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提 要：本文详细地介绍了上海外环沉管隧道浦西风井超深基坑围护结构的设计，这对于进行开挖深度大于25m的超深基坑设计将提供重要的参考。
关键词：沉管隧道 超深基坑 风井支撑 钢格构柱 钢筋连接器
Abstract: This paper presents in detail the design of strutting & bracing structure for Puxi Ventilation shaft hyper-deep foundation pit at Taihe Road Cross river immersed tube tunnel, Outer Ring Roadway , to provide important reference to similar design of deeper than 25m foundation pit excavation.
Keywords: immersed tube tunnel, hyperdeep foundation pit, ventilation shaft, support/stay, steel grid column, rebar coupler.
1 引言
上海外环线泰和路越江隧道浦西风井是外环线沉管隧道的通风井，位于浦西岸边段PX26和PX25之间，浦西风井与沉放的第一节管段E1之间是PX27和PX26。浦西风井分地下建筑与地面建筑两部分，地下部分主要是双向8车道隧道、电缆层、变电所和下一层，地上部分主要是混凝土结构风塔（高30.92m）。
浦西风井基坑最深处深近26m，基坑沿隧道轴线长36m（隧道中心线处弧线长），宽44.2m（直线长），围护结构平面图、剖面图详见图1与图2。目前，上海市超过25m深的基坑很少（金茂大厦基坑深约20m），上海市“基坑工程设计规程”按基坑工程的重要性规定基坑开挖深度大于、等于10m即属一级基坑，浦西风井基坑的设计属于超深基坑的设计。
图1 浦西风井围护结构平面图
2 围护结构设计中采用的三项新技术
在浦西风井基坑设计中，使用了建设部1998年颁布的建筑业10项新技术中的三项新技术，这三项新技术是：
（1） 基坑工程的信息施工技术。在设计中考虑了时空效应的影响，制定了信息化施工的具体内容，如支撑到位时间、开挖工序及警报值等。信息施工技术是浦西风井基坑成败的关键，在回做过程中，亦严格规定了钢支撑的拆除时间及拆除顺序。
（2） 钢-混凝土组合结构技术。由于基坑跨度很大（42.2m），在基坑开挖时，采用不同规格的钢格构柱作为支撑的竖向支撑；在制作内部结构时，一部分钢格构柱外包混凝土作为内部结构的承重柱，这种结构强度大刚性好，并具有很好的抗震性、耐火性和耐腐蚀性等，还有些钢格构柱被拆除。这样一来，浦西风井的钢格构柱分成拆除和保留两种，保留钢格构柱就是采用了钢-混凝土组合结构技术。
（3） 粗直径钢筋连接技术。采用了数以万计的粗直径（d=32，28和25mm）钢筋连接器，给地下墙的设计增加了难度，因为风井中有六层楼板要留接驳器，另外，由于风井位于PX26和PX25之间，还要留好交接处的的钢筋连接器。
图2 浦西风井围护结构剖面图
3 浦西风井围护结构设计
浦西风井围护结构为地下连续墙钢筋混凝土围檩支撑钢管支撑钢格构柱的混合围护体系，钢筋混凝土支撑采用与主体地下结构梁相结合的围护体系。地下连续墙作为内部结构外墙的一部分，在其内侧设置钢筋混凝土内衬（俗称复合墙），内部结构主次梁作为围护结构的内支撑，共设三道钢筋混凝土支撑（第一，二，四道）和三道钢支撑（第三，五，六道）。
由于混凝土支撑为风井结构的一部分，在制作内部结构时不拆除水平砼支撑，八字撑需拆除，在此基础上制作楼板、内衬；当隧道底板达到设计强度后，拆除第六道钢支撑；隧道顶板和电缆层底板达到设计强度后，拆除第五道钢支撑；当电缆层楼板、下一层楼板达到设计强度后，拆除第三道钢支撑；混凝土围檩不拆除。在围檩、支撑上均应留出施工缝，在不同的位置预留钢筋连接器、预留内衬钢筋。施工过程中，对每道钢支撑施加预应力的具体要求为：第三、五、六道支撑分别施加对应最大计算轴力的50%，60%，70%。采用这种支撑体系的围护结构，设计上要求详细、精确和周到以确保围护结构变形不能过大。
对浦西风井围护结构进行了详细的计算和验算，其内容如下：
(1) 基坑底部土体抗隆起稳定性和抗渗流稳定性验算；
(2) 围护墙结构的抗倾覆稳定性验算；
(3) 围护墙结构和地基的整体抗滑动稳定性验算；
(4) 基坑外地表变形和土体移动的验算；
(5) 围护墙结构内力和变形的计算；
(6) 钢格构柱的内力和变形的计算；
(7) 围护结构的构件截面强度的计算和节点构造处理；
(8) 与主体地下结构相结合的围护体系按内部结构设计遵循的 规范进行长期荷载作用下的结构内力和变形的计算。
4 涉及的有限元计算
4.1 先位移后支撑的内力包络和叠加方法
使用我院YAOA程序对地下连续墙进行了详细的计算，采用的计算模式为先位移后支撑的计算模式,在计算中需预加位移。由于使用了复合墙，在包络和叠加时考虑了施工工序对内力的影响，在设计时运用了时空效应理论。当内外墙结合面能够承受剪力时，使用阶段的墙体厚度取复合墙厚之和；否则使用阶段的墙体内力按内外墙的刚度分配。格构柱截面承载力按偏心受压构件计算。
图3，4为地下连续墙计算各工况的弯矩包络和叠加图。
图3 顺筑工况弯矩包络图
图4 回筑工况弯矩叠加图
4.2 浦西风井抗浮计算
由于浦西风井不能满足抗浮要求，打了很多钻孔灌注桩作为抗拔桩。由于新的上海地基基础 规范中收集的抗拔桩试桩资料并不多，因此没有现成的经验可以借鉴，对如此深的基坑的抗浮问题需进行详细的计算。在围护结构设计的同时，必须进行抗拔桩的设计，因为施工时要将钢格构架与钻孔灌注桩钢筋笼焊接后整体吊入孔内。 根据地铁工程抗浮设计的经验、手工计算和三维有限元计算结果，确定了整个结构的抗拔力。在三维有限元计算中，使用了使用工况和水反力工况对浦西风井的内部结构进行了计算，不仅确定了内部结构的内力，还确定了抗拔桩的内力。图5为三维计算网格图，图6，图7和图8分别为内力图。
图5 浦西风井三维计算网格图
图6 水反力工况顶板梁弯矩图
图7 水反力工况下一层楼板梁弯矩图
图8 水反力工况电缆层梁弯矩图
4.3 内部结构计算
因为采用了与主体地下结构相结合的围护体系，所以在围护结构设计的同时必须进行内部结构的设计。除了变电所楼板采用无梁楼盖外，其余各层楼板均采用梁板体系结构，所有楼板均使用有限单元法进行计算，分三维全空间计算和二维薄板计算。结合这些计算结果对内部结构部分预留了相应的钢筋连接器或钢筋，以确保内部结构施工时准确连接。
虽然风井段并不长，但连续墙与连续墙之间的接头方式就有两种，它们是接头桩和钢板接头。接头桩内亦需要预留钢筋连接器，接头桩需预制。连续墙有6m幅和4m幅两种，由于隧道坡度为方便用4%，所以连接器不是在一个水平面上的，而且是弧线，这些均给设计增加了难度。
5 详细的工程措施
5.1 地下连续墙
浦西风井段地下墙厚度为1m，长度为41.6m，宽度为6m、4m（隧道中心线处弧长），单幅地下墙宽度未考虑施工误差，施工单位可灵活掌握。
5.2 钢筋混凝土支撑
由于钢筋混凝土支撑既是内部结构的梁，施工阶段又兼作支撑使用，故计算时按施工阶段和使用阶段进行计算，取其内力包络图进行配筋。
5.3 钢支撑
钢支撑采用609钢管(δ=16mm)，其中第五道钢支撑采用两根609钢管，其余采用一根。
5.4 钢筋混凝土围檩
根据施工阶段支撑承受的最大反力来确定围檩的内力，围檩内预留连接楼板的钢筋连接器，围檩在使用阶段不拆除。
5.5 钢格构柱和钻孔灌注桩
格构柱插入钻孔桩2.5m，施工时将钢格构架与钢筋笼焊接后整体吊入孔内。
5.6 各层楼板
根据施工阶段顺、回筑工况及使用阶段的荷载大小和跨度情况，确定各层楼板的厚度及内力配筋，并将钢筋或钢筋连接器预留在围护体系中。
5.7 钢筋连接器
5.8 变形缝
浦西风井与PX26和PX25相接处各设一条变形缝。
5.9 其他
根据风井设计需要，地下墙在各层楼板位置处必须预留相应的钢筋连接器。制作风井内衬时，要求将与之接触的地下墙表面凿毛，清洗干净。制作混凝土围檩时，要求将与之接触的地下墙保护层凿除。混凝土强度等级C30（水下浇筑），抗渗等级0.8MPa。
6 结语
本文详细地介绍了上海外环沉管隧道浦西风井超深基坑围护结构的设计采用的新技术、浦西风井围护结构设计、涉及的有限元计算和相应的工程措施，这对于进行超深基坑的设计将提供重要的参考。
参考文献
［1］ 李庆来. 人工神经网络与概率方法在深基开挖信息施工中的应用. 土木工程学报, 2001(2):96-100
［2］ 申伟强，李庆来，乔宗昭. 上海国际会议中心地下车库兴建对环境影响分析(一、二), 1999
［3］ 龚杰，倪勤，朱桔妹，李庆来. 大型通用有限元程序Algor FEAS的后处理系统用户手册,2000
［4］ 王秀志. 大型有限元程序Algor FEAS后处理系统用户报告,2000
［5］ 上海市建设和管理委员会. 大型有限元程序Algor FEAS后处理系统鉴定报告,2000,10
［6］ 李庆来，申伟强，杨志豪等. 大型有限元程序Algor FEAS后处理系统技术报告,2000,10
新闻来源：《城市交通隧道工程最新技术》 |
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