应变监测点，在整个顶管过程中，实时监测后背墙的应力和变形情况（图11）。

4 结论

矩形盾构顶掘机吊装下井，该台矩形盾构机是世界首个用于砂卵石地层矩形盾构顶掘施工作业的高技术产品。因为场地条件限制，盾构顶管后座需要设置在地下室主体范围内，且与地下室主体同时施工，这也是国内首例，完全打破以往顶管后背的常规做法。目前该工程已顺利完工，为国内以后类似项目的设计和施工提供了一个具有指导性的成功案例，希望能为以后类似工程项目提供借鉴和参考。

参考文献

[1] [英] 季天健 Adrian Bell. 感知结构概念[M]. 北京： 高等教育出版社， 2009.

[2] 建筑桩基技术规范：JGJ 94-2008[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2008.

[3] [美] 铁木辛柯. 结构理论[M]. 北京：机械工业出版社， 2005.

[4] 中国建筑科学研究院. 混凝土结构设计[M]. 北京：中国建筑工业出版社， 2003.

[5] 林同炎. 结构概念和体系（第二版）[M].北京：中國建筑工业出版社， 1999.

[6] [德]海诺.恩格尔. 结构体系与建筑造型[M]. 天津：天津大学出版社，2002.

[7] 建筑地基基础设计规范： GB50007-2011[S].北京：中国建筑工业出版社， 2011.

[8] 混凝土结构设计规范： GB50010-2010（2015年版）[S].北京：中国建筑工业出版社， 2015.

[9] 组合结构设计规范： JGJ 138-2016[S].北京：中国建筑工业出版社， 2016.