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

李潇 LI Xiao

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510010）

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。

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

3.1 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。

3.3 结构验算

圆形工作井围护结构稳定性验算除整体滑动、抗倾覆、嵌固、抗隆起、渗流稳定性验算外，还需进行轴心受压验算。

3.4 结构内力计算总结

①地连墙在竖向荷载不均匀，这比盾构管片受力更为不利。且地连墙的作用主要是承担未施作内衬工况下的荷载作用。同时每幅地连墙结构相对独立，环向钢筋未贯通。因此建议仍按照平面杆系结构弹性支点法计算，配筋以竖向主筋为主。

②地连墙需考虑圆形地连墙的空间效应，具体以《公路桥涵地基与基础设计规范》规定为准。

③内衬墙由于其整体性，建议采用空间弹性地基板法计算，充分考虑其空间受力的特性。配筋主筋为环向+纵向（双向板）。

④地连墙存在施工垂直度偏差引起的有效厚度小于设计厚度的情况；
同时地层差异存在不均匀荷载偏压的情况；
地面超载不均匀也有偏压的情况；
邻近基坑开挖引起的应力释放也存在偏压的情况。在设计中应明确边界条件，选取合理的计算模型和荷载工况。

4.1 结论

深圳城际铁路的工作井具有深度深、平面尺寸大的特点。传统的方形结构+密排支撑的支护形式不再适用，本着“好干、好用、省钱”的原则，经前期深入研究，拟采用圆形结构形式。经理论分析，圆形结构可考虑环向刚度、空间效应，在控制变形、提高工效、控制投资等方面有显著优势。

①建议依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG3363-2019），《港口工程地下连续墙结构设计与施工规程》（JTJ303-2003）的相关规定进行圆形支护地下连续墙结构设计，地下连续墙可按环向效应的竖向弹性地基梁或空间结构计算，内衬墙的内力和变形可按空间受力效应的三维弹性地基板法计算。

②内衬墙应沿基坑深度方向分段变截面设计，随着内力增加逐步加厚，周边环境简单、且地层较好时，顶部一定范围内可根据内力情况不设内衬墙。

③圆形地下连续墙墙体的环向效应修正系数可取0.4~0.7，应综合考虑工作井半径、槽段数量等工程具体情况合理取值，不应脱离实际一律按0.4计算。地下连续墙环向有效厚度计算时垂直度可按1/300控制，基坑较浅、施工工艺成熟可靠时可适当提高控制标准。

④应合理控制地下连续墙和内衬墙（环梁）的配筋量，避免因配筋过密导致混凝土振捣不密实，进而影响结构强度。设计文件应明确破洞门施工工序，验算主体结构破洞门工况的结构安全，加强薄弱节点处配筋。

⑤如采用全逆筑方案，应结合地层条件及施工组织需求，灵活调整开挖进尺，使结构充分发挥作用，且便于施工组织安排。

4.2 展望

①需要进一步调研及比选内衬墙和环梁方案，满足结构安全的前提下，综合考虑止水效果、井内施工环境、现场施工组织需求等因素，灵活选用相适应的方案。

②内衬墙与地连墙的刚度折减系数是否分开取值，应如何取值，刚度计算前还是计算后折减[4]。

③三维计算模型如何准确的反应地下连续墙及其接头，内衬墙与地墙之间的连接关系如何体现；
开挖工况增量法如何在软件中便捷的实现。

④地连墙失稳的稳定性系数在未施作内衬范围如何考虑等。

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