超大盾构工作井半逆作法施工受力变形特征分析

李雄飞

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

超大盾构工作井半逆作法施工受力变形特征分析

李雄飞

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

随着我国经济的快速发展，城市化水平不断提高，对市政交通的要求也越来越高[1]，在有限的地上空间发展逐步转向地下空间的发展已成为城市交通发展的趋势。目前上海地区市政交通中地下空间的施工主要采用盾构掘进法施工，在盾构施工中其结构工作井承载着盾构机械设备安装调试的作用，其结构的安全关系着盾构设备能否按预期实施的关键。我国一般盾构工作井的施工已趋于成熟，而超大盾构（直径大于14 m）实施时间相对较短，其工作井的结构施工也处于技术人员不断探索改进中。

半逆作法施工；围护墙体测斜；支撑轴力

0 引言

本文以上海某隧道工程超大盾构工作井施工为研究对象，对超深工作井基坑顺做法施工变更为半逆做法后，对支护体系在施工中的受力及变形动态监控，分析各工况节点下的变形、受力特征，汲取有价值的经验，数据为同类结构设计优化，施工工艺的改进提供借鉴经验。

1 基坑概况

拟建项目工作井采用1 200 mm厚地下连续墙作为围护结构，墙深47.5 m，平面外包尺寸取为26.8 m×55 m，基坑开挖深度26.32 m，基坑底标高为-21.395 m。工作井采用钢筋混凝土斜支撑体系，沿基坑竖向共布置5道钢筋混凝土支撑。其中第1、2道钢筋混凝土支撑与井内顶、中框架合二为一。工作井平面布置见图1。

图1 工作井平面布置图（单位：mm）

由于本工程为上海市重点工程，施工工期节点受各方关注，为了保证工作井结构施工进度能匹配上原计划盾构下井安装时间节点，施工过程中考虑到顺作法施工无法满足工期要求，见图2，施工方对工作井施工流程进行了相应调整采用半逆做法施工，见图3。

图2 顺做法施工顺序图

图3 半逆做法施工顺序图

工序调整后相比原施工流程工期约可提前1个月，确保在不影响结构施工质量的前提下，盾构能按原计划时间下井安装。本工作井2015年7月开始施工，2016年1月初结构施工完成，盾构机按计划下井安装。

2 监测概况

作为庞大而复杂的地下工程，往往因其地质条件复杂、建设周期长、时间跨度大、施工困难、设计计算理论尚不完善等多方面的问题，在建设过程中会出现工程质量难以保证、工程进度难以把握、工程风险难以控制的情况。而监测工作的有效实施，是保证施工安全的一个重要环节[2]，通过对监测数据进行统计分析，从中汲取出有价值的内容和信息，及时反馈至工程建设相关单位，对于保证工程质量和基坑施工安全具有极其重要意义。

盾构工作井监测内容主要包含基坑围护体系内力、变形，基坑外土体变形、地表变形、坑外水位。本文主要以地墙变形及支撑受力作为研究对象，通过对各工况节点下的数据统计、结合施工特征，分析其支护结构的力与变形特征。根据规范[3]要求并结合现场实际情况，盾构工作井的监测内容参见表1。监测内容分为六个方面，即围护墙顶变形监测、围护测斜监测、坑外地下水位监测、坑外地表位移监测、支撑轴力监测、立柱垂直位移监测。

表1 监测内容统计表

3 监测数据分析

由于监测期间所测数据及监测内容繁多，本文主要统计围护墙体测斜及支撑轴力在关健施工节点下的变形、受力数据，分析半逆作法施工过程中变化规律趋势，为同类项目的实施积累经验。

3.1 墙体测斜

统计工作井墙体测斜监测点在各道支撑（内衬墙）完成及支撑拆除完成后最大变形及对应深度参见表2（分六个工况：地下一层结构完成，地下二层结构完成，地下三层结构完成，第五道支撑完成，地下四层结构完成，拆撑完成）。

选取典型性监测点绘制墙体测斜点在各工况节点下的累计变形曲线，见图4。

从测点所处区域分析工作井地墙北侧数据略小，东、西两侧墙体整体变形数值较接近；不同区域变形数据差异主要由于所处环境不同，北侧墙体外为盾构出洞区域，地基土采取了三轴搅拌桩加固措施，东、西两侧地基土为正常沉积土层，不同的地基土性质引起的变形也不尽相同。

表2 墙体测斜最大变形及对应深度表

图4 墙体测斜工况节点累计变形（单位：mm）

在各工况节点下墙体的变形主要遵循以下特征：

（1）地下一层结构施工期间，墙体位移在开挖面底下4m左右达到最大值，墙体曲线呈“鼓肚”状向坑内突出，整个地墙顶、底位移相对稳定。

（2）地下二层结构施工期间，墙体位移最大值处于开挖面底下6 m附近，围护墙体与地下一层结构叠合面无明显位移，而地下一层结构面以下，曲线明显向坑内突出；墙顶位移趋于稳定，墙底小幅向坑内移动。

（3）地下三层结构施工期间，墙体最大位移处于开挖面底下5 m左右，墙体变形在上两层结构叠合面相对稳定；叠合面以下墙体位移逐步增大，在开挖面底下5 m达最大值后位移量再逐步减小，延伸至墙底向坑内位移7 mm左右。

（4）第五道支撑施工期间墙体位移在三层结构叠合墙部位位移相对较小，叠合部位以下墙体位移曲线呈明显散开趋势，在开挖面以下5 m左右达到最大值，位移达最大值后随着深度的加大逐渐减小，延伸至地墙底部变形约20 mm。

（5）地下四层结构施工期间伴随着基坑底板施工，墙体位移在地下第三层叠合墙部位相对较小，叠合墙部位以下变形在上一工况累计变形基础上进一步发展，在坑底下5 m左右达最大值，随着深度的增加相对位移逐步减小，延伸至墙底位移约30 mm。

（6）拆撑期间墙体整体向坑内小幅位移，在拆撑部位未呈现明显移动，主要由于地墙与内衬墙叠合后整个围护刚度大增，能抑制坑外土压力。另外拆撑期间延续时间较长，下部土体扰动后重新固结还未稳定同时上部结构在温度大幅下降下呈现小幅收缩，在测点上特征表现出小幅向坑内移动。

墙体的位移主要由于坑内土方开挖造成坑外土体失去平衡向坑内位移所致，位移的大小取决于围护体对周边岩土的约束程度及施工的方式。本工程在设计结构在未调整的前提下，合理调整了施工工序，墙体的变形特征与常规顺做法的变形特征有了一定的改变，叠合墙的较早施工对坑外土体位移的发展产生了明显的制约作用，整个工程施工期间墙体的变形均处于设计控制值范围内，好于预期。

3.2 支撑轴力

在基坑施工中钢筋混凝土支撑作为临时构件设施，它与围护体系的有机结合，将有效制约坑外荷载对围护结构的影响，支撑的安全性评估主要由支撑轴力的大小来衡量。监测实施过程中采用不同的施工方法支撑轴力的发展规律与趋势也不尽。统计本项目各轴力监测点在不同工况下的累计受力值见表3（共10个轴力监测点：Z C1-1, Z C1-2,Z C2-1,Z C2-2,Z C3-1,Z C3-2,Z C4-1,Z C4-2, Z C5-1,Z C5-2）。

从数据统计结果及日常测量数据分析，各道支撑轴力在各不同工况下大致存在以下特征：

（1）第一道支撑轴力在第二层土方开挖期间呈现明显受压，第三层土方以下开挖支撑轴力整体呈现出减小趋势，下部支撑拆除期间，支撑轴力仍呈小幅减小；支撑的受力特征与一般基坑开挖支撑的受力特征有所改变，支撑下部叠合墙完成后，下部的土方开挖及支撑拆除未引起上部支撑轴力增大，支撑轴力的逐步减小主要取决于温度的降低引起的结构收缩，支撑内力发生了相应的变化。

表3 不同工况下支撑轴力统计表

（2）第二道支撑轴力的受力趋势与第一道支撑基本相同。

（3）第三道支撑轴力在第四层土方开挖期间轴力呈现明显增大，第五层土方开挖期间小幅增加，拆撑期间轴力未见增大；支撑轴力的大小主要取决于坑外土压力的大小及支护结构自身的刚度，本道支撑的受力特征与上部支撑略有不同，主要由于随着开挖的加深，下部土压力越来越大，叠合墙抗外力效果有所降低，局部发生位移，造成支撑轴力有所增加，同时温度的影响也造成轴力增加幅度减小。

（4）第四道支撑轴力在第五层土开挖期间支撑轴力增加幅度最大，下部土方继续开挖至底板期间，支撑轴力也有一定幅度的增加；第四道支撑处于地下三结构的底端，上部为逆作法施工叠合墙，下部仅为地墙，对土压力的抑制作用明显较低，进而造成下部土方继续开挖支撑轴力继续增大；第五道支撑拆撑期间支撑轴力未见增大，受支撑拆除影响较小。

（5）第五道支撑轴力临时支护时间相对较短，在开挖至底板期间轴力达到最大值，随着基坑底板及第四结构的完成，轴力呈小幅减小。

从支撑轴力的绝对数值分析，第一道支撑及第五道支撑轴力离控制值范围相对较近，第二至四道支撑离控制值范围相对较远；上述特征的产生主要受地下结构施工的影响，原设计中只考虑采用地墙来平衡坑外的土压力，而逆作法施工改变了原结构受力模式，局部区域内衬墙与地墙的叠合大大增加了围护体的刚度，制约了相当一部分的土体位移，进而改变了支撑杆件的受力大小。

4 结论

支护体系的受力及变形数值大小，是基坑安全性评价的重要衡量指标，工作井施工工序的调整，使原结构的受力模式发生了改变，而围护结构受力的改变，也从监测数据中直观的表现了出来。通过对本文案例工程支护体的受力变形趋势分析，可以看出结构的刚度决定了力与变形数据的大小；工作井半逆作法施工中地墙与内衬墙的提前叠合，增加了围护体的刚度，同时在土体位移上缩短了土体塑性变形周期，有效抑制了力与变形的发展。

总体来看工作井半逆作法施工的优点是缩短了施工工期，减小了围护体系的受力变形数值，使基坑施工过程中安全程度进一步提高。但半逆作法施工也存在着一些潜在风险，叠合结构虽有效抑制了部分位移及受力的发展，但坑外土压力未经过一定的变形释放，附加给叠合墙的应力也会更大，在结构强度不够的情况下容易引起局部变形，进而产生渗水、裂缝等次生灾害。为有效解决半逆作法施工存在的潜在风险，在监测过程中还可加强叠合墙内力、变形监测，为盾构工作井及类似结构中推广相关施工工艺、设计人员调整相应参数提供更充分的依据。

[1]董林青.城市地下空间开发与利用研究[J].现代商贸工业,2010, 22(20):286-287.

[2]孙家鑫.对基坑监测工作关键环节的认识[J].河南科技,2013(11X): 167.

[3]DG/TJ08-2001-2006,基坑工程施工监测规范[S].

U455.43

B

1009-7716（2017）06-0198-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.059

2017-04-09

李雄飞（1983-），男，四川广安人，工程师，从事勘察设计工作。