滇中引水工程龙泉倒虹吸盾构接收井围护结构设计

杨小龙,韩雪丹,朱国金,王 超

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

龙泉倒虹吸为滇中引水工程总干渠昆明段输水建筑物，位于昆明市北市区，上接龙泉隧洞、下连昆呈隧洞，进口位于龙泉镇昆明重机厂附近，距龙泉路约83m，线路基本沿沣源路布置，沿线依次经过龙泉路、盘龙江、北京路和已开通的地铁2号线，出口位于沣源路与昆曲高速交叉转盘处西南角，全长5.07km，盘龙江前段、后段设计流量分别为70.55m3/s，线路平均埋深约25m。

龙泉倒虹吸出口布置于沣源路与昆曲高速交叉转盘处西南角。龙泉倒虹吸出口施工期作为盾构接收井外，还作为昆呈隧洞进口段的施工通道。倒虹吸出口采用圆形竖井结构，内径15m，外径17m，基坑深77m。在出口竖井承担的施工通道任务完成后将改造为倒虹吸出口，主要布置龙泉倒虹吸出水池、龙泉节制闸，衔接龙泉倒虹吸与昆呈隧洞承担输水任务。

1 接收井围护结构的比选

基坑工程在我国出现较晚，20世纪70年代，国内只在少数大工程项目中有开挖深度达10m以上的基坑工程，而且是在较少或者没有相邻建筑物和地下结构物的地区。80年代以来，我国首先在北京、上海、广州、深圳等大型城市大量兴建高层建筑,而高层建筑多数带有地下室，基坑支护工程随之剧增，基坑支护设计、施工与监测成为基础工程中的新热点。90年代以后，大多数城市都进入了大规模的旧城改造阶段，在繁华的市区内进行深基坑开挖。高层和超高层建筑物的大批建造，在工程设计上为满足稳定性要求和地下空间的开发利用，一般都要设置多层地下室。在城市的密集建筑群内建造大厦做深基础的基坑工程越来越多。

早期的基坑开挖常采用放坡形式，后来随着开挖深度的增加，放坡面空间受到了限制，产生了围护开挖。基坑围护类型有很多种，常见的有水泥土墙、土钉墙、锚杆、排桩与地下连续墙等。其中水泥土墙主要包括水泥土搅拌桩和高压喷射注浆法两种。排桩墙支护体系，是由桩排式围护墙或地下连续墙组成的围护墙、支撑体系、防渗结构所构成的防水挡土体系。支护墙体的主要形式有:钢板桩、钢筋混凝土板桩、H型钢木挡板、钻孔灌注桩、SMW围护结构和地下连续墙。或者从基坑围护机制来分，基坑支护方法可分为放坡开挖、悬臂围护、拉锚围护、组合型围护等。放坡开挖需要较大的工作面，且开挖土方量较大，在条件允许的情况下，至今仍然不失为基坑围护的好方法。悬臂围护是指不带内撑和拉锚的围护结构，可以通过设置钢板桩和钢筋混凝土桩形成围护结构。为了挖掘围护结构材料的潜在能力，使围护结构形式更加合理，并能适合各种基坑形式，综合利用“空间效应”，发展了组合型围护形式[1- 3]。

通过对国内外100座基坑深度、围护方式和基坑尺寸调研统计，结果表明，国内外基坑所采用的围护结构方法主要是地下连续墙、钻孔灌注桩、土钉墙和组合型结构[4- 6]。使用地下连续墙作为围护结构的基坑深度分布范围为12～50m。使用钻孔灌注桩作为围护结构的基坑深度分布范围为7～37m。旋喷桩普遍在基坑深度较浅时使用，分布范围为8～16m。土钉墙也普遍在基坑深度较浅时使用，分布范围为9～20m。其他还有组合型围护等其他围护方式。在基坑深度较深时普遍采用地下连续墙，地下连续墙适用的基坑深度范围也更广。龙泉倒虹吸盾构接收井深78.3m，超过本调研统计的基坑深度，龙泉倒虹吸盾构接收井的支护方式为地下连续墙，与目前基坑围护的主流方式相吻合。

图1 龙泉倒虹吸出口平面图

地下连续墙厚度取值一般为0.5、0.8、1.0、1.2、1.5m。调研样本中使用地下连续墙围护的基坑共38个。其中厚度为0.8m的地下连续墙应用最多，为22个。厚度为0.5m的和1.5m的地下连续墙应用最少，均为2个。厚度为1.0m的和1.2m的地下连续墙应用较少，均为6个。采用地下连续墙作为围护结构的基坑，深度分布范围为12.8～49.8m。当基坑深度为12.8～30m时，地下连续墙的厚度普遍为0.8m，少量采用了0.5m和1m的厚度；当基坑深度大于30m时，地下连续墙厚度均在1.0m以上，当基坑深度超过40m时，地下连续墙体厚度可达1.5m。龙泉倒虹吸盾构接收井深78.3m，采用地下连续墙支护，地下连续墙厚1.5m，在基坑深度较深时地下连续墙厚度在1.5m或以上较为合适，与调研结果相符。

2 接收井围护结构方案

2.1 接收井布置

龙泉倒虹吸出口布置于沣源路与昆曲高速交叉转盘处西南角，采用圆形结构，内径15m，外径17m，出口基坑建基高程为1886.70m，永久结构顶高程为1963.90m，室外地坪高程为1963.70m，永久结构总高度77.2m，基坑深77.0m。

基坑围护结构采用1.5m厚地下连续墙，施工过程中采用1m厚钢筋混凝土内衬跟进支护以形成满堂内支撑。地下连续墙墙顶冠梁高4m，连续墙顶高程1961.40m，墙底高程1867.40m，总深度94.0m，连续墙入土深度深度19.3m，入土比0.25。

如图1和图2所示，在龙泉倒虹吸盾构施工完成后接收井将改造为倒虹吸出口段，主要布置龙泉倒虹吸出水池、龙泉节制闸，衔接龙泉倒虹吸与昆呈隧洞。龙泉倒虹吸节制闸设工作门及检修门各一扇，闸门孔口尺寸为5m×7.22m(宽×高)。闸底板高程为1893.573m，闸室平台高程为1906.250m，采用液压油缸，启闭设备布置高程为1916.75m，闸室顶部高程为1962.950m，室外地坪高程为1962.550m。闸室内设电梯及楼梯各一把通向室外。

为便于调度运行，尽量减少运行期龙泉节制闸操作频次，在龙泉倒虹吸接收井内设两个溢流堰，溢流堰与龙泉节制闸共同运用以控制龙泉分水口及龙泉倒虹吸进出口水位。溢流堰布置于流道两侧，采用薄壁堰，堰宽2m，堰顶高程为1901.573m，堰高8m。

图2 龙泉倒虹吸出口剖面图

2.2 接收井基坑围护结构方案

2.2.1 接收井基坑围护结构型式

龙泉倒虹吸盾构接收井主体结构基坑开挖直径17m，基坑深度77m，基坑附近分布有昆曲高速及沣源路等城市重要基础设施，根据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》[7]规定，基坑结构安全等级为一级。根据地质勘察资料，接收井均位于第三系土层中，所涉及的主要土层有：湖、洪、冲积层的砾石、粉细砂夹含砾砂黏土、泥炭等；湖、洪沉积层的砾石、细砂、粉砂、泥夹泥炭或草煤等；洪、冲积层的砂卵砾石夹粉砂等。接收井基坑场地为软弱土，开挖直径大、深度深，基坑围护结构选用刚度较大、整体性较好的地下连续墙结构，基坑开挖过程中采用逆作法在地下连续墙内施做环形混凝土内衬形成支撑结构。

2.2.2 接收井基坑主要尺寸

根据滇中引水工程总干渠输水要求、施工期盾构机接收、昆呈隧洞前段钻爆施工出渣、永久结构布置等确定接收井主要尺寸如下：接收井基坑底部高程为1886.70m，室外地坪高程为1963.70m，基坑深77.0m。基坑采用圆形结构，围护结构由地下连续墙及混凝土内支撑组成。地下连续墙厚1.5m，外径20m，内径17m。施工过程中采用1m厚钢筋混凝土内衬跟进支护形成满堂内支撑，混凝土内衬外径17m，内径15m。墙底高程为1867.40m，连续墙顶冠梁高4m，连续墙顶高程为1961.40m，地下连续墙深94m，嵌岩深度19.3m。

2.2.3 基坑围护结构主要材料

2.2.4 地下连续墙槽段划分

接收井地下连续墙采用铣槽机成槽，共划分14个槽段，一、二期槽段各7个。一期槽段三铣成槽，二期槽段一铣成槽。一、二期槽段间采用铣接头。

2.2.5 初拟基坑开挖步骤

根据接收井地层分布及其物理力学参数确定接收井共分32层进行开挖，其中：1963.70～1924.70m高程共39m，分13层开挖，每层开挖厚度3m；1924.70～1886.70m高程共38m，分19层开挖，每层开挖厚度2m。接收井基坑开挖过程中每步开挖完成后均施工内衬，待内衬结构达到强度后再进行下一步开挖。

3 接收井围护结构计算

龙泉倒虹吸接收井基坑触及土体种类多、性状差，基坑深度达77m，属超深软土基坑，伴随着基坑开挖深度的增加，与之对应的施工步骤增多，导致基坑支护体系的位移、力学演变过程复杂。近些年来，随着城市基础设施建设的大量开展，深基坑工程大量涌现，各种技术难题层出不穷，到目前为止，虽已有较多的深基坑开挖成功案例，但对开挖深度接近80m的超深基坑的施工变形控制、力学特性演变和土工病害的防治等方面所开展的研究并不多，针对本工程中所面临的城区地下连续墙深基坑开挖的变形分析及安全控制技术研究等关键技术还没有成熟的经验可供参考。综合现有技术手段及接收井圆形结构特点，采用理正深基坑软件、JTGD 63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》[8]规定的竖向弹性地基梁法及整体有限元法对基坑开挖过程中的整体稳定性、地下连续墙及混凝土内衬的变形特性及受力特性进行了分析，主要计算成果如下。

3.1 整体稳定

理正深基坑软件计算采用瑞典条分法，计算得到整体稳定最小安全系数为5.77，满足规范不小于1.35的要求。

整体有限元计算成果表明基坑开挖过程中塑性单元主要分布在基坑开挖底部及连续墙外侧小范围内，塑性区未与坑外土体连成一体，数值模拟开挖结果显示基坑整体稳定性满足要求且具有较高安全裕度。

3.2 抗倾覆稳定计算

根据类似工程经验，圆形基坑工程一般存在以下安全隐患:①地下连续墙按圆形轮廓布置，采用分槽开挖、分段浇筑；②地下连续墙施工中，一、二期槽段接缝位置是薄弱环节，容易浇筑不密实，甚至可能出现空腔、宽缝、充泥、夹砂、漏水、开“裤衩”等缺陷，竖向墙体承载后需要产生足够大的径向变形，接缝才有可能挤紧成环，否则就成了开口圆环，只要有一幅墙没有做好，地下连墙就成了单独受力的竖向地基梁，有破坏可能。

试验用玉米品种为正德306，供试氮肥为尿素（含N46%），磷肥为重过磷酸钙（含P2O546%），钾肥为硫酸钾（含K2O50%），增效尿素肥料（含N23%）。

结合本基坑特点，其抗倾覆破坏模式为踢脚破坏模式，即：基坑开挖过程中已施作混凝土内衬的墙段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)，已开挖但还未施作混凝土内衬的墙段抗倾失稳模式为绕已施作内衬混凝土底缘的转动破坏。

按上述模式对拟定的所有开挖步骤进行了抗倾覆稳定分析，成果表明最小抗倾覆稳定安全系数为1.484，出现在基坑开挖至67m时，最小抗倾覆稳定安全系数大于1.250，满足规范要求。

3.3 抗隆起稳定计算

3.3.1 支护底部抗隆起

根据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》规定，计算支护底部抗隆起稳定性，计算成果表明支护结构底部抗隆起稳定安全系数为29.004，抗隆起稳定满足要求。

3.3.2 坑底抗隆起

坑底抗隆起按以最下层支点为转动轴心的圆弧条分法计算，计算结果表明坑底最小抗隆起安全系数为2.86，满足规范不小于2.2的要求。

3.4 连续墙嵌固段土反力验算

依据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》对接收井基坑地下连续墙嵌固段上的基坑内侧分布土反力进行了验算，验算成果表明基坑开挖过程中作用在挡土构件嵌固段上的基坑内侧土反力合力均小于作用在挡土构件嵌固段上的被动土压力合力，满足要求。

3.5 基坑开挖过程变形分析

3.5.1 地下连续墙水平变形

基坑开挖过程中地下连续墙水平向位移变化呈现收敛状态，即连续墙总体向基坑内侧变形，表现出随着开挖深度的增加而逐渐变大的趋势。整体有限元计算得到最大位移值为3.88mm，出现在竖井施工完成时。连续墙水平变形量值较小，说明圆形结构及逆作法有效限制了基坑开挖过程中的变形。

3.5.2 基坑周边竖向变形

计算成果表明，基坑开挖过程中基坑外竖向位移量值较小，且竖向位移值随着该处与墙距离的增大而减小，其最大变形量值为6.5mm。竖井开挖对邻近的昆曲高速及沣源路(道路距基坑的距离分别为67m和80m)的影响有限，计算得到竖井基坑开挖引起的两条道路最大竖向位移值约为0.3mm。

3.5.3 基坑开挖过程中底部回弹位移

有限元模拟计算成果显示，基坑开挖过程中坑底的回弹规律基本相似，即坑底中心区域回弹位移最大，靠近支护结构处回弹位移最小。从量值上分析，若记中心区域回弹位移为“1”，则坑底的回弹位移值主要位于0.5～1间，且位移的收敛(减小)主要集中在靠近支护结构附近区域。

开挖深度63m内，随着开挖的进行，每一步开挖结束后的坑底回弹量逐渐变大，最大回弹位移达0.99m；开挖深度63～77m，随着开挖的进行，每一步开挖结束后的坑底回弹量逐渐变小，最小回弹位移为0.5m，出现在开挖完成的。分析出现上述位移变化规律的原因，主要是受土层参数差异较大的影响。

3.6 抗浮验算

接收井基坑围护结构抗浮稳定计算依据GB 50157—2013《地铁设计规范》[9]进行计算。

根据地勘资料，接收井地下水水位位于地面以下约3.5m，保守考虑，抗浮验算中地下水位取至地面高程。抗浮验算中仅考虑连续墙及内衬结构自重(不计侧壁摩阻力及内部永久结构自重)。经计算，抗浮安全系数为1.23，满足规范不得小于1.05要求。

表1 接收井地下连续墙结构计算成果

3.7 地下连续墙结构配筋

地下连续墙采用1.5m厚钢筋混凝土结构。接收井基坑采用分层开挖方式，每层开挖完成后立即施作内支撑结构，内支撑结构施工完成后再进行下一层开挖。接收井地下连续墙混凝土采用C35(抗渗等级W10)，受力钢筋及分布钢筋均采用HRB400，箍筋及拉筋采用HPB300。考虑到地下连续墙容易浇筑不密实等问题，计算中地下连续墙混凝土抗压、抗拉强度设计值按规范值的0.7取值，钢筋抗压、抗拉强度设计值均按规范规定取值。地下连续墙迎土面钢筋保护层厚度为70mm，背土面钢筋保护层厚度为50mm。

根据连续墙结构受力计算成果，依据SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》[10]及JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》相关规定对地下连续墙进行结构计算。接收井地下连续墙竖向配筋计算成果见表1。

连续墙环向主要承受轴力，其弯矩值较小，经计算按构造配筋即可。

3.8 内支撑结构配筋

为保障施工期基坑稳定，在接收井基坑开挖过程中采用1m厚钢筋混凝土结构作为基坑内支撑结构，每层开挖完成后施作完成内支撑结构后再进行下一层开挖。

内支撑为圆形结构，水土压力作用基本为均布对称荷载，理论上内支撑在外荷载作用下只产生环向压力。内支撑结构主要承受荷载为基坑外各土层水土压力，考虑到地下连续墙采用分槽开挖、分段浇筑，一、二期槽段接缝位置是薄弱环节，容易浇筑不密实，甚至可能出现空腔、宽缝、充泥、夹砂等缺陷，竖向墙体承载后需要产生足够大的径向变形，接缝才有可能挤紧成环，否则就成了开口圆环。保守考虑，内支撑结构计算中作如下假定：

(1)考虑到连续墙为分幅施工，计算中假定基坑外各土层水土压力全部由内支撑结构承受，即地下连续墙仅起传递荷载作用。

(2)内支撑为圆形结构，在均布荷载作用下理论上无弯矩作用产生，保守考虑，按类似工程经验人为在基坑外周施加两个相对不均匀的主动土压力，即在基坑外周两个对向的各土层内摩擦角φ分别按稳定计算取值±5°考虑，对于内摩擦角φ值为0土层在对向按+5°考虑。

内支撑结构混凝土采用C35混凝土(抗渗等级W10)，受力钢筋及分布钢筋均采用HRB400，箍筋及拉筋采用HPB300。计算中混凝土及钢筋的抗压、抗拉强度设计值均按规范规定取值。内支撑混凝土保护层厚度为50mm。

根据上述假定，依据SL 191—2008及JGJ 120—2012相关规定对内支撑进行结构计算。

计算中地下水位取至室外地坪高程，基坑外水土压力采用水土分算法。龙泉倒虹吸接收井内支撑结构计算成果见表2。

表2 出口内支撑结构配筋计算成果

3.9 底板结构配筋

接收井基坑开挖完成后施作基坑底板，底板厚2.5m，采用C35混凝土(抗渗等级W10)，受力钢筋及分布钢筋均采用HRB400，箍筋及拉筋采用HPB300。底板采用理正软件按弹性板整体计算，计算中地下水位取至室外地坪高程，控制工况为基坑底板施工完成工况(内部永久结构未施作，扬压力按建基面至地面全水头考虑)。计算成果见表3。

表3 出口内支撑结构配筋计算成果

4 基坑预加固

龙泉节倒虹吸盾构接收井基坑开挖涉及土层种类多、性状差，特别是处于基坑底部附近的褐煤夹有机质黏土层其力学性能极差，透水性较好。接收井地下水随含水层呈多层结构分布，在接收井基坑底部揭露的岩溶裂隙水具承压性，且基坑底部的基岩较为破碎、透水率较大。考虑基坑底部白云岩较为破碎，其可灌性较好，为降低基坑开挖过程中涌突水风险，同时考虑基坑开挖面积有限，从工程可操作性出发，选择在基坑开挖至1906.70m高程(距基坑底部20m)时对基坑建基面以上1m及建基面以下19m厚土层及基岩进行预固结灌浆处理。固结灌浆的主要目的为基坑堵水，即灌浆岩体与地下连续墙形成杯形防水体系。

5 结语

滇中引水工程龙泉倒虹吸盾构接收井内径15m，基坑深77m。龙泉倒虹吸盾构接收井处于第四系地层，土体结构松散、抗剪强度低、自稳性极差，易发生垮塌，施工过程中存在诱发流土、管涌和接触流失等渗透变形问题，加之盾构机接收井规模巨大，基坑变形、稳定问题十分突出，且盾构接收井位于昆曲高速与沣源路交叉处西南角，地面环境十分复杂，在初步设计阶段完成了接收井围护结构方案的设计，在实施阶段，还需进一步研究以下三方面的问题：

(1)超深圆形基坑施工力学特性与变形规律复杂问题。目前，国内关于超深圆形基坑受力与变形规律研究方面的内容较少，规范与理论依据不足，前期基于对超深基坑存在问题的认知基于不同的假设开展了基坑开挖过程中受力与变形方面的研究。需进一步掌握圆形基坑施工中的力学特性与变形规律，优化施工及制订监测方案。

(2)复杂地层条件下深大基坑施工及其安全控制技术问题。龙泉倒虹吸接收井触及土层十分复杂，力学特性各异，且存在多层水情况，为确保施工安全，需根据基坑施工过程及现场监测数据，反演岩土体变形规律及地下连续墙体的受力规律，评估各施工工序下深大基坑的稳定性与墙体结构的安全性。

(3)基坑施工引起周边环境土工病害问题。龙泉倒虹吸接收井基坑邻近昆曲高速，基坑近接影响复杂。需采用数值仿真技术，分析基坑不同施工开挖阶段对既有周边环境的影响，提出相应的施工方案调整措施及预防措施。