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摘要：大型圆形深井与常规矩形工作井在几何形状上的差异，决定了其受力变形特性，内部构造也存在较大的不同。通过对位于软土层的上海电力电缆隧道5#工作井的设计情况分析，从建筑、结构设计的角度探讨了大型圆形深工作井内部布置、基坑开挖阶段、内部结构回筑阶段等的设计要点。为今后类似深基坑的工程设计累计了经验，提供参考。
关键词：世博会；电力电缆隧道；圆形工作井；工程设计；深基坑
圆形工作井指的是基坑开挖平面为圆形且内部结构的衬砌形成圆筒的地下结构。圆形或者圆弧形结构具有得天独厚的良好工程特性，其“拱效应”可将结构体上可能出现的弯矩转化成轴力，充分利用了混凝土构件的抗压性能。这个原理在圆形结构的设计中可以减少围护结构及内衬的结构尺寸，使结构更加安全经济。
圆形工作井其优点主要体现在以下三个方面：（1）具有显著的空间效应使支护结构体系更为安全；（2）由于“拱效应”的存在，可以使混凝土构件的抗压特性得到充分发挥，使工程更经济；（3）圆形支护结构不需要横向支撑，可以在基坑内提供一个良好的开挖空間，适合大型开挖机械的施工，以缩短工期。
圆形工作井的设计同时存在着一些值得注意的地方：（1）由于“拱效应”的充分发挥一般要求结构和土压力基本对称，但由于整个圆形基坑地连墙支护结构还可能在较为显著的不对称水土压下产生不对称变形，圆形地下连续墙筒体结构就可能变成不规则形状，甚至发生圆形地连墙支护结构整体倾斜或漂移，引起过大的支护结构的应力集中。（2）电力隧道工作井中各层板上由于管线众多，开孔率往往在60%以上。同时由于盾构进出洞的角度常常不是90°，电缆的走向也呈现不规则，因此圆形工作井的建筑布置要比常规矩形工作井复杂。
一、工程概况
由于上海世博会期间，高电压等级的变电站进入城市中心区，采用大截面电缆输送电力。借鉴国外经济发达的大型城市的供电设施建设经验，采用电力电缆隧道进行电力输送。
上海市北京西路~华夏西路电力电缆隧道工程，连接市中心世博500KV变电站和三林500KV变电站，是上海城区电力输送主干网络建设工程，两变电站直线距离约11.5Km。
线路走向为自世博变电站内工作井，沿南北高架路西侧向南，穿越黄浦江后进入浦东世博园区，随后向南进入三林变电站。线路全长约15.3km，其中盾构法隧道内径Φ5.5m，长约8.84km，沿线共设14座工作井。本文介绍的5#工作井就是电力电缆隧道区间位于上海市中心的一个大型圆形深工作井。
二、内部建筑布置
板的内部布置方案众多，如：井字形布置；类似于无梁楼盖的布置；仅设置主梁，再设置暗梁的布置等。5#工作井各层板开孔众多，在孔洞布置的过程中经与结构、风水电等专业协调后，最终采取“树状布置”的方案。即：确保与盾构转折线成45°角仅有的一根主梁（“树干”）贯通，其余次梁如“树枝“一般连接与主梁与内衬，孔洞均布置于次梁两侧。如图1所示：
图1 圆形工作井建筑布置平面图
这样的布置能确保受力途径为：板----次梁----主梁---柱，使受力清晰明了。同时按照这一原则能把复杂的孔洞布置规范化。在本次电力电缆隧道工程中，各圆形工作井的建筑布置均按照“树状布置”，不论其他圆井的建筑布置是否更复杂，开孔更多，都能迅速布置出合理方案。在满足各专业的需要，降低设计难度的同时也提高了设计质量。
三、 地墙设计分析
根据上海地区类似工程经验，拟建的5号盾构工作井设计采用地下连续墙构筑圆筒结构，拟定方案：筒外壁为1.0m厚地下连续墙和0.8m厚内衬相结合的整体复合墙体；既做围护结构又兼做地下结构外墙，即“两墙合一”。平面布置呈正多边形。地下连续墙开挖深度为36.5m。
基坑开挖深度大，承压水水位较高，地下墙应插入到可靠的隔水层内。本基坑开挖深度下有⑦1层和⑨层两层承压水层；基坑开挖面位于⑥层，离承压水层⑦1层顶面约7.5m，地下墙必须穿过⑦1层，并进入相对隔水层⑦2层内一定深度。
考虑到基坑的深度及上海的不利土层，地墙计算采用常规的“弹性地基梁法”。而不同于常规地墙的圆形地连墙简化计算方法—“拱效应”虚拟支撑地基梁法，将圆形地连墙的“拱效应”换算成虚拟的支撑。将地下连续墙开挖面以上部分划成单元宽度，支承在弹性地基上的连续环梁，将开挖面以下部分墙体视作温克儿弹性地基梁，通过计算求得内力和变形。圆形环梁刚度按照公式换算。
四、环梁及内衬设计分析
在5#工作井圆形深基坑的设计中，开挖阶段及内衬回筑阶段均不设置内部支撑。底板、内衬回筑完成后，由于盾构吊装、出土等需要，工作井长期处于不浇筑各层顶中板，由环梁来承受工作井周围的水土压力。因此环梁设计为本工程设计中的关键 。
（一）环梁的构造：
考虑到环梁构造的完整性及盾构吊装需要，除首道圈梁外，其余均采用与内衬等厚（600mmX2000mm）尺寸。由于环梁混凝土等级高于各层板及内衬，为了确保使用阶段各层板与内衬连接的可靠，环梁底与各层中板底齐平，确保环梁不与板连接。环梁与地墙间采用接驳器连接。
（二）环梁的计算分析：
圆形地连墙因其“拱效应”显著，可能产生很大的环向压应力。当其环向应力会远大于其竖向应力，其脆性破坏就成为一种可能性，即地连墙被的环向应力压碎。从这个层面来说，圆形地连墙的竖向弯矩和侧向位移对圆形地连墙的设计施工都不再起控制作用。基坑周围的不对称土压力，使得圆形地连墙环向应力集中部位出现超过混凝土抗压强度的环向应力的几率大大增加。因此在环梁计算分析中为了确保工程安全，内力计算不计入地墙厚度，仅考虑内衬部分环梁厚度。
环梁的受力状况较为复杂。在理想模型情况下，环梁受均布荷载，通过分析易知环梁的荷载控制工况为基坑开挖阶段，因此作用在环梁上的荷载q可取施工阶段的包络荷载。然而不同于常规工作井，环梁上还存在由于“拱效应”及土压力不均匀产生的应力改变，特别是在上海这样的软土层中，这样的应力变化会极大地影响环梁的设计。
综上所述，环梁的计算可采取两个方案，最后取两方案计算的内力较大值来作为环梁计算的结果。
1．方案一：
环梁按承受均布荷载作用，荷载取开挖阶段支撑轴力计算包络值（见图2）。
图2环梁平面计算结果图
计算分析采用有限元软件，按照平面建立环梁模型，环梁的截面仅为与内衬等厚部分，不计入地墙厚度。该方案为常见的计算方式，在这种平面假定的模型下计算出的内力值一般偏安全。
2．方案二：
该方案中，充分考虑环梁由于“拱效应”及周边应力不均匀造成的环梁内力变化。根据经验利用简化的计算方法，来求得这一工况下的内力值。
假定圆形工作井井壁上的土压力由于周围土质不均匀及土体塌陷等原因，使井壁在同一水平圆环上的土压力呈不均匀分布，在互成90度的井圈上两点处沿径向分布的土压力分布为qA、qB（qB>qA）。计算qA、qB时的土壤内摩擦角采用：（其中 为土体的内摩擦角）
式中为由渐变为时井壁上任意点的土压力值。
A、B截面上的内力计算公式为：
式中r为井壁平均半径。
根据以上公式，只要求得环梁上垂直两点的主动土压力，就可求得环梁上的不均匀内力。
主动土压力作用范围可简化取值，考虑上下两道环梁作用面积的一半。
最后，根据方案二求得的、、、与方案一中所得内力作比较，取其中较大值为环梁计算内力。
（三）内衬构造分析：
由于在基坑围护开挖阶段所有水土压力均由环梁承担，而开挖阶段的荷载为控制工况。因此内衬仅作为构造处理，不考虑内衬与环梁共同承担水土压力。
后期使用阶段可能存在围护结构变形，使内衬产生相应的协调变形，内力增大，可能会产生开裂等不良后果。因此除了竖向构造配筋外，可考虑适当增强内衬环向钢筋。
五、结语
大型圆形深工作井的设计还处于起步与发展阶段，如何在设计精度与设计效率间取得最佳的平衡，还有很多工作要做，以下几个方面是近期需要去努力的方向：
在圆形地连墙设计计算过程中，墙体的环向压应力是圆形地连墙设计的一个重要安全控制指标，同时也是最容易被大家忽视的一个安全隐患。而获取圆形地连墙环向压应力值最好的办法是进行三维建模分析，这与目前推荐的弹性地基梁法有一定出入，需要设立一套较为便捷的适合圆形地连墙的三维设计计算方法。
环梁的计算分析采用二维的经验方法，这种假定下的计算结果往往会大于结构实际受力，造成不合理及投资浪费。如何设计一种相对简单、准确的三维模型来模拟圆井周边土体的变化造成的环梁内力影响，这需要进一步开发和研究。
参考文献
[1]日本建设机械化协会．地下连续墙设计与施工手册[M]．祝国荣，夏明耀，高秀理译，1983．
[2]黄绍铭，高大钊．软土地基与地下工程（第2版）[M]．中国建筑工业出版社，2008．
[3]刘辉．圆形基坑地下连续墙不同入土系数时基坑稳定性分析[D]。上海：同济大学，2002．
作者简介：张佳（1982- ），男，上海人，上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司工程师；尚艳娜（1981- ） 女，上海人，上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司助理工程师。
关键词：世博会；电力电缆隧道；圆形工作井；工程设计；深基坑
圆形工作井指的是基坑开挖平面为圆形且内部结构的衬砌形成圆筒的地下结构。圆形或者圆弧形结构具有得天独厚的良好工程特性，其“拱效应”可将结构体上可能出现的弯矩转化成轴力，充分利用了混凝土构件的抗压性能。这个原理在圆形结构的设计中可以减少围护结构及内衬的结构尺寸，使结构更加安全经济。
圆形工作井其优点主要体现在以下三个方面：（1）具有显著的空间效应使支护结构体系更为安全；（2）由于“拱效应”的存在，可以使混凝土构件的抗压特性得到充分发挥，使工程更经济；（3）圆形支护结构不需要横向支撑，可以在基坑内提供一个良好的开挖空間，适合大型开挖机械的施工，以缩短工期。
圆形工作井的设计同时存在着一些值得注意的地方：（1）由于“拱效应”的充分发挥一般要求结构和土压力基本对称，但由于整个圆形基坑地连墙支护结构还可能在较为显著的不对称水土压下产生不对称变形，圆形地下连续墙筒体结构就可能变成不规则形状，甚至发生圆形地连墙支护结构整体倾斜或漂移，引起过大的支护结构的应力集中。（2）电力隧道工作井中各层板上由于管线众多，开孔率往往在60%以上。同时由于盾构进出洞的角度常常不是90°，电缆的走向也呈现不规则，因此圆形工作井的建筑布置要比常规矩形工作井复杂。
一、工程概况
由于上海世博会期间，高电压等级的变电站进入城市中心区，采用大截面电缆输送电力。借鉴国外经济发达的大型城市的供电设施建设经验，采用电力电缆隧道进行电力输送。
上海市北京西路~华夏西路电力电缆隧道工程，连接市中心世博500KV变电站和三林500KV变电站，是上海城区电力输送主干网络建设工程，两变电站直线距离约11.5Km。
线路走向为自世博变电站内工作井，沿南北高架路西侧向南，穿越黄浦江后进入浦东世博园区，随后向南进入三林变电站。线路全长约15.3km，其中盾构法隧道内径Φ5.5m，长约8.84km，沿线共设14座工作井。本文介绍的5#工作井就是电力电缆隧道区间位于上海市中心的一个大型圆形深工作井。
二、内部建筑布置
板的内部布置方案众多，如：井字形布置；类似于无梁楼盖的布置；仅设置主梁，再设置暗梁的布置等。5#工作井各层板开孔众多，在孔洞布置的过程中经与结构、风水电等专业协调后，最终采取“树状布置”的方案。即：确保与盾构转折线成45°角仅有的一根主梁（“树干”）贯通，其余次梁如“树枝“一般连接与主梁与内衬，孔洞均布置于次梁两侧。如图1所示：
图1 圆形工作井建筑布置平面图
这样的布置能确保受力途径为：板----次梁----主梁---柱，使受力清晰明了。同时按照这一原则能把复杂的孔洞布置规范化。在本次电力电缆隧道工程中，各圆形工作井的建筑布置均按照“树状布置”，不论其他圆井的建筑布置是否更复杂，开孔更多，都能迅速布置出合理方案。在满足各专业的需要，降低设计难度的同时也提高了设计质量。
三、 地墙设计分析
根据上海地区类似工程经验，拟建的5号盾构工作井设计采用地下连续墙构筑圆筒结构，拟定方案：筒外壁为1.0m厚地下连续墙和0.8m厚内衬相结合的整体复合墙体；既做围护结构又兼做地下结构外墙，即“两墙合一”。平面布置呈正多边形。地下连续墙开挖深度为36.5m。
基坑开挖深度大，承压水水位较高，地下墙应插入到可靠的隔水层内。本基坑开挖深度下有⑦1层和⑨层两层承压水层；基坑开挖面位于⑥层，离承压水层⑦1层顶面约7.5m，地下墙必须穿过⑦1层，并进入相对隔水层⑦2层内一定深度。
考虑到基坑的深度及上海的不利土层，地墙计算采用常规的“弹性地基梁法”。而不同于常规地墙的圆形地连墙简化计算方法—“拱效应”虚拟支撑地基梁法，将圆形地连墙的“拱效应”换算成虚拟的支撑。将地下连续墙开挖面以上部分划成单元宽度，支承在弹性地基上的连续环梁，将开挖面以下部分墙体视作温克儿弹性地基梁，通过计算求得内力和变形。圆形环梁刚度按照公式换算。
四、环梁及内衬设计分析
在5#工作井圆形深基坑的设计中，开挖阶段及内衬回筑阶段均不设置内部支撑。底板、内衬回筑完成后，由于盾构吊装、出土等需要，工作井长期处于不浇筑各层顶中板，由环梁来承受工作井周围的水土压力。因此环梁设计为本工程设计中的关键 。
（一）环梁的构造：
考虑到环梁构造的完整性及盾构吊装需要，除首道圈梁外，其余均采用与内衬等厚（600mmX2000mm）尺寸。由于环梁混凝土等级高于各层板及内衬，为了确保使用阶段各层板与内衬连接的可靠，环梁底与各层中板底齐平，确保环梁不与板连接。环梁与地墙间采用接驳器连接。
（二）环梁的计算分析：
圆形地连墙因其“拱效应”显著，可能产生很大的环向压应力。当其环向应力会远大于其竖向应力，其脆性破坏就成为一种可能性，即地连墙被的环向应力压碎。从这个层面来说，圆形地连墙的竖向弯矩和侧向位移对圆形地连墙的设计施工都不再起控制作用。基坑周围的不对称土压力，使得圆形地连墙环向应力集中部位出现超过混凝土抗压强度的环向应力的几率大大增加。因此在环梁计算分析中为了确保工程安全，内力计算不计入地墙厚度，仅考虑内衬部分环梁厚度。
环梁的受力状况较为复杂。在理想模型情况下，环梁受均布荷载，通过分析易知环梁的荷载控制工况为基坑开挖阶段，因此作用在环梁上的荷载q可取施工阶段的包络荷载。然而不同于常规工作井，环梁上还存在由于“拱效应”及土压力不均匀产生的应力改变，特别是在上海这样的软土层中，这样的应力变化会极大地影响环梁的设计。
综上所述，环梁的计算可采取两个方案，最后取两方案计算的内力较大值来作为环梁计算的结果。
1．方案一：
环梁按承受均布荷载作用，荷载取开挖阶段支撑轴力计算包络值（见图2）。
图2环梁平面计算结果图
计算分析采用有限元软件，按照平面建立环梁模型，环梁的截面仅为与内衬等厚部分，不计入地墙厚度。该方案为常见的计算方式，在这种平面假定的模型下计算出的内力值一般偏安全。
2．方案二：
该方案中，充分考虑环梁由于“拱效应”及周边应力不均匀造成的环梁内力变化。根据经验利用简化的计算方法，来求得这一工况下的内力值。
假定圆形工作井井壁上的土压力由于周围土质不均匀及土体塌陷等原因，使井壁在同一水平圆环上的土压力呈不均匀分布，在互成90度的井圈上两点处沿径向分布的土压力分布为qA、qB（qB>qA）。计算qA、qB时的土壤内摩擦角采用：（其中 为土体的内摩擦角）
式中为由渐变为时井壁上任意点的土压力值。
A、B截面上的内力计算公式为：
式中r为井壁平均半径。
根据以上公式，只要求得环梁上垂直两点的主动土压力，就可求得环梁上的不均匀内力。
主动土压力作用范围可简化取值，考虑上下两道环梁作用面积的一半。
最后，根据方案二求得的、、、与方案一中所得内力作比较，取其中较大值为环梁计算内力。
（三）内衬构造分析：
由于在基坑围护开挖阶段所有水土压力均由环梁承担，而开挖阶段的荷载为控制工况。因此内衬仅作为构造处理，不考虑内衬与环梁共同承担水土压力。
后期使用阶段可能存在围护结构变形，使内衬产生相应的协调变形，内力增大，可能会产生开裂等不良后果。因此除了竖向构造配筋外，可考虑适当增强内衬环向钢筋。
五、结语
大型圆形深工作井的设计还处于起步与发展阶段，如何在设计精度与设计效率间取得最佳的平衡，还有很多工作要做，以下几个方面是近期需要去努力的方向：
在圆形地连墙设计计算过程中，墙体的环向压应力是圆形地连墙设计的一个重要安全控制指标，同时也是最容易被大家忽视的一个安全隐患。而获取圆形地连墙环向压应力值最好的办法是进行三维建模分析，这与目前推荐的弹性地基梁法有一定出入，需要设立一套较为便捷的适合圆形地连墙的三维设计计算方法。
环梁的计算分析采用二维的经验方法，这种假定下的计算结果往往会大于结构实际受力，造成不合理及投资浪费。如何设计一种相对简单、准确的三维模型来模拟圆井周边土体的变化造成的环梁内力影响，这需要进一步开发和研究。
参考文献
[1]日本建设机械化协会．地下连续墙设计与施工手册[M]．祝国荣，夏明耀，高秀理译，1983．
[2]黄绍铭，高大钊．软土地基与地下工程（第2版）[M]．中国建筑工业出版社，2008．
[3]刘辉．圆形基坑地下连续墙不同入土系数时基坑稳定性分析[D]。上海：同济大学，2002．
作者简介：张佳（1982- ），男，上海人，上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司工程师；尚艳娜（1981- ） 女，上海人，上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司助理工程师。