GEO5某圆形顶管工作井稳定性分析

一、项目背景

       某地下暗挖施工采用泥水平衡岩石顶管机施工工艺，管材采用DN2400管径钢筋混凝土管。顶管机机头自重56t，直径为2.92m，长5.85m，采用全地面起重机整体吊入工作井内导轨上，然后在顶推设备作用下进行顶进作业。工作井采用护壁逆作法施工，深度为15m，支护结构采用桩径1m咬合式排桩，桩长21m，嵌固深度7m，在深度0.5m处设置1m×1m冠梁、5.6m与10.2m处设2道0.8×0.8钢筋混凝土环梁支撑。

图1：顶管机机头吊装现场

图2：吊装作业平面布置

二、设计方案

       工作井由设计单位设计，未考虑临近桩基吊车荷载对桩基础影响，设计地面超载一般为20kPa，本次吊装施工中，地面超载远超过了设计允许值。超载过大容易导致工作井位移过大，影响支护结构安全。吊装工况的发生，是设计单位在设计阶段无法预料的，施工单位在该特殊工况下，应进行安全性复核。

       由于R3、R4离基坑较远，超载引起的土压力扩散对工作井影响较小，仅考虑R1、R2对工作井影响。支腿1受力912.30 kN ，支腿2受力 702.44 kN，支腿下设置路基箱1.5m×6m，分别等效局部荷载为101.37kPa，78.05kPa。

       模型建立过程中，地基土体采用修正Mohr-Coulomb模型进行模拟，土压力采用主动土压力计算，并考虑地下水位影响，地下水位根据施工实测取-6m。支护结构受力主要在水平方向，忽略支护桩的自重等轴向受力。选用GEO5“竖井模块”进行结构受力计算。

岩土材料指标如下：

三、分析计算

       依次对各工况进行计算分析，得到围护桩受力情况见图3、图4。

图3：围护桩弯矩

图4：围护桩剪力

      桩身受力弯矩最大值为1170.13kNm，剪力最大值417.49KN，均在第三道腰梁处（Z=10.2m）,与桩身截面承载力1168.49 kN·m大致相等，考虑吊车荷载为偶然状态下短暂施加，非持久设计工况下，可认为达到承载力状态。开挖至基底时，桩身位移达到最大为8.1mm。

       Z=0.5m、Z=5.6m、Z=10.2m处设置三道腰梁，受力分别如下图5至图10

       通过腰梁受力分析，三道腰梁受力包络图均表现椭圆形，均存在受压区和受拉区，且受压区受拉区径向对称，最大值相似。具有环状物受力形态的共同点。第一道和第二道腰梁水平环向受力性状基本相同，随着深度增加，呈现第三道腰梁＞第二道腰梁＞第一道腰梁。

       最大弯矩值1070.13 kN.m与桩身截面承载力1168.49kN.m大致相等，考虑吊车荷载为偶然状态下短暂施加，以及荷载取值与材料性能的安全储备，可认为满足安全要求。

       第三道腰梁受力最大，以第三道腰梁截面复核为例，根据《混凝土结构设计规范》GB50010第6.1.2条，在最大弯矩和剪力作用下，上部钢筋应配置钢筋面积1280mm2，实配6C20（钢筋面积1885mm2），腰筋应配置1224mm2，实配4 C 20(钢筋面积1257mm2)，下部纵筋应配置2419mm2，实配钢筋8 C 20（钢筋面积2513mm2），满足要求。

四、 总结

       暗挖始发井和顶管工作井等竖井结构不同于一般基坑工程，不仅有围护结构，还需要加环形腰梁。利用GEO5竖井模块建模，使用方便，可以得到环形腰梁的内力包络图，为后续结构设计提供受力依据。