上海市老城区电力隧道工井基坑支护结构选型分析

甄亚彬

1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092

2.上海水业设计工程有限公司 200092

引言

根据上海市工程建设规范《基坑工程技术标准》（DG／TJ 08-61—2018）条文说明9.1.1 ～9.1.2：“上海地区众多的建筑和市政工程中的基坑工程广泛采用板式支护体系。多种不同形式的板式支护体系围护墙特点各不相同，也适用于不同深度的基坑工程。地下连续墙一般用于开挖深度12m以上的基坑工程，最深已用于超过40m开挖深度的基坑工程；灌注桩排桩一般用于开挖深度15m以内的基坑工程”［1］。也就是说对于上海市老城区内开挖深度超过15m，周边环境保护等级较高的基坑，地下连续墙应作为基坑支护结构的首选。

由于上海市老城区内部分既有市政道路交通流量较大、路幅狭窄，工井施工期间道路不能完全封闭，因此电力隧道工井支护结构的选型应考虑到施工期间对现状道路通行能力的影响。

1 工程概况

1.1 工井概况

某电力隧道工程位于上海市杨浦区，隧道线路沿现状市政道路敷设，沿线设置9 座工井。其中8＃工井净尺寸为ϕ10m，开挖深度为23.8m，基坑安全等级为一级。西北侧26.5m为3 层办公楼；北侧18.7m为4 层住宅楼；西侧9.2m 为2层养老院；东侧5.9m 为合流三期污水总管DN3500，基坑周边环境保护等级为一级。

1.2 交通概况

国顺东路红线24m，路幅12m，非机动车道2.5m，人行道3.5m。高峰时段的饱和度为0.74 ～0.83，非高峰时段国顺东路饱和度为0.31 ～0.47，通行压力较大。

1.3 水文地质概况

拟建工井场地土层力学参数见表1。其中④层淤泥质黏性土是上海地区典型的软土层；⑤1和⑧11层黏性土也具有一定的软土特性。

表1 土层力学参数Tab.1 Soil mechanics parameter statistics

拟建场地地下水由浅部土层中的潜水和（微）承压水组成，潜水地下水位埋深为0.5m。承压水主要分布于⑦土层中，其中⑦层承压水水头高程为-1.97m（吴淞高程）。

2 工井支护结构选型

现状国顺东路早晚高峰车流量高，设计及施工方案要充分考虑施工期间对现状道路通行能力的影响。基于以上限制条件，结合8＃工井基坑的开挖深度、所处位置及施工条件，在满足基坑及周边环境安全的前提下，对8＃工井的支护结构型式进行选型分析。

2.1 地连墙围护结构

地连墙厚度采用1.0m，混凝土强度等级为水下C35，墙身长度44.5m，隔断⑦号承压水层。竖向结合工井楼板设置五道钢筋混凝土圆环支撑，混凝土强度等级为C35，竖向中心间距依次6.7m、3.6m、3.6m及4.0m。第一道钢筋混凝土圈梁的截面尺寸为1.2m ×1.0m，其余各道钢筋混凝土腰梁的截面尺寸为0.85m×1.2m。8＃工井基坑顺作施工的剖面如图1 所示，具体施工步骤如下：

图1 8＃工井顺作基坑剖面Fig.1 Excavations profile of No.8 work shaft bottom-up method

1）施工土体加固及围护结构。

2）围护结构及土体加固均达到设计强度后，开挖2.5m，施工第一道圈梁。

3）待上道梁达到设计强度80%后，分别开挖6.8m、3.6m、3.6m、4.0m 至第二、三、四、五道腰梁底部，施工相应的腰梁。

4）待第五道腰梁强度达到设计强度80%后，开挖至坑底，施工垫层及底板。

5）待底板达到设计强度80%后，局部拆除第五道腰梁并施工井筒至第四道腰梁下方，待达到设计强度后进行顶管及盾构的接收。

6）盾构及顶管接收完毕后，浇注剩余结构。

利用同济启明星深基坑支挡结构设计计算软件（FRWS7）进行剖面计算，计算结果显示围护结构的最大水平位移为33.3mm，支护结构变形满足规范要求。

2.2 灌注桩围护结构

灌注桩桩径采用1.2m，混凝土强度等级为水下C35，桩长44.5m，结合桩外止水帷幕隔断⑦号承压水层。竖向结合工井楼板设置五道钢筋混凝土圆环支撑，混凝土强度等级为C35。

灌注桩围护结构在竖向相同位置处同样设置五道钢筋混凝土圆环支撑，第一道钢筋混凝土圈梁尺寸分别为1.4m ×1.0m，其余各道腰梁的竖向间距、截面尺寸、开挖工况均与地连墙围护结构一致。在排桩土反力计算宽度考虑土拱效应的前提下，利用FRWS进行剖面计算，计算结果显示围护结构的最大水平位移37.6mm，支护结构的变形满足规范要求。

2.3 施工场地布置

针对两种类型支护结构的施工工艺，进行了场地布置。地连墙作为支护结构时，场地布置完成后，合计占地约2000m2，将完全阻断现状国顺东路。灌注桩作为支护结构时，场地布置完成后，合计占地约1600m2，国顺东路可留出半幅路供机动车通行。

2.4 工井支护结构确定

从施工周期、施工占用场地、对现状交通影响、对周边环境影响四个方面对比地连墙与灌注桩支护结构如表2 所示。

表2 支护结构对比分析Tab.2 Comparative analysis table of retaining and protection

结合8＃工井基坑开挖深度、所处的地理位置以及群众对通行能力的要求，在确保安全的前提下，经过对比分析，灌注桩支护结构在施工周期、施工占用场地、对现状交通影响三个方面占据一定优势，因此确定8＃工井基坑采用灌注桩进行支护。

3 工井基坑设计

3.1 坑内土体加固

支护桩采用竖向弹性地基梁法进行内力和变形的计算，坑内开挖面以上的内支撑，以弹性支座模拟，坑内开挖面以下的作用在支护桩的弹性抗力以水平弹簧支座模拟。

软土地区基坑设计时，一般仅对最终开挖面以下的软弱土体进行加固，以提升坑底以下土体的水平向基床系数，减小支护结构的水平变形和内力。但当基坑开挖深度较深，开挖范围内存在较厚软弱土层时，支护桩的内力往往在开挖至最终开挖面前达到最大。

8＃工井开挖深度14.16m ～23.8m 范围内为④和⑤1软弱土层，经FRWS 计算，不同加固水平下支护结构变形和弯矩如图2、图3 所示。

图2 不同加固水平支护结构变形对比（FRWS）Fig.2 Retaining and protection structure deformation comparison diagram of different reinforcement levels（FRWS）

图3 不同加固水平支护结构弯矩对比（FRWS）Fig.3 Retaining and protection structure bending moment comparison diagram of different reinforcement levels（FRWS）

仅对最终开挖面以下的软弱土层进行加固时，支护结构的变形增长速率较快，支护结构的最大水平位移为37.6mm；支护结构内力的最大值出现在开挖深度16.5m 和20.5m 的工况，支护结构内力的最大值为2947.7kN·m。

对最终开挖面以上及以下的软弱土层全部加固后，支护结构的变形增长速率较慢，支护结构的最大水平位移为22.9mm，为前者的61%；支护结构内力的最大值出现在开挖至坑底的工况，支护结构内力的最大值为1938.2kN·m，为数值前者的66%。

因此本工井基坑设计时，对坑内所有的软弱土层采用超高压喷射注浆法（RJP）进行加固，以减小基坑开挖过程中支护结构的变形和内力。

3.2 工井施工次序

柱列式支护结构整体性较地连墙要差，可通过井筒自上而下逆作的方式来解决整体性较差的问题，同时也一定程度上提高了支撑的刚度，以更好的控制基坑变形、防范施工风险。结合8＃工井逆作基坑的实际特点，基坑剖面如图4 所示，确定具体施工次序如下：

图4 8＃工井逆作基坑剖面Fig.4 Excavations profile of No.8 work shaft top-down method

1）施工土体加固及围护结构。

2）围护结构及土体加固均达到设计强度后，开挖2.5m，施工第一道圈梁。

3）待第一道圈梁达到设计强度80%后，开挖3.5m，施工该范围内的井筒。

4）待上道梁及井筒达到设计强度80%后，分别开挖3.3m、3.6m、3.6m、4.0m 至第二、三、四、五道腰梁底部，施工相应的井筒及腰梁。

5）待井筒及第五道腰梁强度达到设计强度80%后，开挖至坑底，施工该范围内的井筒及底板。

6）待底板及井筒达到设计强度80%后，局部拆除第五道腰梁及井筒，进行顶管及盾构的接收。

7）盾构及顶管接收完毕后，浇注剩余楼板及顶板结构。

3.3 施工工艺选择

工井基坑分七次开挖，井筒自上而下分六次浇筑。

在工井基坑采用井筒顺作法施工工艺时，各道圈（腰）梁为基坑的支撑结构，由于支撑高度较小，将各道支撑简化为位于中心位置的弹性支座进行剖面计算，计算结果偏差不大。

在工井基坑采用井筒逆作施工工艺时，浇筑完成的井筒及圈（腰）梁为基坑的支撑体系，高度较高。若将某个施工次序内浇筑完成的井筒及腰梁，简化为位于其中心位置的弹性支座进行剖面计算，计算结果偏差很大，因此需对井筒及圈（腰）梁的支撑体系进行竖向细分。

结合实际情况，将第一节井筒等效为三道支撑、第二～五节井筒各等效为两道支撑、各圈（腰）梁各自等效为一道支撑，合计十六道支撑，在各自中心位置处施加相应刚度的弹性支座进行剖面计算。

各道腰梁及井筒是在自身范围内支护桩变形完成后浇筑的，在进行下一步开挖时，由于边界条件的变化，支护桩的变形进行重调整，已浇筑完成的腰梁及井筒开始发挥约束作用。由于腰梁接近开挖面，在整个支护桩重塑力学平衡的过程中，其承担了大部分支护桩传递来的荷载，还有一小部分由临近腰梁的井筒承担，这一差别致使两种施工工艺下各计算结果稍有差异。不同施工工艺下各腰梁所承担的荷载如图5、图6 所示。

图5 不同施工工艺支撑反力对比（FRWS）Fig.5 Support reaction force comparison diagram of different construction techniques（FRWS）

图6 井筒与腰梁支撑反力对比（FRWS）Fig.6 Comparison of reaction force between work shaft wall and waist beam（FRWS）

在电力隧道工井井筒逆作施工工艺下，支护结构的变形值较小（图7），可以更加有效的减小基坑开挖对周边环境的影响，同时还可以提升柱列式围护结构的整体性，防范桩间流土等施工风险。

图7 不同施工工艺支护结构变形对比（FRWS）Fig.7 Retaining and protection structure deformation comparison diagram of different construction techniques（FRWS）

3.4 不良地质处理

8＃工井开挖深度范围内为②3层、④层及⑤1层，坑底以下为⑤1、⑥及⑦层。

②3层渗透系数较大，开挖揭露时在具有一定水头的动水压力作用下易产生流砂现象。考虑到8＃工井深度较深，环境保护等级为一级，灌注桩施工质量要求高，故在灌注桩桩位处对软弱土层及砂性土层深度范围采用1 根ϕ1600 超高压旋喷桩进行预加固，以确保成桩质量，灌注桩外侧采用1 排ϕ1600＠1100mm 超高压旋喷桩进行止水，桩长44.5m，隔断⑦号承压水层。

4 数值模拟

采用PLAXIS 2D软件建立数值计算模型，进一步分析两种施工工艺对支护结构变形、内力及周边环境的影响。

将围护结构体系简化为平面应变模型，根据王卫东等［2，3］的研究成果及工程经验，确定土体的本构模型为HS-Small模型，各土层所对应的力学参数根据地勘报告及王卫东等［4，5］的研究成果确定。根据刚度等效原理，将灌注桩等效为等刚度的地连墙，采用板单元模拟，井筒及腰梁支撑等效为锚锭杆单元进行模拟，排水管道及邻近构筑物的底板采用板单元进行模拟。

有限元模型的尺寸为160m×70m，土体采用15 节点三角形单元，底部边界渗流路径为关闭，有限元计算结果显示出的规律与采用FRWS软件计算得到规律基本相同，即：

1）井筒逆作施工工艺时，腰梁承担了绝大部分支护桩传递来的荷载，如图8、图9 所示。

图8 不同施工工艺支撑反力对比（PLAXIS）Fig.8 Support reaction force comparison diagram of different construction techniques（PLAXIS）

图9 井筒与腰梁支撑反力对比（PLAXIS）Fig.9 Comparison of reaction force between work shaft wall and waist beam

2）井筒逆作施工工艺时，支护结构的最大变形值为14.2mm，小于井筒顺作施工工艺时支护结构的最大变形值16.1mm，如图10 所示。

图10 不同施工工艺支护结构变形对比（PLAXIS）Fig.10 Retaining and protection structure deformation comparison diagram of different construction techniques（PLAXIS）

在计算模型建立时，将临近的DN3500 污水管及二层养老院建入模型中，以模拟分析各施工工艺在各基坑开挖阶段对其影响。计算结果显示，井筒顺作施工工艺下，临近污水管道的最大位移为10.4mm，大于井筒逆作施工工艺下临近污水管道的最大位移8.2mm，如图11 所示。井筒顺作施工工艺下，临近二层养老院的最大位移为13.1mm，大于井筒逆作施工工艺下临近养老院的最大位移8.1mm，如图12 所示。

图11 污水管位移对比Fig.11 Waste pipe deformation comparison diagram

图12 建筑物位移对比Fig.12 Building deformation comparison diagram

这进一步印证了井筒逆作施工工艺较顺作施工工艺在保护周边环境安全更具有优势。

5 结论

1.上海市老城区电力隧道工井支护结构选型时，在确保基坑安全的前提下，应选择施工周期短、施工期间占用场地小的支护结构。

2.工井基坑开挖范围内存在较厚软弱土层时，通过对最终开挖面以上软弱土体进行加固，可以大幅度减小支护结构的变形和内力。

3.工井井筒逆作时，随着工井基坑开挖，临近开挖面的支撑结构承担着大部分支护桩传递来的荷载，井筒距离开挖面越远，其所承担的荷载越小。

4.工井井筒逆作时，基坑开挖对周边环境的影响小，能够更有效的确保周边既有建（构）筑物及市政管网的安全。