南京長江隧道超大深基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)

南京長江隧道超大深基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)

1工程背景和井底結(jié)構(gòu)南京長江隧道工程是江蘇省南京市制定的“五橋一廊”通道重要工程。位于南京長江隧道和三座橋之間，連接著河西新城和江心洲的浦口區(qū)。該通道總長約6.2公里。采用“左隧道右橋”模式，按照城市高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度為80km/h。左汊隧道由浦口明挖段、盾構(gòu)段、梅子洲明挖段組成,建筑長度為3790m,采用雙管6車道盾構(gòu)方案,盾構(gòu)直徑近15m,為國內(nèi)最大盾構(gòu)隧道之一。盾構(gòu)由浦口始發(fā),梅子洲接收。工作井考慮了通風(fēng)、監(jiān)控、設(shè)備、消防、疏散救援等功能,由頂板層、設(shè)備層、車道層、地下三層(疏散通道)和底板等組成的5層框架結(jié)構(gòu)。始發(fā)井里程樁號(hào)(以左線計(jì))為LK3+575.387～LK3+600。根據(jù)盾構(gòu)始發(fā)和設(shè)備布置對工作井的要求,基坑長44.9m,寬22.60m,深22.95m。工程場地為長江堤內(nèi)高漫灘,現(xiàn)為樹林及苗圃地,地勢開闊,周圍無建(構(gòu))筑物,距長江大堤約135m。2項(xiàng)目所在地和水文2.1基坑底土、底粉質(zhì)地層結(jié)構(gòu)底板以上主要地層為:②2層素填土、②2層軟塑狀黏土、④層流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④1層粉質(zhì)黏土夾粉土、⑥層軟塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、⑦2層稍密粉砂夾粉質(zhì)黏土。底板以下主要地層為:⑧層中密粉細(xì)砂、⑨層密實(shí)粉細(xì)砂、⑩層礫砂?；娱_挖范圍內(nèi)土層以軟土為主,其壓縮性高,強(qiáng)度低,易產(chǎn)生塑性坍塌和蠕動(dòng)破壞;粉土、砂土富水,易產(chǎn)生流砂、管涌。底板下為粉土、砂土,性質(zhì)稍好,但地下水豐富、承壓水壓力大。2.2粉細(xì)砂承壓水層土隔水層場地潛水賦存于長江漫灘區(qū)上部地層,主要為黏性土、淤泥質(zhì)土及粉土,其滲透系數(shù)為2.5×10-4～1.0×10-6cm/s,屬弱透水性。承壓水主要分布于粉細(xì)砂及卵礫石層中,埋深在29m以下,④、⑥層黏性土為其主要隔水層。地下水位埋深與地面平齊,其對混凝土、混凝土中鋼筋無腐蝕,對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕。3結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)支護(hù)體系根據(jù)場地開挖地層參數(shù)、地下水、周邊場地環(huán)境、盾構(gòu)始發(fā)和基坑降水方案等,采用1m厚、40.35m深地下連續(xù)墻,鋼筋混凝土支撐和鋼管支撐的組合支撐體系。為減少拆撐和換撐工序,降低工程造價(jià),混凝土圍檁按臨時(shí)結(jié)構(gòu)和永久結(jié)構(gòu)相結(jié)合設(shè)計(jì),即冠梁與盾構(gòu)吊裝龍門吊走行梁結(jié)合設(shè)計(jì),盾構(gòu)拼裝及始發(fā)階段為龍門吊走行梁,運(yùn)營階段為風(fēng)塔的圈梁;頂框架與第1道圍檁結(jié)合設(shè)計(jì),基坑開挖與回筑階段為支撐圍檁系統(tǒng)結(jié)構(gòu),盾構(gòu)始發(fā)階段其與底板為工作井水平力主要承載結(jié)構(gòu),運(yùn)營階段為工作井頂板結(jié)構(gòu)的錨固支座;地下一層圈梁與第2道圍檁結(jié)合設(shè)計(jì),基坑開挖與回筑階段為支撐圍檁系統(tǒng)結(jié)構(gòu),盾構(gòu)始發(fā)階段改善兩側(cè)墻的受力,運(yùn)營階段為工作井地下一層板結(jié)構(gòu)的錨固支座。其他圍檁在盾構(gòu)始發(fā)前與結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墻共同受力。結(jié)構(gòu)布置見圖1。4彈性支點(diǎn)桿系有限元法模擬圍護(hù)墻在基坑開挖及襯砌回筑階段沿豎向間隔一定距離受支撐圍檁約束,可以簡化成多支點(diǎn)桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,即采用彈性支點(diǎn)桿系有限元法模擬。土壓力按Rankine土壓力理論矩形荷載計(jì)算?；右韵峦恋淖饔貌捎脧椈赡M。4.1計(jì)算模型采用同濟(jì)啟明星深基坑分析軟件FRWS4.0計(jì)算。計(jì)算模型見圖2。4.2擋土墻體結(jié)構(gòu)基坑采用5道支撐,支撐參數(shù)見表1。地面超載按20kPa考慮,⑦2、⑧、⑨層地層采用水土分算,其他土層采用水土合算。連續(xù)墻采用C30防水混凝土,混凝土支撐、聯(lián)系梁采用C30補(bǔ)償收縮混凝土,圍檁采用C35補(bǔ)償收縮混凝土。鋼支撐采用?609mm×16mm鋼管。4.3層計(jì)算參數(shù)地層計(jì)算參數(shù)見表2。地下水位高程取至地面。4.4計(jì)算計(jì)算結(jié)果見圖3。結(jié)果表明,圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布合理,配筋率在合理范圍之內(nèi),變形滿足要求。5混凝土保護(hù)系統(tǒng)的分析5.1均質(zhì)彈簧彈性桿系有限元法分析混凝土支撐、圍檁結(jié)構(gòu)體系主要承受圍護(hù)墻傳遞的水平荷載及變形,可簡化為平面應(yīng)力問題,采用均質(zhì)彈簧彈性桿系有限元法分析。由圍護(hù)墻分析得到的在開挖、支護(hù)、回筑過程中支撐圍檁與圍護(hù)墻之間相互作用力作為圍檁與圍護(hù)墻之間相互作用的初始荷載進(jìn)行輸入,并采用水平均質(zhì)彈簧來模擬圍檁與圍護(hù)墻之間的變形協(xié)調(diào)關(guān)系來模擬混凝土支撐、圍檁的受力變形。5.2結(jié)構(gòu)體系模擬采用SAP846.5軟件,荷載-結(jié)構(gòu)均質(zhì)彈簧模型,平面應(yīng)力問題分析支撐、圍檁體系。采用壓彈簧單元模擬土體與結(jié)構(gòu)體系的相互作用,梁單元模擬支撐、圍檁、聯(lián)系梁,壓桿單元模擬鋼支撐。采用位移邊界條件,水平向四周采用彈簧約束,豎向采用位移約束。混凝土圍檁采用C35混凝土,支撐、聯(lián)系梁采用C30混凝土,鋼支撐采用Q235鋼材料特性模擬結(jié)構(gòu)材料。計(jì)算模型見圖4。5.3計(jì)算混凝土支護(hù)體系計(jì)算結(jié)果見表3。結(jié)果表明支護(hù)體系內(nèi)力分布合理,變形滿足要求。6單元結(jié)構(gòu)分析6.1結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)計(jì)算荷載詳見表4。荷載按結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行組合,按荷載最不利組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪、抗壓、抗扭強(qiáng)度和裂縫寬度驗(yàn)算。荷載組合為:永久荷載、永久荷載+可變荷載、永久荷載+偶然荷載(只取一種)。6.2有限元模型及網(wǎng)格劃分采用SAP846.5軟件,荷載-結(jié)構(gòu)三維模型分析圍護(hù)墻和主體結(jié)構(gòu)體系,采用壓彈簧模擬土體與結(jié)構(gòu)體系的相互作用,梁單元模擬混凝土支撐、圍檁、框架梁、柱,板單元模擬圍護(hù)墻主體結(jié)構(gòu)、層板等。采用豎向壓彈簧模擬底板與彈性地基之間的作用,水平壓彈簧模擬連續(xù)墻與地層之間相互作用,采用位移邊界條件。主體結(jié)構(gòu)采用C35混凝土,連續(xù)墻和內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用C30混凝土模擬結(jié)構(gòu)材料。有限元計(jì)算模型及其網(wǎng)格劃分詳見圖5?？紤]工況:工況一,內(nèi)襯施工完成并拆除混凝土撐后;工況二,盾構(gòu)拼裝后,單側(cè)打開洞門盾構(gòu)始發(fā);工況三,雙側(cè)打開洞門盾構(gòu)始發(fā);工況四,完成全部內(nèi)部結(jié)構(gòu)及頂板覆土;工況五,運(yùn)營階段。對不同工況結(jié)果進(jìn)行荷載組合,結(jié)果取包絡(luò)值。6.3墻外側(cè)配筋控制計(jì)算分析表明,兩側(cè)側(cè)墻結(jié)構(gòu)由盾構(gòu)始發(fā)開洞階段控制,其他施工期結(jié)構(gòu)由盾構(gòu)拼裝階段控制,層板結(jié)構(gòu)由運(yùn)營期荷載控制,連續(xù)墻外側(cè)配筋由盾構(gòu)施工階段控制,計(jì)算結(jié)果詳見圖6～圖13。(1)盾構(gòu)側(cè)側(cè)墻應(yīng)力云圖(2)兩側(cè)側(cè)墻應(yīng)力云圖(3)明挖側(cè)側(cè)墻應(yīng)力云圖(4)底板云圖7結(jié)構(gòu)體系的完善通過對南京長江隧道盾構(gòu)始發(fā)井結(jié)構(gòu)采取了不同結(jié)構(gòu)分析方法,進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),得到如下結(jié)論:(1)盾構(gòu)工作井深基坑采用地下連續(xù)墻、混凝土支撐與鋼支撐組合支護(hù)方案及連續(xù)墻與結(jié)構(gòu)側(cè)墻按疊合墻結(jié)構(gòu)是比較安全、經(jīng)濟(jì)、合理的結(jié)構(gòu)形式。(2)混凝土圍檁按永臨結(jié)合設(shè)計(jì),減少了換撐和鑿除圍檁工況,既節(jié)約了工程造價(jià)、縮短工期,又提高了基坑的安全,但有大量的預(yù)埋件和施工縫,施工工序復(fù)雜,且增加了防水難度。(3)針對工作井深基坑工程,根據(jù)不同受力工