摘要：以杭州某地下通道盾构端头井为工程实例，通过三维空间模型计算，分析了端头井主体结构在长期正常使用工况和盾构吊装孔未封闭时最不利工况下的受力状况。重点比较了端头井主体结构在最不利工况下，两侧内衬墙和洞边框架梁在相同和不同超载作用下的受力变化规律和特征。提出了在端头井内部结构设计过程中应合理考虑偏载工况对结构受力的不利影响。
关键词：盾构端头井；三维空间模型；盾构吊装；偏载工况
1 概述
地下通道区间隧道采用盾构法施工时，盾构机的安装和拆卸均在端头井内进行。因此，在施工期间，盾构端头井顶、中板需预留吊装孔。盾构吊装孔的存在大幅减弱了板的水平向刚度，所以端头井顶板和中板处需设置水平框架梁，框架梁和内衬墙共同承受端头井周边的水平向水土荷载以及地面超载引起的侧向压力。同时由于现场吊装的施工需要，在内衬墙的一侧施工场地上会有履带车等大型施工机械作用，对已做的端头井内衬墙和洞边框架梁会形成偏载作用，从而使盾构端头井主体结构的受力更趋复杂。为了确保盾构端头井在盾构吊装孔未封闭的施工阶段的安全，必须对端头井洞边框架梁、内衬墙以及底板建立空间模型进行准确的分析。同理，为了确保地下通道长期正常安全的使用，也必须对端头井顶板、中板、底板、内衬墙以及框架梁建立空间模型进行准确的分析。
1.1工程概况
本工程为杭州某地下通道盾构端头井，基坑深度为22.925m，围护结构为1.2m厚地下连续墙，坑内设置砼支撑+钢支撑，采用明挖顺作法施工。端头井内部结构外包尺寸为34.4m×21.4m，采用现浇钢筋混凝土箱型结构形式，顶板覆土厚度约为1.025m，容重取17.5KN/m3。
1.2 工程水文地质
根据地勘资料，端头井底板位于淤泥质粉质粘土中，拟建场地水文地质条件较为稳定，潜水埋藏较浅，常年水位埋深一般为现状地表下1.50～3.00m，地下水位以上土层常年处于毛细带内。盾构端头井主体结构位于常年地下水位以下。场区内浅层土对钢筋混凝土以及其中钢筋均具微腐蚀性。
场区内承压水层由晚更新统沉积成因的土层组成，主要有⑥4粉细砂、⑧2含砾粉细砂、⑩1含砾中砂、⑩3砾砂，各层土水力联系密切，属同一含水层，其透水性及赋水性中等。微承压含水层分布不连续。该含水层的隔水顶板主要为③2淤泥质粉质粘土、⑤层淤泥质粉质粘土、⑥2层粘土及⑦1层粉质粘土等，承压水的补给来源主要为基岩裂隙水的越流补给及地下迳流补给，根据附近地质资料其稳定水位标高约在-10.0m左右，高于隔水层底板，故具承压性，建议施工过程中设置降压井进行降压。
2 结构分析
2.1 计算模型与理论
本工程端头井内部结构采用复合式构造，地下墙和内衬墙之间设置防水隔离层，与端头井顶、底板防水层形成整体密封形式。所以内衬墙与地下墙之间不能传递剪力和弯矩，只能传递法向压力，因此墙面之间采用只能受压不能受拉的单向弹簧进行连接。考虑到地下连续墙采用锁口管柔性接头，幅与幅之间不能传递拉力，模拟地下连续墙时只能在纵向传力，不能在横向传力。结构底板面以下的地下墙对结构受力的影响不大，故在模型的建立过程中予以省略。在变形缝的地方对结构施加纵向的约束。
由于本端头井采用压顶梁的抗浮措施，压顶梁的钢筋与地下墙内预埋的钢筋连接，使得地下墙通过压顶梁参与端头井主体结构的整体抗浮。在长期正常使用工况的计算中，在顶板外边缘上建压顶梁，顶板外边缘节点与压顶梁节点设置仅受压弹簧，压顶梁节点与地下墙节点固结。
2.2 计算工况
按照工程筹划，此端头井为盾构接收井，为满足盾构机拆卸吊出的需求，端头井顶板、中板需预留 18.2m×13.7m 的盾构吊装孔。在施工过程中，对端头井内衬墙和框架梁而言，最不利的工况是其主要内部结构施工完毕而盾构吊装孔未封闭的状态，且在此工况下需考虑偏载对端头井主体结构的不利作用。对结构底板和顶板而言，其控制工况为长期正常使用工况。
2.3 计算荷载及组合
在盾构吊装孔未封闭工况下，端头井主体结构所受的荷载主要有自重、侧向水土压力、地基反力等恒载，以及地面超载引起的侧向压力。在长期正常使用工况下，端头井主体结构所受的荷载主要有自重、覆土、侧向水土压力、水反力等恒载，以及顶板超载和地面超载引起的侧向压力。
根据《地铁设计规范》的“条文说明”，施工阶段水土压力由围护结构承受；长期使用阶段需考虑止水帷幕的实效和地下水绕流等因素，水压力直接作用在内衬墙上。由此假设在盾构吊装孔未封闭工况下，地下墙承受全部的侧向土压力和水压力；在长期正常使用工况下，地下墙承受全部的侧向土压力，内衬墙承受全部的侧向水压力；水压力地下水位取地面以下0.5m。两种工况模型所加荷载示意图如图（一）和图（二）所示。
图（一）吊装孔未封闭工况荷载示意图
图（二）长期正常使用工况荷载示意图
对于端头井底板处的地基反力的大小和分布规律，在计算中采用竖向仅受压弹簧模拟地基反力，弹簧刚度按照坑底土的竖向基床系数取得。
地面超载分2种情况取值：①按照正常端头井地面超载30kpa进行计算；②当端头井一侧有履带吊装车作用时，此时端头井两侧存在偏载，根据施工单位提资，偏载侧按照100kpa计算。由于车站主体结构主要位于粉砂层，侧向水土压力按照分算确定，侧压力系数取0.7。
根据端头井上出现的工况和荷载，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载效应组合，并取各自的最不利组合进行设计。
荷载组合及分项系数如下：
准永久组合：
；其中活载
。
基本组合：
，恒载系数1.35，活载系数1.4，
。
2.4 计算结果分析
端头井的主要构件尺寸如下表一所示。
表（一）端头井主要构件尺寸及材料
根据上述荷载、工况、边界条件以及主要构件尺寸，建立三维空间模型进行计算分析，得到端头井两侧内衬墙和框架梁的弯矩如表（二）所示。
表（二）端头井两侧内衬墙和框架梁在两种工况下的弯矩值
3 结论与建议
通过以上计算分析，可得出以下几点结论：
（1）端头井内衬墙和框架梁在吊装孔未封闭工况和长期正常使用工况下的弯矩相差较大，应依据吊装孔未封闭工况的计算结果对其进行配筋设计。顶板和底板配筋由长期正常使用工况控制。
（2）在吊装孔未封闭工况下，应合理考虑实际施工过程中客观存在的偏载作用。在偏载作用下，与均布超载模型相比，端头井偏载侧及其对侧内衬墙及框架梁水平方向跨中和支座弯矩均增大，偏载侧跨中弯矩比支座弯矩增大幅度大些，其对侧支座弯矩比跨中弯矩增大幅度大些。在偏载作用下，与均布超载模型相比，端头井偏载侧和其对侧内衬墙竖直方向跨中和支座弯矩均增大，增大幅度基本一致。
论文作者:胡超荣
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/22
标签：工况论文; 盾构论文; 内衬论文; 弯矩论文; 荷载论文; 结构论文; 顶板论文; 《基层建设》2019年第12期论文;