盾构工作井基坑围护与主体结构一体化设计

摘 要：深圳市龙澜大道某市政配套管廊工程中，盾构工作井的基坑围护与主体结构采用一体化设计。盾构工作井的基坑围护采用地下连续墙+内支撑形式，内支撑为三道钢筋混凝土支撑+三道钢支撑。其中，第三、四道钢筋混凝土围檩、支撑与盾构工作井的主体结构框架永临结合。在盾构始发施工阶段，地下连续墙、盾构工作井的底板、内衬墙、上下层中框架及顶框架形成了整体受力体系。这一设计不仅提高了盾构工作井在盾构始发施工阶段的结构整体抗浮能力、安全稳定性，而且减少了拆除环节、缩短了工期、节省了造价。盾构工作井按施工工序采取三阶段设计，分别为基坑开挖及回筑底板、内衬墙阶段；盾构始发阶段及盾构使用阶段。

关键词：盾构工作井；一体化设计；施工工序；三阶段设计

中图分类号：TU473.2 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2024）09-0005-04

收稿日期：2024-04-03

作者简介：章萍（1977—），女，浙江宁波人，硕士研究生，高级工程师，从事市政结构设计。

1 工程概况

本项目为深圳市龙澜大道某市政配套管廊工程，施工工艺包括明挖法和盾构法，总长度约为2.16 km，其中，盾构段长度约为1.12 km，按盾构始发及管廊工艺要求，始发井平面尺寸为64.0 m×13.7 m。结合现场地形条件，周边建设条件，取整平地面标高为51.50 m，基坑开挖深度为24.85 m，最终完成的道路设计标高为48.30～49.91 m。图1为盾构始发井剖面图。

根据勘察资料，从上至下岩土层依次为：①1素填土、⑧1粉质黏土、⑮1全风化变质砂岩、⑮2-1土状强风化变质砂岩、⑮2-2块状强风化变质砂岩，结构底板持力层为⑮2-1土状强风化变质砂岩。

盾构始发井基坑支护形式为1.0 m厚地下连续墙+内支撑（三道钢筋混凝土支撑+三道钢支撑），结构形式为地下4层钢筋混凝土结构。主体结构混凝土强度等级为C40，抗渗等级为P12；第一道钢筋混凝土围檩及支撑的混凝土强度等级取C35，第三、四道钢筋混凝土围檩、支撑与主体结构框架永临结合[1]，混凝土强度等级取C40，抗渗等级取P12；顶板以上临时内衬墙混凝土强度等级取C35[2，3]。

结构抗震设防烈度为7度，抗震等级为三级。结构安全等级为一级，结构设计使用年限为100年。

2 施工工序设计

基坑围护采用地下连续墙+内支撑型式，内支撑为三道钢筋混凝土支撑+三道钢支撑，其中：第一道钢筋混凝土围檩及支撑构成顶框架，第三、四道钢筋混凝土围檩及支撑分别构成上、下层中框架。施工工序分6步，盾构始发井施工工序图如图2所示。

2.1 第一步

平整场地、施工地下连续墙。掏槽开挖至第一道钢筋混凝土围檩及支撑底，浇筑第一道钢筋混凝土围檩、支撑及挡墙，在围檩中预留内衬墙浇捣孔，并预留内衬墙的钢筋接驳器。

2.2 第二步

依次开挖到各道围檩及支撑底并施作各道围檩及支撑，并在第三、四道钢筋混凝土围檩中预留内衬墙浇捣孔，预留内衬墙、中板的钢筋接驳器，在支撑中预留中板、中隔墙的钢筋接驳器。开挖土体至基坑底。

2.3 第三步

施工垫层及底板，并设置泄水孔，预留内隔墙插筋，施工内衬墙至第六道钢围檩及支撑下方1.2 m，待底板及内衬墙达到设计强度，依次拆除第六、五道钢围檩及钢支撑。

2.4 第四步

浇筑内衬墙至第二道钢围檩及支撑下方1.2 m，浇筑上下层中板（扣除吊装口及出渣口）。待达到设计强度后，拆除第二道钢围檩及支撑，浇筑内衬墙至第一道钢筋混凝土围檩。待达到设计强度后封闭泄水孔，盾构始发。

2.5 第五步

盾构始发完成后，浇筑底板处素混凝土、工作井其余结构（顶板、地下一层板、上下层中框架处剩余中板、中隔墙、出顶板结构、楼梯等）。待顶板达到设计强度后，凿除第一道钢筋混凝土围檩及支撑、凿除地下连续墙及内衬墙至顶板标高，施工防水层。

2.6 第六步

整平至道路设计标高。

3 三阶段设计原则

3.1 基坑开挖及回筑底板、内衬墙阶段

盾构始发井基坑围护结构计算，地面超载按30 kPa计，围檩和支撑上活载按4 kPa计。根据《建筑基坑工程技术规程》（广东省）（DBJ/T 15-20—2016）及《基坑支护技术标准》（深圳市）（SJG 05—2020）的规定，本基坑支护结构安全等级为一级。基坑稳定性控制标准按表1执行。地下连续墙+内支撑支护结构顶部最大水平位移控制值取0.002 h与30 mm的较小值（h为基坑开挖深度）。

3.2 盾构始发阶段

工作井内衬墙浇筑完毕，钢围檩及支撑拆除，盾构范围内地下连续墙凿除，待结构达到强度后封闭泄水孔。地下连续墙、盾构工作井的底板、内衬墙、上下层中框架及顶框架形成了整体受力体系。结构内力计算时，水土压力采用水土合算，侧压力系数取综合侧压力系数0.7，地面超载取30 kPa。

3.3 盾构正常使用阶段

工作井其余结构（顶板、地下三层板、上下层中框架处剩余中板及中隔墙、出顶板结构、楼梯等）浇筑完成，顶板以上第一道钢筋混凝土围檩及支撑、地下连续墙及内衬墙凿除，地下连续墙及顶框架退出整体受力体系。结构内力计算时，各层板需考虑设备、装修荷载及活载，水土压力采用水土分算，地面超载取20 kPa。

4 结构设计分析

盾构工作井基坑围护与主体结构采用一体化设计。在盾构始发施工阶段，第三、四道钢筋混凝土围檩及支撑与主体结构框架永临结合。顶圈梁与地下连续墙、内衬墙整浇。第三、四道钢筋混凝土围檩与地下连续墙通过插筋连接。此阶段，地下连续墙、盾构工作井的底板、内衬墙、上下层中框架及顶框架形成了整体受力体系，主体结构与地下连续墙共同抗浮。在盾构使用阶段，将结构顶板以上内衬墙、第一道钢筋混凝土围檩及支撑凿除，使主体结构与地下连续墙整体抗浮受力体系解除。结构设计分析包括抗浮验算、计算分析。

4.1 抗浮验算

本工程抗浮设计等级为甲级，包括盾构始发阶和盾构使用阶段两部分。盾构始发阶段抗浮安全系数不小于1.05；盾构使用阶段抗浮安全系数不小于1.10[4]。 各阶段抗浮力分项见表2。

盾构始发阶段，地下连续墙、盾构工作井的底板、内衬墙、上下层中框架及顶框架形成了整体受力体系，主体结构与地下连续墙共同抗浮。抗浮验算可考虑地下连续墙浮重及其摩阻力作用。此阶段，抗浮力分项包括底板、地下二至三层板，第一、三、四道钢筋混凝土围檩及支撑，底板至第一道钢筋混凝土围檩底内衬墙，地下连续墙的浮重及摩阻力。浮力计算至整平地面标高。经计算，抗浮安全系数为1.35＞1.05，满足规范要求，若不考虑地下连续墙，抗浮安全系数仅为0.70。因此，基坑围护与主体结构一体化设计，大大提高了结构整体抗浮能力，结构无需另设抗拔桩抗浮，缩短了工期、节省了造价。

盾构使用阶段，将结构顶板以上内衬墙、第一道钢筋混凝土围檩及支撑凿除，使主体结构与地下连续墙整体抗浮受力体系解除。因此，抗浮验算不考虑地下连续墙浮重及其摩阻力STkXjoxrU2bKp3M42mi4WQ==作用。此阶段，抗浮力分项包括底板、地下一至三层板、顶板，第三、四道钢筋混凝土围檩及支撑，底板至顶板底内衬墙，底板至顶板底中隔墙，出顶板结构，底板上素混凝土，顶板上覆土。浮力计算至道路设计标高。经计算，抗浮系数为1.13＞1.10，满足规范要求。

4.2 计算分析

根据《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB 50068—2018），恒载分项系数γG=1.3，活载分项系数γQ=1.5，重要性系数γ0=1.1，活载调整系数γL为1.1。盾构工作井的构件设计以裂缝控制为主，因此先对构件按裂缝控制要求进行厚度及配筋设计，再对构件进行强度复核。盾构始发阶段，围檩及支撑构件裂缝按0.3 mm控制，底板、顶板以下内衬墙裂缝按0.2 mm控制，内部板、顶板上方临时内衬墙裂缝按0.3 mm控制。盾构使用阶段，顶、底板及内衬墙裂缝按0.2 mm控制，内部板、中隔墙裂缝按0.3 mm控制。

结构荷载包括结构自重①、侧压力②、装修荷载③、活载④、地面超载⑤9ZvGU+or94fHhmZxphvesQ==、地面超载引起的侧压力及⑥、水浮力⑦。荷载组合包括正常使用极限状态组合[①+②+③+④+⑤+⑥+⑦]和承载力极限状态组合[（①+②+③+⑦）×1.3×1.1+（④+⑤+⑥）× 1.5×1.1×1.1]。正常使用极限状态组合，用于对构件按裂缝控制要求进行厚度及配筋设计，承载力极限状态组合用于对构件进行强度复核。

计算分析包括包盾构始发阶段和使用阶段两部分。第三、四道钢筋混凝土围檩、支撑与盾构工作井的主体结构框架永临结合，需另进行基坑开挖阶段的分析计算。

盾构始发阶段和使用阶段采用MIDAS GEN 2022计算软件，墙、板采用仅受压弹性板单元模拟，框架采用梁单元模拟，底板持力层为土状或块状强风化变质砂岩，模拟K为40 000 kN/m2仅受压的弹性地基板；基坑围护与结构侧墙间回填压实，侧墙模拟K为10 000 kN/m2仅受压的弹性地基板；并将始发阶段地下连续墙的作用模拟为周圈Z向固定约束。基坑开挖计算采用同济启明星frws9.0及BSC5.0计算软件。盾构始发井始发阶段构件详见表3，使用阶段构件详见表4。

构件计算取正常使用极限状态内力，按裂缝控制进行构件厚度及配筋设计，再对承载力极限状态内力计算结果进行强度复核。盾构始发阶段构件内力包括底板、内衬墙、上下层中框架楼板（扣除吊装口及出渣）、上下层中框架及顶框架围檩及支撑；使用阶段构件内力包括包括底板、内衬墙、3层中板、地下一层至二层围檩及支撑；此外，上、下层中框架还需满足基坑开挖阶段的强度和裂缝控制要求。计算分析结果表明，本工程中上、下层中框架围檩及支撑的作用主要体现在基坑开挖阶段，盾构始发阶段，地下连续墙、盾构工作井的底板、内衬墙、上下层中框架及顶框架形成了整体受力体系，上、下层中框架围檩及支撑的受力远小于基坑开挖阶段；盾构使用阶段，主体结构施工完毕，各层中板均已浇筑，楼板平面内接近无限刚性，此阶段更不是上、下层中框架围檩及支撑的受力控制状态。

5 结束语

在盾构始发施工阶段，第一道钢筋混凝土围檩与地下连续墙、内衬墙整浇，第三、四道钢筋混凝土围檩及支撑与主体结构框架永临结合，共同抗浮。这一设计思想大大提高了此阶段结构整体抗浮能力，结构无需另设抗拔桩抗浮，缩短了工期、节省了造价。

在盾构始发施工阶段，将基坑围护和主体结构进行一体化设计。这一设计思想不仅加强了工作井在盾构始发施工阶段的安全稳定性，而且减少了拆除环节，缩短了工期。此外，钢筋混凝土围檩及支撑兼做永久结构的框架也节省了材料造价。

将钢筋混凝土围檩及支撑与主体结构框架永临结合，需在围檩中预留内衬墙、中板等构件的钢筋接驳器，在支撑中预留中板、中隔墙等构件的钢筋接驳器，增加了钢筋接驳器的数量，施工时需仔细核对，避免遗漏。

钢筋混凝土围檩及支撑与主体结构框架永临结合，破坏了主体结构的防水整体性，在围檩的上下方形成了水平施工缝。设计考虑在围檩插筋处设遇水膨胀止水胶，在水平施工缝处涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料、设遇水膨胀止水胶及止水钢板、预埋注浆导管，并在水平施工缝外侧设防水加强层。

深圳市龙澜大道某市政配套管廊工程中，将基坑围护和主体结构进行一体化设计，已在实际的施工中得到了验证，取得了较好的经济和使用效益，希望本文提供的设计分析方法，对今后类似的工程设计有一定的参考价值。

参考文献

[1] 方卫，张恒.超大直径盾构法隧道工作井结构设计及实践[J].隧道与轨道交通，2020（1）：22-27.

[2] GB/T 50476-2019.混凝土结构耐久性设计标准[S].

[3] SJG 19-2019.深圳市建设工程防水技术标准[S].

[4] JGJ 476-2019.建筑工程抗浮技术标准[S].