小直徑圓形地下連續(xù)墻受力機(jī)理與設(shè)計(jì)方法

姚怡文 張 佳

0 引言

圓形地下連續(xù)墻，顧名思義指的是基坑開挖平面為圓形的深基坑地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)，圓形地下連續(xù)墻呈圓筒形。眾所周知，圓形或者圓弧形結(jié)構(gòu)具有得天獨(dú)厚的良好工程特性，例如拱橋等就是利用圓弧形結(jié)構(gòu)的優(yōu)良特性來設(shè)計(jì)的。圓弧形結(jié)構(gòu)的“拱效應(yīng)”可將結(jié)構(gòu)體上可能出現(xiàn)的彎矩轉(zhuǎn)化成軸力，充分利用了結(jié)構(gòu)的截面尺寸和材料的抗壓性能。這個(gè)原理在圓形地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì)中可以減少圓形地連墻墻體和內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)尺寸，使得深基坑圓形地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)更加安全經(jīng)濟(jì)。

圓形地下連續(xù)墻作為地下連續(xù)墻的一種特殊形式，在具備地下連續(xù)墻共性的同時(shí)，還具有其自身的特點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:1)圓形地下連續(xù)墻的空間效應(yīng)對結(jié)構(gòu)支護(hù)效能的發(fā)揮有利，能夠使支護(hù)結(jié)構(gòu)體系更為安全;2)由于圓形地連墻空間效應(yīng)可以顯著減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的尺寸，節(jié)省基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的成本;3)圓形支護(hù)結(jié)構(gòu)不需要橫向支撐，可以在基坑內(nèi)提供一個(gè)良好的開挖空間，適合大型開挖機(jī)械的施工，以縮短工期。同時(shí)圓形地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)也存在一些缺點(diǎn)，由于“拱效應(yīng)”的充分發(fā)揮一般要求結(jié)構(gòu)和土壓力基本對稱，圓形支護(hù)結(jié)構(gòu)在具有良好的空間抵抗變形性能的同時(shí)，也可能對各種工程因素具有較大的支護(hù)結(jié)構(gòu)敏感性。圓形地連墻及內(nèi)襯有良好的承受徑向?qū)ΨQ水土壓力的能力，但整個(gè)圓形基坑地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)還可能在較為顯著的不對稱水土壓力下產(chǎn)生不對稱變形，圓形地下連續(xù)墻筒體結(jié)構(gòu)可能變成不規(guī)則形狀，甚至發(fā)生圓形地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)整體傾斜或漂移，引起過大的支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中。

在深厚軟土地區(qū)工程建設(shè)中，大量存在著一類小直徑圓形深基坑地下連續(xù)墻構(gòu)筑物，如電力隧道的工作井、部分地鐵及頂管隧道的施工井、長距離交通隧道的通風(fēng)井、鋼鐵廠旋流沉淀池等。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的劃分，將基坑內(nèi)徑D與開挖深度H的比值在0.6～1.0的圓形深基坑界定為小直徑深基坑;而文獻(xiàn)[2]認(rèn)為直徑小于30 m的圓形深基坑為小直徑深基坑。這類構(gòu)筑物具有如下特點(diǎn):開挖深度普遍超過15 m;直徑一般小于30 m。

1 圓形地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)方法

圓形地下連續(xù)墻為深埋于土層中的圓筒形空間體系，其受力較復(fù)雜，目前關(guān)于圓形地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì)還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)還缺乏這方面的成熟經(jīng)驗(yàn)。目前已施工的許多圓形地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，結(jié)合其設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)時(shí)可采用以下3種方法進(jìn)行比較分析:

1)平面剛架分析。根據(jù)墻背水土壓力的變化，將地下連續(xù)墻沿高度方向分成若干段，每一段作為一個(gè)閉合多邊形剛架，并取該段中墻背的最大水土壓力進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)構(gòu)作為該段墻體的內(nèi)力代表值，這種把空間筒體轉(zhuǎn)化成平面多邊形剛架的方法，其特點(diǎn)是計(jì)算量小，呈階梯形變化的結(jié)果與實(shí)際配筋情況吻合，但計(jì)算值與實(shí)測值有較大偏差。

2)彈性地基桿系有限元法。將地下連續(xù)墻開挖面以上部分劃成單元寬度，支承在彈性地基上的連續(xù)環(huán)梁，將開挖面以下部分墻體視作溫克兒彈性地基梁，通過計(jì)算求得內(nèi)力和變形(見圖1)，采用這種方法進(jìn)行分析，結(jié)果偏大。桿系有限元法作為一種基坑設(shè)計(jì)方法，由于其概念清晰，計(jì)算簡單，計(jì)算參數(shù)較少，易于模擬工程實(shí)際等優(yōu)點(diǎn)在實(shí)際工程實(shí)踐中已得到了廣泛的應(yīng)用，如現(xiàn)行規(guī)范中的彈性地基梁法便是由此而來的。

在設(shè)計(jì)中，許多超深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也采用此法。但是隨著基坑工程深度的加大，對于15 m以上，20 m以上，直至30 m，40 m，50 m以上深度的基坑，這種獨(dú)立考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的計(jì)算模型與實(shí)際工況的差距也會(huì)越來越大，過分依賴于水土壓力和基床系數(shù)，也在一定程度上影響了其計(jì)算的精確性，加上其本身不可避免的缺陷也使人們逐漸意識到桿系有限元法存在的種種問題。最突出的現(xiàn)象就是工程實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的不符，在超深基坑的問題上就表現(xiàn)的更為突出。桿系有限元法是一種簡化近似的計(jì)算方法，比較簡單實(shí)用，可以求得圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，一般只能滿足工程的設(shè)計(jì)要求，不太適合理論研究的要求。

3)空間板殼有限元法。將地下連續(xù)墻體劃分成眾多三角形單元，假定與墻體底部相連的地基為支承空間筒體的附加彈性支座，按平面應(yīng)力和薄板彎曲應(yīng)力兩種狀態(tài)分別計(jì)算后疊加而成，這種方法的關(guān)鍵是確定“彈簧”的彈性系數(shù)。若及時(shí)補(bǔ)澆內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，則兩墻合一，內(nèi)襯具有一定的剛度，則可將此時(shí)施工完內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)視為空間三維結(jié)構(gòu)，可以考慮采用空間有限元法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，但由于三維分析難度較高，計(jì)算量大，計(jì)算假定的確定和眾多因素的考慮都會(huì)給設(shè)計(jì)者帶來許多困難，各方面的條件和時(shí)機(jī)尚不成熟，直接應(yīng)用于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也不一定能帶來較好的效果。

2 小直徑圓形深基坑設(shè)計(jì)參數(shù)的實(shí)例

幾個(gè)小直徑圓形深基坑設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 幾個(gè)小直徑圓形深基坑設(shè)計(jì)參數(shù)表

以上工程實(shí)例都有一些共同的特點(diǎn):1)圓形基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)與矩形基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)本身受力機(jī)理相類似，區(qū)別在于圓形深基坑一般可以完全免除支撐;2)通過無限增大墻體入土深度來減小基坑變形的作用有限，當(dāng)土體很軟時(shí)，應(yīng)通過增加支撐剛度或加固地基來改善變形情況;3)坑后土體沉降的分布形式取決于沉降量的大小，當(dāng)沉降量小時(shí)，離開墻背一定距離處地表沉降最大，否則最大沉降發(fā)生在緊靠墻體的地方。

3 圓形地下連續(xù)墻的一般設(shè)計(jì)方案

以上海電力隧道5號盾構(gòu)工作井為例闡述圓形地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)的一般方法，上海電力隧道5號盾構(gòu)工作井位于南車站路及斜土路路口。5號盾構(gòu)工作井為外直徑16.2 m，內(nèi)徑15 m的圓形工作井，工作井基坑深約24.4 m。

根據(jù)上海地區(qū)類似工程經(jīng)驗(yàn)，擬建5號盾構(gòu)工作井初步設(shè)計(jì)采用地下連續(xù)墻構(gòu)筑圓筒結(jié)構(gòu)，擬定方案:筒外壁為1.0 m厚地下連續(xù)墻和0.8 m厚內(nèi)襯相結(jié)合的整體復(fù)合墻體;既作圍護(hù)結(jié)構(gòu)又兼作地下結(jié)構(gòu)外墻，即“兩墻合一”。平面布置呈正多邊形，地下連續(xù)墻開挖深度為36.5 m。

基坑開挖深度大，承壓水水位較高，地下墻應(yīng)插入到可靠的隔水層內(nèi)。本基坑開挖深度下有⑦1層和⑨層兩層承壓水;基坑開挖面位于⑥層，離承壓水層⑦1層頂面約7.5 m，地下墻必須穿過⑦1層，并進(jìn)入相對隔水層⑦2層內(nèi)一定深度，如圖2所示。

在設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同工作井圓形地下墻體的比較，得出了以下一些規(guī)律性的結(jié)論:墻體側(cè)向位移呈中間大、兩頭小的“大肚皮形”，地面沉降呈“盆地形”，坑底隆起值在坑底中央達(dá)到最大值;圓形地下連續(xù)墻圍護(hù)開挖中，開挖半徑越大，墻體側(cè)向位移越大，地面沉降也越大，最大沉降點(diǎn)越遠(yuǎn)離基坑邊緣，坑底隆起值也越大;對于圓形圍護(hù)結(jié)構(gòu)，坑外土體向坑內(nèi)滑動(dòng)時(shí)，土體在環(huán)向上存在相互擠壓作用。當(dāng)圓形基坑的直徑(內(nèi)徑)與開挖深度之比較小時(shí)(D/H≤0.6)，隆起量最大值出現(xiàn)在基坑中心附近[2]，這與大直徑深基坑最大隆起值出現(xiàn)于支護(hù)墻墻趾附近有著顯著不同;增加墻體剛度(厚度)可以減小墻體側(cè)向位移、地面沉降和坑底隆起值，但其作用并不十分明顯，墻體厚度宜控制在600 mm～1 000 mm之間，也不必一味地增大混凝土的標(biāo)號。

表2 開挖30 m深的圓形基坑的直徑、入土系數(shù)與坑底隆起值關(guān)系表

針對上海地區(qū)地質(zhì)條件，有人曾對開挖深度為30 m的圓形地下連續(xù)墻取不同入土系數(shù)(墻體入土系數(shù)是指地下連續(xù)墻入土深度與基坑開挖深度的比值)時(shí)的基坑穩(wěn)定性，進(jìn)行了離心模擬試驗(yàn)和數(shù)值分析[3]。分析結(jié)果表明:若允許隆起值取開挖深度的0.1%，內(nèi)徑為20 m～30 m時(shí)，地下墻入土系數(shù)可取0.3～0.60(見表2)。

上海、江蘇和浙江軟土地區(qū)的工程實(shí)例也表明，內(nèi)徑較小的地下墻往往可取相當(dāng)小的入土系數(shù):內(nèi)徑15 m～30 m，開挖深度20 m～30 m的基坑入土系數(shù)取值一般在0.229～0.65之間。5號盾構(gòu)工作井入土系數(shù)為0.331 5，理論和經(jīng)驗(yàn)上是滿足基底土層抗隆起要求的。

圓形地連墻因其“拱效應(yīng)”顯著，可能產(chǎn)生很大的環(huán)向壓應(yīng)力。其環(huán)向應(yīng)力會(huì)遠(yuǎn)大于其豎向應(yīng)力，其脆性破壞就成為一種可能性，即地連墻被環(huán)向應(yīng)力壓碎。從這個(gè)層面來說，圓形地連墻的豎向彎矩和側(cè)向位移對圓形地連墻的設(shè)計(jì)施工都不再起控制作用。基坑周圍的不對稱土壓力，使得圓形地連墻環(huán)向應(yīng)力集中部位出現(xiàn)超過混凝土抗壓強(qiáng)度的環(huán)向應(yīng)力的幾率大大增加。圓形地下連續(xù)墻被其“拱效應(yīng)”產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力壓碎形成脆性破壞，圓形地連墻的“拱效應(yīng)”優(yōu)點(diǎn)演變成需要關(guān)注的問題。

人們常采用的圓形地連墻簡化計(jì)算方法——“拱效應(yīng)”虛擬支撐地基梁法，將圓形地連墻的“拱效應(yīng)”換算成虛擬的支撐去考察圓形地連墻的豎向彎矩，然后從墻體側(cè)向變形和豎向應(yīng)力的方向去把握圓形地下連續(xù)墻的安全性。如果我們僅僅根據(jù)墻體的豎向彎矩和墻體的側(cè)向位移，從而大幅減少圓形地連墻的截面尺寸，就有可能造成圓形地連墻不能承受環(huán)向應(yīng)力而發(fā)生壓碎。在地連墻的設(shè)計(jì)分析中，位移控制并非一成不變的真理。在圓形地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì)中，環(huán)向壓應(yīng)力需要作為一個(gè)要素指標(biāo)加以考慮，這是圓形地連墻設(shè)計(jì)分析過程中有別于其他形式地連墻的地方。我們在計(jì)算5號盾構(gòu)工作井時(shí)，就采取了此種方法進(jìn)行建模計(jì)算。

4 結(jié)語

小直徑圓形地下連續(xù)墻的設(shè)計(jì)還處于起步與發(fā)展階段，如何在設(shè)計(jì)精度與設(shè)計(jì)效率間取得最佳的平衡，還有很多工作要做，以下幾個(gè)方面可能是我們近期需要去努力的方向:

1)在圓形地連墻設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，墻體的環(huán)向壓應(yīng)力是圓形地連墻設(shè)計(jì)的一個(gè)重要安全控制指標(biāo)，同時(shí)也是最容易被大家忽視的一個(gè)安全隱患。而獲取圓形地連墻環(huán)向壓應(yīng)力值最好的辦法是進(jìn)行三維建模分析，這與目前推薦的彈性地基梁法有一定出入，需要設(shè)立一套較為便捷的適合圓形地連墻的三維設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

2)圓形地連墻直徑很大時(shí)，其內(nèi)襯作為環(huán)向支撐的拱效應(yīng)影響就會(huì)削弱，此時(shí)圓形地連墻的設(shè)計(jì)計(jì)算仍然以側(cè)向位移和豎向應(yīng)力控制為主。也就是說環(huán)向應(yīng)力是否成為圓形地連墻設(shè)計(jì)安全的控制因素，主要與圓形地連墻的平面尺寸有關(guān)。這個(gè)尺寸的臨界點(diǎn)以及圓形基坑的尺寸是否有可能超出該臨界點(diǎn)，需要我們進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

3)圓形地連墻三維有限元數(shù)值方法運(yùn)算時(shí)間長，計(jì)算成本高，特別是對于具有諸多工況超大型基坑，極大的運(yùn)算量限制了本法在目前計(jì)算機(jī)硬件條件下的廣泛使用。同時(shí)，目前的巖土計(jì)算軟件也不夠完善。圓形地連墻三維有限元設(shè)計(jì)計(jì)算方法的普及需要更高速更大容量的硬件、更為科學(xué)的算法和優(yōu)秀計(jì)算軟件的支持。

[1] 日本建設(shè)機(jī)械化協(xié)會(huì).地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)與施工手冊[M].祝國榮，夏明耀，高秀理，譯.北京:中國建工出版社，1983.

[2] 黃紹銘，高大釗.軟土地基與地下工程[M].第 2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[3] 劉 輝.圓形基坑地下連續(xù)墻不同入土系數(shù)時(shí)基坑穩(wěn)定性 分析[D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2002.