管幕法工作井结构设计探讨.doc

管幕法工作井结构设计概述王秀志 胡云峰 顾闻（上海市隧道工程轨道交通设计研究院）摘 要:本文详细介绍管幕法工作井结构设计及结构受力分析计算,并对工作井基坑开挖阶段、管幕顶进阶段以及箱涵制作和推进阶段工作井结构受力进行分析计算。关键词:工作井 钢管幕 箱涵顶进 1、工程概述上海市中环线北虹路地道工程是中环西段中的一个重要节点，工程北起北虹路威宁路交叉口，向南依次穿越虹古路、西郊宾馆、虹桥路、延安西路，止于虹许路古羊路交叉口，工程全长1698m，其中地道部分长1515m。本工程建设规模为双向八车道，经多方案的研究比选论证，决定穿越西郊宾馆和虹桥路长度为126m的地道结构采用管幕结合箱涵顶进工法实施，根据工程建设规模管幕法施工内部结构断面尺寸为34.2m7.85m.2、工作井概况根据管幕法施工工艺要求需考虑钢管幕的顶进、顶进箱涵制作以及箱涵顶进等施工工序及工艺的要求，在管幕段施工两端需分别设置上述工艺所要求的施工空间，因此必须在管幕段两端设置管幕法施工的工作井来满足上述施工工艺所必需的结构空间。结合管幕法施工工艺对工作井结构空间要求以及工程周围环境情况，本工程设置南北两个工作井，南北工作井平面尺寸分别为24.6m40.2m、24.6m41.0m、工作井底板底面埋深分别为17.1m、16.3m。其中北工作井施工期间为钢管幕顶进及箱涵制作及箱涵顶进的出发井，南工作井施工期间为钢管幕及箱涵顶进的接收井。南北工作井平面布置见图1、2。图1、南工作井平面布置图图2、北工作井平面布置图3、工作井结构设计南北工作井均采用钢筋混凝土箱型结构。工作井结构设计时必须结合工作井实施过程中以及管幕施工工艺各工序条件下分别对结构进行受力情况进行分析计算。工作井结构设计受力主要分为以几个阶段：阶段一、工作井实施阶段（基坑开挖及结构实施）；阶段二、钢管幕施工顶进（接收）阶段；阶段三、箱涵制作及箱涵前端地下墙凿除阶段；阶段四、箱涵顶进阶段（出发、顶进及接收）阶段五、管幕与工作井连接段施工以及工作井余下结构实施阶段下面就上述各阶段工作井结构实施过程及受力情况逐一介绍。31 工作井实施阶段3.1.1围护结构设计南北工作井基坑开挖深度分别为17.3m、16.5m。根据周围环境情况及管幕法施工各工序对工作井的要求，南北工作井均采用明挖顺作法施工，围护结构均采用800地下连续墙。根据施工筹划北工作井为钢管幕顶进以及箱涵顶进工作井，南工作井为钢管幕接收以及箱涵接收工作井，由于南北两个工作井功能不同，结构不同阶段受力状况也有所不同，因此在支撑体系设置上也有所不同，其中北工作井采用三道钢筋混凝土支撑及两道钢支撑组成的混合支撑体系，南工作井采用一道钢筋混凝土支撑及四道钢支撑。南北工作井围护结构布置剖面图见图3、4。图3、南工作井围护结构剖面图图4、北工作井围护结构剖面图围护结构的计算按平面变形问题考虑，沿纵向取单位长度，采用竖向弹性地基梁杆系有限元法进行受力分析，并考虑基坑开挖、钢支撑安装、主体结构砼浇筑等施工过程的特点，按“先变形、后支撑”的原则分工况、分步计算，计入围护结构先期位移及支撑的压缩变形。以北工作井为例计算考虑的施工工况如下：工况一：从设计地面标高向下开挖0.65m；工况二：加撑第一道609钢管支撑，继续向下开挖3.15m；工况三：浇筑第二道砼支撑，继续向下开挖4.600m；工况四：浇筑第三道砼支撑，继续向下开挖3.500m；工况五：浇筑第四道砼支撑，继续向下开挖3.00m；工况六：加撑第五道609钢管支撑，继续向下开挖2.2m；工况七：浇筑底板，达到设计强度后拆除第五道609钢管支撑；根据上述各计算工况基坑开挖至坑底（包括底板完成后拆除第五道支撑）地下墙弯矩及变形包络图以及基坑开挖阶段支撑计算轴力见图5及表1。图5、北工作井开挖阶段地下墙弯矩及变形包络图（10kN.m、m）基坑开挖阶段支撑设计轴力 表1支撑道数支撑形式设计轴力(KN)第一道支撑钢支撑500第二道支撑砼支撑11870第三道支撑砼支撑5450第四道支撑砼支撑7850第五道支撑钢支撑14800在地下墙结构受力及支撑轴力计算时除考虑上述各阶段受力工况外，同时也必须考虑后期钢管幕顶进以及箱涵制作及顶进接收阶段由于支撑体系部分拆除以及外加荷载对地下墙内力及支撑轴力的影响和变化，具体工况见后述。3.1.2内部结构设计内部结构设计时按围护结构地下墙和内衬墙共同受力考虑，工作井顶部设置顶框架，与底板、侧墙形成稳定的空间箱形结构。为便于管幕和箱涵的顶进和接收施工，顶进前方内衬墙不做，待钢管幕顶进结束后在洞圈四周设反梁与钢管幕连成整体；箱涵顶进结束后，根据车道净空要求工作井内设置车道板、车道顶板、中隔墙及雨水泵房等。工作井内部结构剖面图见图6。图6、北工作井内部结构剖面图32 钢管幕施工顶进（接收）阶段待工作井底板、内衬、顶框架施工完成后，稳定受力的空间结构已形成，下一步就是进行钢管幕的顶进和接收，由于钢管幕的顶进及接收均需从工作井前方的地下墙穿越，因此钢管幕穿越处地下墙被切断，地下墙与第三、四道砼（钢）支撑形成前部挡土结构，其受力情况如图7。图7、钢管幕顶进完成后的前部地下墙结构受力状况由于钢管幕在顶进和接收时需切断工作井端部地下连续墙，并且钢管幕切断地下墙后结构的稳定性大大降低，因此必须考虑在钢管幕与地下墙穿越位置处设置必要的连接措施（见图9）。同时因箱涵进出洞结构受力与稳定性的要求，设计考虑在地下墙前一定范围内采取土体加固措施，该加固措施结合箱涵出洞前受力一并考虑，加固剖面见图8。图8、管幕出洞前土体加固剖面图图9、钢管幕与地下墙连接构造图33 箱涵制作及箱涵前端地下墙凿除阶段全部钢管幕顶进结束后，虽然钢管幕的存在增加了出洞区域土体的稳定性，但是地下墙凿除后（洞门打开后），钢管幕上部覆土作用于钢管幕的荷载必须要有可靠的传力途径，为此，沿管幕与工作井井壁接口处四周设置了管幕梁。洞门破除后上覆土荷载作用在管幕上，此时管幕相当于一根一端支承在管幕梁上的弹性地基梁，而管幕传递给管幕梁的荷载通过设置的固定支座传递给箱涵。管幕梁受载情况见图10。图10 管幕梁受载图为满足预制箱涵施工的需要，需在工作井内制作箱涵施工平台（该平台作为后期的车道板），待该平台达到设计强度后可进行网格工具头的拼装及箱涵制作。箱涵制作完成并达到强度后（网格工具头安装在箱涵前方），推进箱涵至距地下墙面70cm处，快速分层分块爆破拆除地下墙。34 箱涵顶进阶段（顶进及接收）箱涵制作完成以及出洞前方地下墙爆破凿除后，可进行箱涵顶进工作。通过在箱涵尾部底板位置设置若干组千斤顶顶进系统并利用暗埋段结构作为顶进后靠系统，为确保顶进过程中工作井结构及暗埋段结构安全，必须根据设计顶力对箱涵推进后靠系统进行稳定性分析计算。根据施工筹划南工作井为箱涵进洞接收井，考虑在箱涵顶进过程中前方的挤土效应，势必增加南工作井端墙的压力，因此在箱涵顶进至南工作井端部一定距离后，必须测量南工作井地下墙水土压力变化，当水土压力增加到设计要求极限值时必须采取必要的技术措施降低水土压力，以保证工作井结构的安全和稳定。35 顶进箱涵与工作井连接段施工以及工作井余下结构实施阶段待箱涵网格工具机头端部与南工作井端部地下墙相交后停止箱涵顶进，采用现浇混凝土结构将箱涵与工作井结构相连接。根据行车净空要求分部实施工作井余下内部结构（车道顶板、中隔墙及雨水泵房等）。4、结语本工程管幕法施工段已实施完成，实践验证了工作井满足了管幕法施工工艺及各工序要求，并确保在各不同受荷条件下的工作井结构的安全，为今后实施类似工程提供了借鉴作用。参考文献1 上海市隧道工