地下连续墙在超深顶管井中的应用

2018-11-09何剑平

特种结构 2018年5期

关键词：管井泵房顶管

何剑平

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092）

引言

随着我国经济的不断发展，城市化进程不断加快，地下管线的需求量也在不断增加。顶管作为一种非开挖技术，得到了越来越广的应用。顶管井作为顶管始发和接收的地下作业空间结构，在顶管施工过程中尤为重要。

地下连续墙是通过挖孔成槽后，在地下浇筑成一圈连续的钢筋混凝土墙，为常见的深基坑围护形式，目前国内地下连续墙的施工技术成熟，适用于多种地基条件。

地下连续墙具有防渗性能好、工效高、工期短、质量可靠、变形小、对邻近建（构）筑物影响小等优势，随着城市可利用空地越来越少，顶管深度越来越深，顶管井邻近必然存在施工开挖时受影响的建（构）筑物，近些年，地下连续墙顶管井在实际工程中应用越来越多。本文通过对闵奉原水支线直径最大、深度最深的地下连续墙顶管井的计算分析，为超深地下连续墙施工提供理论依据。

1 工程背景

闵奉原水支线工程规模为215万m3／d，工程全线共分6个标段，C3标输水管线全长为789m，其中顶管段长度约436m，全线管道为DN3000和DN3600两种管径。JB1井为顶管工作井兼接收井，穿越黄埔江管段为接收，－8.00m标高处为顶管顶出。

2 场地周边环境及工程地质条件

JB1井位于松浦泵站东侧规划现状绿地内，基坑开挖影响范围内的建（构）筑物包括松浦泵站的泵房、调压池、黄浦江防汛墙等；其中井中心距离黄浦江防汛墙40.3m，距泵房最近距离为41.13m，距调压池最近距离为55.22m。由于H＜S≤2H（H为井深，S为距离），故根据上海市标准《基坑工程技术规范》（DB／T J08－61－2010）［1］，JB1井环境保护等级定义为二级，安全等级定义为一级。

根据工程地质勘察报告，基坑开挖范围内的土层主要为：①1层杂填土、②层粉质粘土c＝22.0kPa，φ＝17.5°；③层淤泥质粉质粘土c＝11.0kPa，φ＝16.0°；④ 层淤泥质粘土c＝11.0kPa，φ＝12.0°；⑤1－1层粉质粘土夹粘质粉土c＝13.0kPa，φ＝13.0°；⑤1－2层粉砂c＝14.0kPa，φ＝19.0°；⑤3－1层粉质粘土c＝15.0kPa，φ＝15.0°；⑦2粉砂层c＝3.0kPa，φ＝31.0°。坑底位于⑤3－1层粉质粘土中，墙底位于⑦2粉砂层。

3 顶管井围护形式选型

根据上海地区多年来软土地下工程建设的实践经验，通过对基坑周边环境条件和水文地质条件的研究，顶管用工作井和接收井一般有沉井、地下连续墙（以下简称地连墙）、SMW工法井、灌注桩＋止水帷幕等形式。

沉井施工工艺成熟，适用于各种开挖深度的基坑，不仅是顶管施工时的工作坑、接收坑，施工完成后可作为排水、排气等工艺井使用，但沉井下沉时对周边环境影响较大。

地连墙作为围护墙时，一般用于10m～60m深的顶管井。地连墙刚度大，止水效果好，基坑开挖时由于地下连续墙为钢筋混凝土实体，因此只要支撑体系有足够的刚度，基坑变形较小，尤其适用于附近有重要建筑物，环境要求较高的基坑。

SMW工法井为三轴水泥土搅拌桩插H型钢作围护墙，同时具有挡土、防渗作用。具有经济性好、施工速度快的优势，上海地区一般用于开挖深度≤14m的顶管井。

灌注桩＋内支撑形成围护结构，高压旋喷桩或水泥土搅拌桩形成止水帷幕，灌注桩＋止水帷幕的墙体刚度大，对周边地基扰动小，对邻近建（构）筑物的影响小，开挖深度介于地连墙和SMW工法之间。

在经济方面，以上几者相较而言，沉井的费用较低；地连墙和灌注桩围护需施工钢筋混凝土内衬，费用较高；SMW工法的费用不高，但适用深度较浅。

由于过黄浦江段的JB1顶管井深度达33m，结合工程地质水文条件、周边环境、经济性、安全性等方面综合比较后，确定JB1顶管井采用地连墙围护结构形式。

4 地连墙平面形式及尺寸确定

顶管井平面形状有矩形和圆形两种。由于本工程顶管管线埋设达30m，走向空间曲折敷设，采用圆形井较为适应转角要求，同时圆形井在水土压力下受力性能较好，可以设置环梁作为围护结构的支撑，无需再另设其他支撑结构，有利于顶管的施工，因此本工程顶管井基本采用圆形井。

根据《顶管工程施工规程》（DG／T J08－2049－2016）［2］，工作井的长度由后座、主油缸、工具管、钢管管节等长度及施工余量之和确定；宽度对浅井为管道外径＋（1.6～3.0）m，对深井为3倍管道外径＋（1.6～3.0）m；深度应满足顶管底与底板间净空不小于0.7m，同时顶管井的平面尺寸需要满足管道水平和竖向弯头在井中的布置要求。JB1井一端接收，一端顶出，管道内部走向复杂，采用常规平面及剖面设计已无法精准考虑内部柱、拉梁、楼梯、环梁等结构构件同弯折的2根大口径管道的碰撞，故JB1井采用CAD进行三维建模，根据三维建模结果，通过调整内部结构构件的合理布置，从而避免碰撞等问题产生。

综上确定，JB1地连墙顶管井深度为33.02m，内径为24.6m，围护结构平面及剖面示意见图1，三维模型见图2。

图1 JB1井围护结构平面及剖面示意Fig.1 The Plan and section of retaining structure of JB1 well

5 计算原则及结果分析

图2 JB1井三维模型Fig.2 The 3D model of JB1 well

顶管井基坑围护结构的主要计算原则为：侧向土压力按照朗金主动土压力公式计算，采用水土分算。地面超载：基坑施工期间按20kN／m2计。侧向基床系数、地基土极限承载力根据地勘报告结合上海市《基坑工程技术规范》取值。

围护结构内力计算考虑沿纵向取单位长度按弹性地基梁进行计算，地层对墙体的抗力作用采用一系列弹簧进行模拟，计算时计入结构的先期位移以及支撑的变形，按“先变形，后支撑”的原则进行结构分析。确定围护结构的入土深度时，应根据坑底土层的工程力学指标进行墙体的抗滑动、抗倾覆和整体稳定性计算以及墙前基底土体的抗隆起和抗管涌稳定性验算，并结合上海地区软土深基坑的施工经验确定。

根据上述原则，经启明星软件计算后，围护结构位移、弯矩、剪力见图3，基坑围护结构各项稳定性系数为：坑底抗隆起验算值2.35＞2.2；墙底地基承载力验算值8.98＞2.5；抗倾覆稳定性验算值5.77＞1.2；抗渗流稳定性验算值2.22＞2.0。各项稳定性满足安全等级一级基坑标准。

图3 JB1井围护结构位移、弯矩、剪力包络图Fig.3 The displacement，bending moment，shear envelope diagram of retaining structure of JB1 well

按照上海市标准《基坑工程技术规范》基坑变形设计控制指标，围护结构计算值最大侧移40.8mm＜0.3%H＝99mm，坑外地表最大沉降按照上海市标准《基坑工程技术规范》经验公式估算最大沉降为0.8 ×40.8＝32.64mm ＜0.25%H＝82.5mm，满足环境等级二级基坑变形保护要求。

6 基坑施工对周边环境的影响

本文仅针对JB1基坑对防汛墙、泵房、调压池的影响进行安全分析。

上海市防汛设施工程范围内地面施工期最大沉降不得大于1cm；防汛工程设施，墙顶位移不得大于1cm。根据《地基基础设计规范》（DB J08－11－2010）［3］、《建筑地基基础设计规范》（GB 50007－2011）［4］及以往工程经验，对周边建筑绝对沉降按2cm控制，房屋倾斜率按0.15%控制。

采用Plaxis有限元软件进行连续介质数值计算，根据上海市标准《基坑工程技术规范》，由于基坑开挖时对2倍开挖深度范围内的周边环境影响较大，故取周边土体范围80m进行分析计算。土层采用Hardening-Soil模型，此模型可以考虑土体在卸载、再加载和重加载下其刚度的不同，在基坑开挖类工程得到了广泛的应用。基坑围护墙采用线弹性模型的梁单元模拟，支撑采用桁架单元。Plaxis软件可考虑结构与土层的界面强度及刚度弱化，故在结构单元与土层之间设接触面。结构单元的参数通过实际截面尺寸、间距向平面应变计算模式进行换算。

经Plaxis软件计算，JB1基坑开挖围护结构最大水平位移为60.55mm。由于土体的卸载，坑内土体回弹，带动围护墙体出现一定的隆起，约6mm。由图4可知，防汛墙处沉降约6mm，由图5可知防汛墙处水平位移为5.72mm。泵房结构处沉降和水平位移均＜10mm，沉降差＜10mm，水泵轴线偏差＜8mm，且待泵房使用前可以采取措施对轨道及水泵进行调整，因此，基坑开挖对泵房运行产生的影响处于可控状态。同样，调压池也处于可控状态。