2011年第4期地下工程与隧道UNDERGROUND ENGINEERING AND TUNNELS2011No．4上海市长江西路越江隧道浦西工作井施工阶段结构设计概述张恒（上海市隧道工程轨道交通设计研究院）摘要：根据上海市长江西路越江隧道浦西工作井施工阶段结构设计的特点，详细介绍了围护结构施工阶段和盾构施工阶段各工况条件下结构体系的变化和内力变化情况，采用平面模型和大型有限元空间计算模型对各阶段结构进行计算对比与分析，为复杂工况下越江隧道超大超深工作井结构设计分析提供工程类比和参考借鉴。
关键词：越江隧道；工作井；结构设计；计算模型；有限元；内力变化1工程概况越江隧道工作井作为盾构法隧道施工的出发和接收井，分别满足盾构进出洞功能的要求。
上海长江西路越江隧道浦西工作井（以下简称“工作井”）位于逸仙路高架西侧上海钢管股份有限公司厂区内，设计里程为SK0+899．246 SK0+872．446。
按照盾构线路中心距离（考虑盾构穿越逸仙路高架），并考虑两侧为盾构进出洞留有足够的空间以施作内部结构，工作井的平面外包尺寸为70m（南北向）ˑ26．8m（东西向），基坑开挖深度为33．65m，为迄今为止最大的工作井基坑。
盾构段采用 15．43m特大型泥水平衡盾构施工。
盾构施工阶段，工作井作为盾构调头井，盾构在南线进洞后平移至北线区域，旋转180ʎ就位，在北线出洞，完成北线隧道施工。
由于工作井基坑尺寸超大、超深，并且东侧紧邻轨道交通3号线高架及逸仙路高架和一些重要管线，所以基坑安全等级及环境保护等级定为一级，即坑外地面最大沉降量≤0．15%H0，围护墙最大水平位移量≤0．18%H（H为基坑开挖深度）。
2施工阶段结构设计特点2．1超大深基坑总体施工工序及特点工作井基坑采用明挖顺筑法施工。
根据施工筹划及施工过程中的风险控制要求，工作井基坑采用全封闭施工，工作井主要结构体系完成后进行相邻暗埋段施工，最后是盾构调头进出洞施工，这将有别于其他工作井与暗埋段同步开挖施工的顺序。
由于暗埋段结构连接、盾构进出洞结构先后开洞、盾构机架移位等因素引起局部区域偏载产生应力重分布。
同时，盾构机要在井内移位，使得工作井结构体系受力分析上需要考虑更多的工况，从而加大了设计的难度。
2．2围护结构布置特点工作井采用1200mm厚地下连续墙作为围护结构，墙长58m。
在使用阶段，地下连续墙作为主体结构的一部分，与内衬墙组成叠合构件。
1）考虑到地下连续墙的长度较大，地下墙幅之间采用十字钢板接头连接，具有较好的防水性能和抗剪性能。
2）考虑到浦西工作井为调头井，故在围护结构设计时尽量结合永久结构布置支撑。
根据工作井的平面形状和内部结构布置特点，坑内采用6道钢筋混凝土支撑。
第2道和第3道混凝土围檩与井内顶框架和中框架合二为一，支撑布置与顶板、中板、梁结合考虑，并尽量避开盾构吊装平面空间范围，以减少后期拆撑对结构的影响。
其中斜角板撑与结构板结合，纵向对撑兼作顶、中板结构梁，并与工作井侧壁柱结合形成2榀竖框架受力体系。
它们将作为永久结构的一部分，可有效改善结构受力条件。
盾构施工阶段，顶板和中板中间区域板带不会影响盾构移位，故在反筑竖框架和内衬时，先做好—61—该部分板结构，这对于顶框架和中框架的受力可起到增强作用（见图1、图2）。
图1第3道混凝土支撑、围檩结构平面布置图图2围护结构纵剖面布置图——713）为减少盾构进出洞时井壁混凝土凿除工作量，工作井侧墙在盾构进出洞区域及暗埋段区域不浇筑内衬。
工作井依次进行开挖、加撑，浇筑结构底板、底梁；向上回筑底板、内衬、竖框架，在内衬墙、竖框架混凝土达到设计强度及盾构进入工作井前，依次凿除4 6道混凝土支撑和围檩。
工作井盾构进出洞一侧外围土体没有全范围加固，在内衬浇筑、支撑拆除、盾构在井内移位及调头期间，单墙范围地下墙受力较大。
在地墙、内衬墙设计时分别考虑了该工况和开洞范围地下墙荷载的传递，内衬配筋时在洞圈周围做相应加强，以确保盾构工作井的受力和稳定。
3施工阶段结构设计和有限元分析3．1计算参数和计算模型侧向土压力采用朗金主动土压力计算公式进行计算，地面超载基坑开挖施工期间取20kN/m2；盾构施工期间考虑盾构机械及管片堆放，取30kN/m2。
由于暗埋段先行开挖施工，土体卸载后，工作井两侧土压不平衡，所以工作井有向暗埋段侧整体滑移的趋势。
故在盾构施工阶段，三维有限元计算模型中工作井短边暗埋段侧模拟为工作井底板以上地下墙水平向均布抗滑移弹簧，工作井短边底板处暗埋段侧模拟为工作井底板以下地下墙水平向抗滑移大弹簧，工作井暗埋段侧底板处模拟为底板抗滑移均布弹簧。
暗埋段侧南线和北线与工作井相衔接的地下墙模拟为沿纵向的弹簧约束。
为增强工作井后靠土体的抗压强度，防止转角幅地下连续墙发生过大的扭转变形，在工作井与暗埋段交接位置基坑外侧采用旋喷加固。
竖向加固范围是地面以下4m至工作井坑底以下3m。
在三维有限元空间模型中，主动土压力以荷载形式施加，同时采用仅压弹簧的形式考虑被动区土压力的附加作用。
3．2围护结构体系设计及计算工作井封闭基坑开挖施工阶段二维平面支撑刚度计算时，首先将单位力荷载作用在各道支撑与围檁组成的封闭平面框架上，通过单位力作用下的荷载计算得出平面内围护边上的各点位移，利用K=F/S，求出不同围护边上（工作井分为长边和短边）每延米单位支撑刚度用于竖向围护弹性地基梁计算。
经计算，长边侧刚度最弱处地下墙最大弯矩为3201kNm，最大变形为50．8mm；短边侧刚度最弱处地下墙最大弯矩为3229kNm，最大变形为49．4mm，均能满足深基坑一级环境保护要求（见图3、图4）。
图3浦西工作井围护计算简图图4浦西工作井短边方向地下墙计算结果图顶圈梁截面尺寸为1400mmˑ800mm，第4到第6道围檁截面尺寸分别为：2200mmˑ1400mm，2000mmˑ1300mm和2200mmˑ1400mm。
这几道围檁支撑体系采用二维平面框架梁计算模型进行计算。
根据地下墙竖向弹性地基梁计算模式分工况计算时支撑点的最不利受力结果，在围檁外侧施加水平均布荷载，长边和短边分别取用最不利的荷载值。
考虑地下墙分幅处水平向不连续受力的特点，水平框架4个角部及中撑点外侧受拉区域围檁断面高度不计地下墙厚度，其余范围则按围檁和地下墙厚度的叠合构件来进行模拟。
以第4道围檁支撑体系为例，计算模型图见图5，整体变形图见图6。
第2、3道围檁分别与顶、中框架结合，截面尺寸分别为1800mmˑ1700mm和2700mmˑ1600mm。
由于浦西工作井先封闭施工，待内衬回—81—筑完成后，再进行工作井与暗埋段的连接施工，随后进行盾构机的接收、调头和出发。
即盾构施工过程中工作井顶板及中板未做，第4 第6道支撑围檁体系已凿除，所以顶、中框架在这一阶段将承受很大的荷载。
除了采用二维平面框架梁计算模型以外，还应考虑工作井与暗埋段、盾构段的连接、盾构机的移位以及调头对顶、中框架造成的影响。
盾构施工阶段的工况中整体受力采用三维计算模型计算，顶、中框架取平面模型和三维模型各工况的内力包络值作为内力标准值。
图5浦西工作井第4道支撑围檁模型图图6浦西工作井第4道支撑围檁变形图3．3盾构施工阶段结构体系设计及计算该阶段主要是分析内衬浇筑完毕及支撑拆除后，由顶框架、中框架、竖框架、底板、底梁、内衬墙共同构成的受力体系结构，主要考虑地墙开洞、盾构进洞、移动、调头以及出发时各阶段结构状态及荷载分布。
按照施工工序分析，盾构施工阶段内衬结构设计共考虑以下几种工况：工况一：内衬浇筑完毕无开洞工况。
工况二：工作井与暗埋段相连接，侧墙开方洞工况。
工况三：盾构进洞，侧墙开一圆洞工况。
工况四：盾构机偏载南线一侧，侧墙一侧开圆洞工况。
工况五：盾构移动，盾构荷载移动至底板中部，侧墙一侧开圆洞工况。
工况六：盾构机偏载北线一侧，侧墙一侧开圆洞工况。
工况七：盾构出洞，侧墙开两方洞和开两圆洞工况。
经比较分析，内衬各部位内力控制值来自不同的施工工况，对内衬墙的弯矩控制值归纳如表1所示；工作井与暗埋段相连侧地墙开洞两侧边的内衬墙和中框架以下、地墙开洞以上范围的内衬墙应按深梁受力进行考虑。
由于盾构机架的移动，工作井底板处的泄水孔会暂时封闭，此时结构自重较小，底板下水反力对工作井的底板和底梁会产生很大的影响，故底板和底梁配筋计算除考虑使用阶段水反力工况内力以外，还应综合考虑以上影响因素进行强度控制。
表1内衬墙内力控制表单位：（kN ·m ）结构部位+Mx（控制工况）－Mx（控制工况）+My（控制工况）－My（控制工况）内衬侧壁5380（工况三）4450（工况六）6820（工况六）5270（工况七）内衬开圆洞侧7000（工况六）4450（工况六）8410（工况六）9310（工况六）内衬开方洞侧3430（工况六）3270（工况四）5240（工况五）3970（工况五）4结语本文通过对复杂工况条件下的工作井结构形式进行相应的荷载结构计算模型模拟，并应用二维平面和三维有限元空间模型进行分析计算，运用了一些创新的设计手段，为类似超大工作井的结构设计积累了一定的经验，并为类似复杂工程提供了有效的设计参照。
越江隧道工程建设的总体需求正呈多样化、高质量化、高速化发展，这需要我们在工程设计中不断地勇于创新，运用新工艺，并在以后的工程中不断优化改进，从而使设计更趋完善合理。
—91—2011年第4期地下工程与隧道UNDERGROUND ENGINEERING AND TUNNELS2011No．4UNDERGROUND ENGINEERING AND TUNNELS（Quarterly ）No．4Dec．2011Abstract of Main Contents（1）Mechanical Mechanism Study of Shield Tunnel Floating Up Cao Wenhong ，Yang Zhihao ，Li Dongmei ………………………………………………………………………………………………………………The collected existing monitoring data of shield tunnels illustrate that shield tunnels ，especially those with large diameter would float up in a long period after construction．In this paper ，it studies the inevitability and mechanical mechanism of floating up of tunnel （its weight is far less than the excavated soil ’s ）with the recognition that the initial stress state of soil layer is broken during tunnel shield driving and the stress around tunnel is partly released so as to form a kind of “unbalanced ”（the upper stress is less than lower stress ）stress state．（7）Track Vibration and Noise Reducing Technology Used in Shenzhen Metro Line 2Zhou Hualong……This paper gives a detailed introduction to the track vibration and noise reducing technologies used in Shenzhen Metro Line 2．It highlights the isolation damping pad which is first used on ballastless track of metro line in China ，including its vibration reducing principle ，design scheme ，construction method ，and site measurement of damping effect．The site measured data show that the vibration reducing effect of the track structure of isolation damping pad meets the requirement of theoretical analysis．（12）Block Gap Influence on Seismic Performance of Bridge Pier in Transverse Direction Huang Xiaoguo …………………………………………………………………………………………………………………The model is given to analyze the seismic performance of single bridge pier in transverse direction．It demonstrates the relationship between block gap and bridge pier －block －support in the analysis of the seismic performance of single bridge pier in transverse direction．After then ，it makes analysis and comparison of the block gap influence on seismic performance of pier in transverse direction when adoption of three different blocks i．e．elastic block ，rubber buffer block ，and elastic －plastic block by nonlinear time tracing method．（16）Outline of Structural Design of Puxi Shaft in Construction Stage of Shanghai Changjiangxi Road Tunnel Zhang Heng………………………………………………………………………………………………According to the structural design characteristics in the construction stage of the working shaft of Shanghai Changjiangxi Road Tunnel at Puxi ，the paper introduces the variation of structural system and internal force under different engineering cases of retaining structure construction stage and shield driving stage．The plane model and large scale finite element spacial computational model are used to calculate and analyze structures under various stages ，providing reference for structural design and analysis of working shaft with extra －large size and extra －deep depth under complex conditions．（20）Architecture Design Analysis of Guanglan Road Station of Shanghai Rail Transit Line 2Zhang Xudong ……………………………………………………………………………………………………………The paper analyzes the main architectural characteristics of Guanglan Road Station of the East Extension of Shanghai Rail Transit Line 2，and makes focus on the control of station scale and fire evacuation design ，providing a reference for similar engineering design．（23）Application of Displacement Back Analysis Method in a Deep Metro Excavation Pit of Singapore ’s Integrated Resort Liao Fenliang…………………………………………………………………………………In this paper ，the construction of deep excavation pit of P8402Contract of Singapore ’s Marina Bay Sands integrated resort is taken as an example．Based on the monitoring data during Valet Parking （North Pit ）construction ，according to the displacement back analysis method ，construction design is —06—。
