大直径盾构隧道工作井环框梁计算方法及建议

杨国松，王海林，敬怀珺，蔡丽琴

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410008)

0 引 言

随着我国经济的快速发展，基础设施投入的力度进一步加大，越来越多的超大直径盾构隧道应需而生[1-3]。因盾构断面愈发加大，为满足盾构机的始发及接收要求，基坑深度也随之变深。由于盾构始发需要拆除内支撑，使得盾构井整体刚度降低，该工况下为围护结构、环框梁、侧墙整体受力，为保证工作井的安全，一般在盾构洞门圈上部设置一道较大断面的环框梁用于增强侧墙的水平刚度[4]。目前，对于大直径盾构隧道工作井始发阶段环框梁受力状态的计算方法尚存在争论，通过采用三维实体模型和二维大小刚度框架模型、二维平面荷载传递模型进行数值分析，并结合现场实际监测数据，校核各模型的准确性，提出了大直径盾构井环框梁相对合理的计算方法及建议[5]。

1 工程概况

珠江口隧道盾构始发井平面为矩形结构，长×宽为23.4 m×26.8 m，深25.35 m，地下四层结构，采用明挖逆作法施工，为保证基坑安全与稳定，盾构井开挖阶段采用连续墙+内支撑体系，连续墙厚1 000 mm，连续墙嵌固深度不小于5.0 m，基坑支撑系统采用5道混凝土支撑，第一道截面尺寸为800 mm×1 000 mm；第二道截面尺寸为1 000 mm×1 200 mm；第三、四、五道截面尺寸为1 200 mm×1 200 mm，第一道环框梁截面尺寸为1 200 mm×2 500 mm，第二道环框梁截面尺寸为2 000 mm×3 000 mm，第三、四、五道环框梁截面尺寸为2 000 mm×2 500 mm。主体结构顶板厚700 mm，夹层板厚200 mm，地下一层板厚400 mm，地下二层板厚400 mm，地下三层板厚200 mm，底板厚1 500 mm，侧墙厚1 200 mm。

2 地质概况

拟建盾构井地貌单元为珠江一级阶地，场区地形平缓，地面高程-0.3～-0.5 m，周边环境较简单，基坑开挖深度范围内地层以覆盖层为主，场区分布有地表水，水深0.5～1 m，施工前应对其进行抽排。地下水主要为赋存于中砂层中的孔隙式承压水，其与下伏基岩中基岩裂隙水构成统一含水层，具承压性。勘察期间，该层水位埋深约0.5 m左右，高程-0.8～-1 m。地勘资料揭露显示，场地范围内从上到下穿越地层主要为淤泥、粉质黏土、淤泥质土、中砂、全风化含砾砂岩、强风化含砾砂岩、弱风化含砾砂岩，基底位于全风化含砾砂岩，具体岩土参数设计建议值见表1。

表1 土层物理力学参数

3 三维实体模型数值计算

3.1 模型及荷载分布

通过采用midas GTS NX有限元软件建立盾构井三维实体模型，盾构始发阶段需拆除内部各道支撑，且内部结构中各层梁、板、柱均未施工，整个受力体系由地连墙、环框梁、主体结构侧墙及底板构成，洞门圈加强梁采用梁单元，地连墙及主体结构侧墙、底板采用板单元，围护结构、底板与土体接触均采用仅受压地基弹簧模拟，基床系数取41 MPa/m，同时通过约束后配套段的X、Y方向位移[6]，保证模型结构与实际相符。盾构井分别按正常使用极限状态、承载力极限状态进行计算，荷载取最不利组合进行设计，围护结构上的荷载为侧向水土压力、地面超载(考虑管片堆载引起的超载值)，底板上的荷载为竖向水浮力荷载[7]。

3.2 计算结果

盾构始发阶段，第二道环框梁为最不利构件，选取第二道环框梁为代表性构件进行研究，第二道环框梁My弯矩，最大弯矩为14 098.4 kN·m，最大变形为0.003 1 m。盾构井侧墙x方向最大变形为0.003 8 m，y方向最大变形为0.002 9 m。

4 二维模型数值计算

二维模型采用有限元软件SAP2000进行计算，荷载取值、地基弹簧系数及约束条件均与三维模型相同，对比分析采用大小刚度框架模型与板荷载传递模型所计算结果的区别。

4.1 大小刚度计算

各层环框梁与地连墙及主体结构侧墙作为盾构始发阶段内部框架的支撑体系，环框梁的支撑刚度取值既为施加于环框梁上的力与它引起的线位移之比。环框梁最小刚度发生在框架短边跨中位置，最大刚度发生在框架长边角部位置[8]。采用SAP2000有限元软件，建立计算环框梁最大、最小刚度的平面荷载-结构模型，对环框梁施加单位力，根据变形结果计算出环框梁的等效最大、最小刚度。

通过对计算出来的位移结果，根据刚度公式K=F/L，其中K为刚度，F为环框梁上的单位荷载，L为环框梁的位移，统计后的各道环框梁最大、最小刚度见表2。

表2 环框梁等效刚度值列表

4.2 二维大小刚度框架模型

盾构井建立侧墙、底板、连续墙的二维框架结构，作用于地连墙上的荷载为采用水土分算后的侧向水土压力、 考虑盾构始发时管片堆载的超载值，底板荷载为水浮力，与土体的接触部位施加弹簧刚度为41 MPa/m的仅受压地基弹簧，侧墙与连续墙之间采用仅受压虚拟连杆，各道环框梁节点位置采用同刚度的弹簧模拟，弹簧刚度系数即为所计算出来的环框梁最大、最小刚度。通过计算出环框梁处弹簧的节点力后反向施加于环框梁平面模型进行包络计算，最大、最小刚度节点力统计结果见表3。

表3 盾构始发阶段环框梁大小刚度节点力计算结果表

将二维大小刚度框架模型计算出来的节点力反向施加于环框梁平面模型，以此力计算环框梁的弯矩及变形。

通过该方法计算，第二道环框梁最小刚度计算结果中最大变形为0.019 m，最大刚度计算结果中最大变形为0.001 m，平均值为0.010 m，环框梁的最大弯矩为28 92.44 kN·m。

4.3 二维板荷载传递模型

工程中通常考虑的二维板荷载传递模型即假定盾构井地连墙、侧墙背后的水土压力、超载值经过侧墙传递后均集中到环框梁承担，荷载沿斜向45°集中于梁上，梁两端为固定约束。

第二道环框梁竖向荷载承担范围为6.33 m，顶部土压力为32.2 kPa，底部土压力49.92 kPa，顶部水压力为57.6 kPa，底部水压力为89.25 kPa，超载值为14 kPa，水平向梁跨度为23.4 m，分担范围均为弹性构件，计算结果显示环框梁最大弯矩为38 480.24 kN·m，最大变形为0.141 m。

5 现场实测

为更好的了解环框梁的实际受力性状，我们在盾构井及基坑周边制定了严格的监控措施，对环框梁、地连墙水平位移等方面进行监测[9-11]。盾构于2021年底始发，地连墙及环框梁水平位移最大值均出现于内支撑拆除之后，两者变形基本一致，具体变化情况见图1所示，地连墙最大水平位移为0.009 5 m，环框梁最大水平位移为0.009 2 m。

图1 地连墙及环框梁位移监测图

6 结论与建议

(1)采用大、小刚度的二维框架模型计算环框梁的受力及变形是适宜的，其变形平均值为0.010 1 m，与实际监测数据0.009 2 m基本一致，考虑到后续盾构掘进过程中，盾构井周边土体的蠕变及次固结，环框梁的变形也会相应小幅增加，因此，该方法在实际的环框梁设计中是相对合理的。

(2)环框梁计算采用二维板荷载传递模型其最大变形为0.141 m，与实际监测结果相差较大，此方法可能因其忽略了板的刚度，将环框梁作为单独构件计算，设计过程中若采用此方法，必然会造成浪费。

(3)盾构井三维模型中考虑下部几道环框梁与洞门圈加强梁节点完全耦合，未考虑盾构始发时对其的影响，环框梁最大变形为0.003 8 m，计算结果偏理想化。

盾构隧道始发前内支撑需要全部拆除，此时，整个基坑侧向为一个悬臂结构。过小刚度的环框梁可能会造成基坑坍塌，危及生命和财产安全。较大刚度的环框梁能够保证基坑的安全，但过于保守的设计必然会导致工程浪费。结合以上相关研究结论，建议大直径盾构井环框梁设计时采用二维大小刚度框架模型，该模型在保证基坑安全的前提下，能预留一定的安全储备。