盾构井基坑支护设计

高振宇

（1.广州市市政工程设计研究院，广东广州510060；2.华南理工大学土木与交通学院，广东广州510641）

1 设计条件

1.1 工程概况

本文工程背景为一大型引水工程，该工程管线穿越了河道大堤、高速公路、铁路、住宅区、厂房及高压煤气站等重要建、构筑物。管道施工主要有明挖埋管、顶管及盾构三种工法。其中明挖工法对建、构筑物影响大，特别是穿越住宅需要大量拆迁，穿越立交桩基需改线绕道，穿越河道大堤需破堤或改跨越，且工期长；顶管工法对建、构筑物影响小，但由于单次顶进的距离较短，需设置大量井位，且对不良地质适应性差，工期较长；盾构工法对建、构筑物影响最小，井位少，穿越立交桩基、大堤迅速，且施工机械化程度高，能适应各种不良地质，工期相对较短。所以，综合以上各因素，该工程部分有障碍管段采用盾构工法，本文则重点介绍其盾构井基坑结构设计方法。

1.2 工程和水文地质

基坑所在场地主要开挖地层由上而下分别为：（1）素填土，厚 1.30 m；（2）粉质粘土，N=6.0，厚 1.9 m；（3）淤泥，N=3.0，厚 5.4 m；（4）粘土，N=3.0～4.0，厚 4.0 m；（5）淤泥质粉质粘土，N=4.0，厚1.6 m；（6）细砂，N=7.0～9.0，厚 3.6 m；（7）中砂，N=16.0，厚 1.4 m；（8）粗砂，N=18.0，厚 3.8 m；（9）卵石质粗砂，N=25.0～29.0，厚 8.5 m；（10）卵石，N=29.0，厚3.3 m。开挖的地层主要为含孔隙水的冲积砂层，孔隙水主要接受大气降水的渗入补给和上游地下水径流及周边河涌的侧向补给。由于孔隙水和河涌水具有密切的水力联系，故补给来源充足。该基坑底所在位置为卵石质粗砂层，渗透系数大，且具有承压性，因此地下水对盾构井结构设计影响极大。

2 盾构井基坑方案设计

2.1 主体结构设计

由于该盾构井为深基坑工程（支护深度为19.94 m），内净尺寸较大（28.0 m×14.0 m），为了保证结构安全及止水效果，基坑支护主体结构采用地下连续墙+钢筋混凝土支撑体系，详见图1。连续墙采用重合墙连接形式，即在内外墙间设置防水隔离层，工序为先施工外800连续墙，后施工内600内衬墙及支撑，内衬墙及支撑采用逆做法。

2.1.1 围护墙设计

该盾构井基坑结构分析时需考虑围护及支撑体系的空间整体协同作用。根据参考文献[1]，在满足精度的前提下可以将计算模型进行简化，即把墙作为竖直连续单向板，取单位长度作为一个单元进行计算，配筋时适当增加水平方向的钢筋。本设计采用理正深基坑软件对围护墙进行计算，计算时考虑施工过程中土方开挖先后工况、地面超载(q=20 kPa)重型设备吊装荷载的影响，计算结果见图2。

2.1.2 支撑及围檩设计

支撑、围檩体系结构主要承受围护墙传递的水平荷载及变形，本设计思路是将每一道支撑及围檩视为平面框架，把上一步围护墙设计中得到的弹性支座反力作为平面框架的均布荷载，并利用均质弹簧来模拟围护墙对围檩的约束，采用杆系有限元法对平面框架进行内力及变形分析。本设计采用SAP2000有限元软件进行支撑及围檩的计算，由上至下的每一道平面框架的均布荷载分别为 144.34 kN/m、570.24 kN/m、764.19 kN/m，计算结果见图3。该图只表示了荷载为764.19 kN/m时平面框架的荷载及变形，其余可线性推出。

2.2 盾构出洞加固措施

盾构始发是事故的多发阶段，尤其当场地为饱和砂层时，这是由于在凿除盾构出洞口的围护混凝土结构时，由于洞口内外存在较大的水头差且土体渗透系数大，洞口土体极易发生管涌，严重时土体会失稳坍塌，随之引起基坑支护结构的破坏，所以出洞加固对于盾构井设计及施工是一个比较关键的环节。

出洞加固体的设计主要包括工法和尺寸两方面内容：

（1）在工法选择方面。据以往经验，在饱和砂层，尤其是中粗砂层，必须选用三管旋喷桩，选择其它工法按目前的施工管理水平很难保证封堵质量。

（2）在尺寸设计方面。a.加固体的最小尺寸应按满足土体强度验算及机械设备要求的最小尺寸确定，根据参考文献[2]、[3]，复合地基土体抗剪指标φp=30°，cp=0.36 MPa，所以当加固土体宽度时，端头加固体在主动土压力下不会破坏；而按目前国内盾构机械，一般当b≥6 m时，盾构机的注浆可以保证封堵盾构机在掘进过程中所产生于加固体和连续墙结合部中的涌砂通道，所以本设计认为盾构加固体宽宜取为6 m。b.为防止盾构始发磕头，本设计利用三管旋喷桩加固洞口下部4 m范围内土体。c.为保证有效覆盖厚度及地面大型起重设备要求，并考虑到工法限制，本设计利用三管旋喷桩加固洞口上部4 m范围内土体，并利用水泥搅拌桩接着加固至地面。

2.3 工艺要求

盾构井在盾构施工完成后需要根据工艺要求进行设备安装，如管道阀门安装、设置检修井及工作平台等。本设计思路是要充分利用原有盾构井基坑结构承担输水管道运营后的长期荷载，所以在设计内支撑时除了要考虑管道安装需要的空间，还要在盾构井基坑构件相应位置预留钢筋，以便设置满足运营期需要进行结构布置的横梁及楼板。

3 结论

综合以上内容，本文得出结论如下：

（1）盾构井基坑结构分析根据不同工况，采用不同的方法分别对围护墙及支撑体系进行计算分析是可行的，既减少了三维计算分析的工作量，也包络了所有工况引起的结构内力值，达到了设计效果。

（2）盾构井出洞加固是设计的关键环节，特别当场地为饱和砂层时，需根据以往工程经验进行合理设计。

（3）盾构井基坑构件设计是要充分考虑以后工艺设备安装的空间要求及项目运营后的长期荷载作用，统筹设计。

[1]程文瀼，颜德姮，康谷贻,等.混凝土结构与砌体结构设计（第三版）[M].北京：中国建筑工业出版社,2005.

[2]龚晓南.地基处理手册（第三版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[3]钱家欢,殷宗泽.土工原理及计算（第二版）[M].北京：中国水利水电出版社，2006.

[4]赵志缙,应惠清.简明深基坑工程设计施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[5]JGJ 120-99,建筑基坑支护技术规程[S].