深圳市城际铁路工程区间圆形工作井形式及计算方法研究

2022-12-13李潇LIXiao

价值工程 2022年34期

李潇 LI Xiao

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510010）

1 研究背景

根据粤港澳大湾区城际网规划。深圳近期建设5个项目，项目总长约410公里，总投资约2018亿元，其中，城际项目3个，于2020年年初开展可研阶段工作。分别为：深大城际：69.2km，设站11座，设九围动车段1座；深惠城际：59.4km，设站10座；龙大城际：39.5km，设站6座，设新大存车场一座。

城际铁路长大区间较多，且埋深更大，因此对投资的影响更为显著；受制于曲线半径大，下穿众多控制点（高速公路、市政桥梁、建筑物、轨道交通、供水设施等），区间平均埋深在50m左右，工作井深度在40-60m。

从结构形式上，需要优化围护和主体结构形式，达到受力合理，截面优化，工效提高的目的。对于超深工作井，一方面随着深度的增加，水土压力也增大，围护结构截面也相应增加，从而造成投资增加；另一方面超深工作井支撑凿除或拆除周期长、风险大、工序衔接差、工效低。

从规模上，需要精细化设计，在保证工效的前提下优化工作井的规模。城际铁路车站多数为枢纽站，往往受到边界条件不稳定和拆迁的影响，多数不具备始发条件，因此区间工作井以（双）始发为主，规模也大于接收井。工作井对投资和工期的影响也更大。

2 工作井形式和规模

传统工作井采用矩形断面形式，地下连续墙+环框梁及内支撑顺筑法，但是随着埋深增加弯矩加大，从而造成地连墙截面大，并且需要设置中立柱和内支撑，影响施工，如图1所示。如果采用圆形地下连续墙+内衬墙逆筑（或环框梁顺筑法），受力较为合理，轴力大弯矩小，井内净空合理利用，不影响施工，经济安全。

图1 矩形工作井形式

圆形工作井考虑始发条件及主体结构形式可以采用三种方案。综合考虑推荐采用圆形工作井第三种形式。

第一种为端头采用砼端墙，无前后导洞，分体始发。采用逆顺结合，工作井主体范围顺筑，主体施工后施筑砼端墙，预埋洞口环板，分体始发。优点是洞门节点简单，整体性好，结构安全性高。缺点是施筑端墙后空间受限，盾构分体始发，施工工效低。为保证空间，工作井规模增大后不经济。如图2所示。

图2 圆形工作井形式一

第二种为端头采用洞口圈梁+环框梁，加设前后导洞，整体始发。采用顺筑或逆顺结合，工作井主体范围顺筑，将洞口圈梁施工完成后，破除洞门矿山法施作导洞，盾构始发。优点是工作井内净空可以做到利用最大化，加上前后导洞，可以实现盾构洞内整体始发，工效高。缺点是洞口节点复杂，对管片和圆形地连墙的削弱大，工程风险相对高。如图3所示。

图3 圆形工作井形式二

第三种为主体结构加强后，加设前后导洞，整体始发。采用逆顺结合，工作井主体范围顺筑，主体结构预留出洞和盾构始发条件，主体完成后破除洞门施作导洞，盾构始发。优点是融合了方案一和方案二的优点，在不增加规模的情况下做到整体始发，主体结构加强后圈梁和环框梁尺寸减小。工作井净空考虑始发、出渣、吊装、垂直电梯、风管布置等要求，其中受隧道洞门圈梁和始发施工作业空间控制。17.6m线间距前后导洞采用矿山空推管片的区间工作井内衬墙净空为33m；圈梁处设置暗柱，并与纵横向隔墙形成刚性连接，对开洞处加强。主机距离侧墙边1000mm（困难情况下不小于500mm）。工作井底板考虑盾构始发和接收要求，下沉1700mm，设置前后导洞。围护结构采用地下连续墙+内衬墙进行支护。采用一挖一衬的顺序拟筑施工。在主体结构以上部分为叠合墙体系。在主体范围采用逆筑复合墙体系，全包防水。内部隔墙采用顺筑，完成隔墙后灌填混凝土后破洞门开挖矿山盲洞。安全性相对较高，全包防水效果好。但防水节点需特殊处理，洞口圈梁范围逆筑工艺复杂。如图4所示。

图4 圆形工作井形式三

3 计算方法

3.1 结构内力分析方法

对于圆形地下连续墙，可供选择的计算方法有平面竖向弹性地基梁法、空间弹性地基板法、三维连续介质有限元法和有限差分法等。

虽然平面竖向弹性地基梁法已成为目前工程界普遍采用的计算方法，但是，对于空间效应明显的圆形基坑，采用平面弹性地基梁法求解地下连续墙的内力和变形时，忽略了圆形围护结构的三维拱效应，计算结果与实际受力情况不符，导致设计人员在设计时过于保守而造成资源浪费或者留下安全隐患。并且在平面分析模式下，作用在地下连续墙外侧的水土压力全部由内支撑体系和坑外土体的抗力来平衡，各道水平支撑产生的轴力较大，分析结果并不合理。

因此，对于空间效应明显的圆形地下连续墙，采用空间弹性地基板法和三维连续介质法分析地下连续墙的实际受力状态更为合理。

以某区间2#井为例，分别采用上述两种方法对其围护结构进行结构内力计算，计算结果显示空间弹性地基板法的内力明显小于平面竖向弹性地基梁法内力。如图5~图6所示。

图5 围护结构内力计算结果（平面竖向弹性地基梁法）

图6 围护结构弯矩计算结果（空间弹性地基板法）

3.2 平面竖向弹性地基梁法

①地连墙等效分布弹性系数。

圆形地连墙的空间效应，轴线对称结构取单位宽度的地下连续墙墙体作为竖向弹性地基梁。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019）附录T，圆形地连墙的环向效应可采用沿深度方向的弹性支撑来替代。

其中环向刚度折减系数应根据工程具体情况研究采用，主要考虑墙段间存在的泥皮对圆形地下连续墙墙体环向受压刚度的削弱。槽段混凝土是分期浇注的，由于采用泥浆护壁，二期槽段浇注时，在一、二期墙段间必然存在一定厚度的泥皮。基坑开挖时，外侧水土压力作用导致墙体环向受压，泥皮在压力作用下产生变形，从而削弱了墙体的环向刚度。圆形地下连续墙直径越大、槽段接头数越多、泥皮厚度越大，则削弱程度越大。削弱程度的取值，与施工单位的技术水平、经验密切相关，需要根据工程具体情况研究采用。武汉阳逻大桥南锚锭基础圆形地下连续墙支护结构受力计算中，采用了法国基础公司根据其多年经验提供的建议方法对a值进行了计算，算得a为0.417。根据信息化施工监测结果，墙体受力及变形状态与计算结果非常吻合。武汉阳逻大桥南锚锭基础圆形地下连续墙支护结构外径达73m，墙厚1.5m，最大墙深约61m，最大开挖深度约45m，己达相当规模，因此本条取用a低限值为0.4，能够包括一般情形下的圆形地下连续墙支护结构。a高限值取0.7主要参考了《港口工程地下连续墙结构设计与施工规程》。

②内衬墙、内环梁等效弹性系数。

内衬墙由于其整体性，充分考虑其空间效应，采用根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019）附录T，当圆形地下连续墙支护结构利用内环梁或内衬作支承时，可将内环梁或内衬墙以等效弹性支承来替代。

应考虑地层、地下水、地面荷载分布的不均匀性，以及圆环向外侧变形区域的土体对内环梁或内衬的约束作用。缺乏资料时，荷载作用的不均匀系数可取1.1~1.2，安全起见，按沿对角象限分布进行计算。