城市深埋隧洞超大超深竖井支护选型及结构设计

闫福根，邹德兵，闵征辉，李子康，钟 坤

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

0 引言

随着构建国家水网战略实施，城市深埋隧洞工程建设将进入快车道发展阶段[1]。竖井作为城市深埋隧洞主要附属建筑物，正向超大超深的方向发展，出现了越来越多的50～60m甚至以上量级的竖井，相比于传统水利水电工程竖井，其具有地质条件复杂、临近构筑物密集、地下管线众多、地下水位高、变形控制要求高、环保要求高等显著特点[2～4]。城市深埋隧洞工程竖井深度几十米甚至超百米，远超深基坑工程定义的5m，如何选择合适的支护型式，合理确定支护结构尺寸，保证支护结构变形可控、受力满足规范要求，极大限度减少工程建设对人类活动的干扰是城市深埋隧洞工程超大超深竖井设计的重难点问题。

众多学者对竖井的结构变形计算、支护结构分析及施工技术等方面进行了广泛研究。曹程明等[5]考虑土拱效应对深竖井受力的影响，对深竖井倒挂壁支护结构的内力进行计算分析，得到其受力沿深度的分布规律；骆晓锋等[6]针对厦门抽水蓄能电站排风竖井覆盖层井段，构建了基于其前期施工中多点位移监测资料的围岩综合力学参数优化反演模型，对竖井覆盖层段土质围岩的综合力学参数进行了优化反演；赵东平等[7]对竖井井型、竖井衬砌井壁压力、竖井支护结构、施工技术等方面进行了系列阐述，指出对于大面积超深竖井尚需综合考虑结构受力及空间利用问题，其结构型式及支护方法有待进一步研究；宗露丹等[8]以某深56.3m、直径30m的超深圆基坑为例，分析了其开挖变形过程及受力性状，验证了由原逆作内衬墙方案优化为顺作环梁方案的可行性；周雄华等[9]通过分析巴陕高速公路米仓山特长隧道通风竖井开挖过程中的围岩应力、衬砌位移和结构内力，验证了支护结构效果及支护参数的合理性；冯艳等[10]通过数值模拟的方式对以某隧洞附属超深大直径竖井采用地下连续墙和灌注桩两种竖井基坑支护结构进行比选研究，结果表明地下连续墙支护结构因具备更好地变形和受力特性，作为推荐方案。目前对于基坑的研究众多，但更多聚焦在特定支护型式的结构计算，对于深基坑尤其是水利工程超深大直径竖井支护结构的选择及合理性分析还有待进一步研究，缺少从支护结构选型到稳定分析计算全过程超大竖井链条式设计的相关研究。对此，本文以深圳LT 3#超大超深工作井为例，在分析193个深基坑工程及117个地下连续墙工程的基础上，采用工程类比、数值计算理论计算等方法，详细阐述了3#工作井支护结构选型、稳定计算和结构设计全过程。计算结果表明本文提出的竖井支护方案可行，可为其他超大城市深埋隧洞竖井设计提供借鉴经验。

1 工程概况

深圳LT输水隧洞工程是珠江三角洲水资源配置工程在深圳境内配套项目之一，3#工作井地处新玉路与五指耙公园连接线北侧，兼做五指耙水厂分水井。场区地貌单元为低台地，地面高程21.2～28.7m，地势平缓。地表为人工填土，厚约1.6m，其下为残积含砾粘性土，厚约13.4m，下部岩层为奥陶纪花岗岩，其中全风化花岗岩厚约16.0m、强风化花岗岩厚约4.3m、弱风化花岗岩厚约0.2m。地下水埋深约7m，为基岩裂隙承压水，赋存于强风化层、岩体破碎带和岩体裂隙中。3#工作井位置及影像示意如图1所示。

图1 3#工作井位置及影像示意图

2 支护型式选择

深圳LT输水隧洞工程3#工作井基坑开挖深度为68.6m，入微风化花岗岩深度达到33m，基坑地质剖面简图如图2所示。

图2 3#工作井地质剖面简图

根据JGJ 120-2012《建筑基坑设计技术规范》，结合以往工程经验，目前常用于深基坑支护类型主要有自动化沉井、钻孔咬合桩、气压沉箱、SWM(新型水泥土搅拌桩墙)、土钉墙、地下连续及墙桩锚支护等支护方式[11]。吴群慧[12]在上海市轨道交通7号线常熟路车站提出模拟连续自控化气压沉箱方案，沉箱承载层为软土地基，工程实践[13]表明自动化沉井一般只适用抗压强度≤5MPa的软岩，本工程微风化花岗岩强度达到110MPa，自控化气压沉箱不合适。杨公正[14]提出了无套筒普通混凝土咬合桩施工方法，并在昆明地铁基坑得到广泛应用，张江雄[15]提出软弱地层全套管咬合桩拔锚施工技术，应用于十字门隧洞深基坑，由于套筒咬合桩在中风化岩层及以下地层施工存在成桩困难的缺点，本工程支护结构需深入微风化花岗岩，套筒咬合桩不可行。另外，考虑到本工程为特大城市深埋隧洞工程，施工要求高，工期紧张，而气压沉箱支护措施存在施工工期较长的缺陷，因此亦不考虑气压沉箱围护型式。综上分析，上述3种支护型式均不可行，具体原因见表1。本文将重点对SWM、土钉墙、地下连续墙及桩锚结构进行比选。

表1 套筒咬合桩等支护型式不可行原因分析表

2.1 国内工程调研

笔者通过文献查阅、资料收集等多种方式收集了国内193座深基坑支护型式。

(1)SWM工程案例：襄垣某高层住宅基坑[16]，开挖深度约6m；上海某大型工程基坑[17]，开挖深度约6.5m；广东中山某城市综合开发项目二层地下室基坑[18]，开挖深度9.3m；南昌某地铁基坑[19]，开挖深度8.5m；漳州市龙文区某办公楼基坑[20]，开挖深度6.9m。SWM主要应用于深度不大于10m的基坑。

(2)土钉墙工程案例：南宁中关村信息谷产业园项目基坑开挖深度4.8m，采用土钉墙支护；央视CCTV基坑基坑开挖深度12～22m，采用土钉墙+灌注桩；中国国家博物馆改扩建基坑支护工程基坑开挖深度14.65m，采用挡土墙+灌注桩；从工程案例来看，土工墙一般适用于深度在5～20m之间的基坑，且需要与桩锚支护组合使用。

(3)地下连续墙工程案例：徐中华[21]收集了上海地区截止2008年采用地下连续墙工程实例，基坑开挖深度为10～30m。随着技术发展，越来越多深基坑采用地下连续墙，比如：上海北横通道基坑[22]开挖深度30.4m，武汉阳逻长江公路大桥南锚碇工程开挖深度41.5m，清云高速西江特大桥项目基坑[23]开挖深度46m，江苏润扬(镇江-扬州)长江公路大桥的南汊悬索桥北锚碇基坑开挖深度48m，南水北调穿黄工程南岸和北岸基坑开挖深度分别为57m和49.8m，滇中引水昆明段龙泉倒虹吸出口接收井基坑深78.3m，上海环球金融中心[24]主楼基坑直径100m、挖深18.35m，珠江三角洲水资源配置工程沿线30余座竖井基坑深度16.2～68.8m，超30座采用了地下连续墙支护型式。从工程案例来看，地下连续应用最为广泛，且最大基坑深度达到近80m。

(4)桩锚支护工程案例：西安市地下综合管廊基坑[25]开挖深度10.9m，采用混凝土灌注桩+锚杆+钢支撑进行支护；北京财源国际中心基坑开挖深度约26m，采用灌注桩+5层锚杆支护体系；重庆市某医院防治中心项目基坑[26]开挖深度26.8m；北京工人体育场复建项目中的地铁接驳区域的基坑[27]开挖深度30m，采用双排桩+锚杆进行支护，桩锚支护普遍应用在深度为10～40m的基坑。

基坑支护型式与基坑深度分布如图3所示。

图3 基坑支护型式与基坑深度关系(193个基坑工程)

根据图3可知：SMW主要应用于深度小于10m或在10m左右的基坑；当基坑深度范围为10～25m时，可选用土钉墙、地下连续墙、桩锚支护等支护型式；当基坑深度范围为25～40m时，可选用地下连续墙和桩锚支护，其中地下连续墙应用的较多；当基坑深度大于40m时，基坑主要采用地连墙支护。另外，类比同类水利工程可知，珠江三角洲水资源配置工程沿线30余座工作井中绝大部分采用了地下连续墙；滇中引水昆明段龙泉倒虹吸出口接收井、南水北调穿黄工程南岸和北岸竖井等基坑亦采用地下连续墙支护。3#工作井位于深圳市区内，竖井基坑安全等级为一级，竖井开挖具有直径大、深度深，对支护结构止水效果要求高等特点。随着地下连续墙技术的发展，其施工工艺已经十分成熟，已有工程实践表明，地下连续墙具有刚度大、整体性好、止水效果佳以及对周边环境影响小等优点，其普遍应用于井深大于35m的一级基坑。综上，笔者认为，3#工作井基坑支护型式采用地下连续墙是合适的。

2.2 地下连续墙厚度初拟

笔者进一步统计了117座深基坑地下连续墙厚度，详见表2；分析了基坑深度与地下连续墙厚度关系，如图4所示。

表2 地下连续墙墙厚与基坑深度统计表 单位：m

图4 地下连续墙厚度与基坑深度关系图(117个地下连续墙工程)

从图4、表2可知，当基坑深度小于35m，地连墙厚度以0.8m和1.0m为主，极少数工程采用0.5m；当基坑深度大于35m，地下连续墙厚度普遍采用1.2m，部分工程采用1.0m，极少数工程采用1.5m。3#工作井基坑深度为68.6m，远超40m，参考上述工程经验，地下连续墙厚度初拟为1.2m是合适的。

3 地下连续墙抗倾覆稳定计算

3.1 基本假设

(1)将每幅地下连续墙视为相互独立的竖向围护结构。

(2)对基坑开挖过程中已施作混凝土内衬的墙段(自基坑顶部至混凝土内衬下端O点)，认为已接受混凝土内衬闭合圆环的支撑作用，视为稳定墙段。未施做混凝土内衬墙段(O点以下)墙段抗倾失稳模式为绕点O转动的踢脚破坏。

按上述计算假设，参照JGJ 120-2012，确定3#工作井地下连续墙抗倾覆稳定计算模型如图5所示。

图5 地下连续墙抗倾覆稳定计算模型图

3.2 计算工况

3#工作井地下连续墙段采用逆作法施工，开挖完成后跟进施工内衬，每层开挖和衬砌高度均为3m，按上述施工顺序，3#工作井12种工况计算简图如图6所示。

图6 12种工况地下连续墙抗倾覆稳定计算简图

3.3 成果分析

根据前述假定并结合JGJ 120-2012相关规定，各工况地下连续墙抗倾覆稳定采用式(1)计算：

(1)

式中，Kem-结构抗倾覆稳定安全系数；Eak-基坑外侧水土压力合力的标准值，土压力采用静止土压力；Epk-基坑内侧水土压力合力的标准值，土压力采用被动土压力；Zak-基坑外侧水土压力合力至O点距离；Zpk-基坑内侧水土压力合力至O点距离。

经计算，3#工作井各工况地下连续墙抗倾覆稳定计算成果见表3。

表3 3#工作井各工况地下连续墙抗倾覆稳定计算成果

由计算结果可知，3#工作井各工况条件下，地下连续墙抗倾覆安全系数Kem为1.30～3.21，其中工况十二安全系数最小，为1.30，均满足JGJ120-2012中安全系数不小于1.25的要求，墙厚选择1.2m可行。

4 地下连续墙结构计算及设计

4.1 计算假设及方法

(1)地下连续墙按单宽竖直杆件模拟，杆底端设一竖向弹性链杆，用以考虑其竖向变形。

(2)已成环的内衬对地下连续墙采用弹性链杆考虑其成拱支撑作用，相应的弹性链杆支承刚度采用式(2)-(4)计算：

Di=kibsi

(2)

(3)

(4)

式中，Di-i号链杆支承刚度；B-地下连续墙计算宽度；si-i号链杆模拟范围；li+1、li-1--i号链杆分别至i+1号链杆和i-1号链杆的距离；ri+1、hi-1-内衬于i号链杆模拟范围的半径和径向厚度；Ei+1、μi-1-内衬于i号链杆模拟范围的弹性模量和泊松比。

(3)尚埋在土体中的地下连续墙段，采用弹性链杆考虑土体对墙段的支撑作用。

(4)开挖范围的地下连续墙段，不考虑土体对墙段的支撑作用。

(5)逆作法施工过程：竖井外部水、土压力以及井内土体中的水压力分别以分布荷载施加到地下连续墙上。

(6)采用SAP84程序对地下连续墙进行杆系结构计算。

(7)根据计算结果配置地下连续墙钢筋。

4.2 水平位移分析

经计算，地下连续墙12种工况井内侧最大水平位移值随开挖深度变化曲线如图7所示。

图7 地下连续墙井内侧最大水平位移值随开挖深度变化曲线图

由计算结果可知，墙内侧水平位移为4.51～9.89mm。随开挖深度增加位移呈增大趋势，开挖至高程1m时达到最大值9.89mm，而后随开挖深度增加位移呈减小趋势。位移最大值出现在工况六，即开挖至全风化花岗岩体后，墙内侧位移最大，最大位移小于墙体高度的2‰，即0.002H=14.3mm，同时小于30mm，满足规范要求。总体上看地下连续墙墙内侧水平位移较小，表明基坑施工过程中，地下连续墙及内衬支撑有效控制了墙内侧水平位移。

4.3 弯矩计算

经计算，12种工况地下连续墙弯矩最大值(最大正值和最大负值)随开挖深度变化曲线如图8所示。

图8 地下连续墙弯矩最大值随开挖深度变化曲线图

由计算结果可知：

(1)正弯矩为777～2575kN·m。随开挖深度增加弯矩值呈增加趋势，开挖至高程-4m时达到最大值2575kN·m，后随开挖深度增加弯矩呈减小趋势。最大弯矩值出现在工况八，即开挖至全风化岩体，开挖面(高程-7m)附近出现最大弯矩值。

(2)负弯矩为-964～-2052kN·m。随开挖深度增加弯矩值呈增加趋势，开挖至高程-4m时达到最大值-2052kN·m，而后弯矩值呈减小趋势。最大弯矩值出现在工况八，即开挖至全风化岩体，开挖面(高程-4m)附近出现最大弯矩值。

4.4 配筋计算

本着运用安全、方便施工、经济合理的原则，对地下连续墙的钢筋采用分段配置，第一节为高程2m以上6个墙段，选用最不利的3.5m截面内力作为代表进行对称配筋。第二节为高程2m以下6个墙段，选用最不利的高程-8.5m截面内力为代表计算进行对称配筋。经计算：

第一节计算配筋面积4358mm2。实际采用对称配筋每米配5根φ36钢筋，配筋面积5089mm2；第二节计算配筋面积8254mm2。实际采用对称配筋每米配7根φ40钢筋，配筋面积8796mm2。

4.5 设计方案

基于上述理论计算成果，3#工作井墙厚取为1.2m，采用钢筋混凝土结构，墙深35m，内、外径分别为33、35.4m，墙顶和墙底高程分别为20.00、-15m，墙底深入微风化花岗岩体约0.8m，并设置1排锚索，间距4.5m，锚索长L=12m(其中：自由段6m，锚固段6m)，设计锚固力1000kN。

5 结论

本文以罗铁输水隧洞工程3#工作井为例，通过工程类比分析、理论计算等多种方法详细阐述了特大城市深埋隧洞超深超大竖井支护型式选择，地下连续墙厚度拟定，并对地下连续墙抗倾覆稳定、变形及受力进行了理论计算，得出以下结论，可供类似城市深埋隧洞工程超大超深竖井设计提供经验。

(1)从调研的193个深基坑工程看：SMW主要适用深度小于10m或在10m左右的基坑；当基坑深度为10～25m时，可选用土钉墙、地下连续墙和桩锚支护等支护型式；当基坑深度为25～40m时，可选用地下连续墙和桩锚支护，其中地下连续墙应用的较多；当基坑深度大于40m时，基坑支护型式主要采用地下连续墙。

(2)从调研的117个地下连续墙工程看：当基坑深度小于35m，地连墙厚度以0.8m和1.0m为主，极少数工程墙体厚度为0.5m；当基坑深度大于35m，地下连续墙厚度主要采用1.2m。

根据工程调研，本文对初拟的1.2m厚地下连续墙进行了抗倾覆、位移及结构计算，计算结果表明，墙厚选择1.2m是合适的。①抗倾覆安全系数Kem为1.30～3.21，其中工况十二最小，满足安全系数不小于1.25要求。②墙内侧水平位移最大值为9.89mm，小于墙高的2‰且小于30mm，满足规范要求。③正弯矩为777～2575kN·m，负弯矩为-964～-2052kN·m，均在开挖至高程-4m时工况八达到最大值。