深厚軟土地區(qū)深大管廊基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

李寶軍，張志軍

（1.深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心，廣東 深圳 518000；2.中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710024）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市發(fā)展速度也越來越快。在我國東南沿海等發(fā)達(dá)地區(qū)，地面空間已經(jīng)被大量開發(fā)和占用，地面可供開發(fā)和利用的空間越來越少。由于地面空間的不足，“向地下要空間”的理念被提出和逐步被重視，地下城市、綜合管廊等地下空間開發(fā)方案日益被提出和實(shí)踐。

城市綜合管廊是在城市中修建一條隧道，把電力、供水、排污等管道都放在此隧道中，統(tǒng)一維護(hù)保養(yǎng)，集約化管理。地下綜合管廊深基坑具有斷面寬度大、線形長的特點(diǎn)，與常見的方形或其他形狀的房建基坑有所區(qū)別，所受到的土壓力以及基坑結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形特征也與前者不同，因此管廊基坑防護(hù)措施和作用機(jī)理較為復(fù)雜。張江濤等［1］采用 PLAXIS 2D 對(duì)比分析了管廊基坑開挖過程中鋼板樁支護(hù)體系的土壓力、鋼板樁水平位移、鋼板樁彎矩、基坑周邊地表沉降以及支撐軸力等的變化情況。胡紅亮［2］以平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)地下管廊深基坑工程為研究背景，將原設(shè)計(jì)中最上面混凝土內(nèi)支撐優(yōu)化成鋼管撐，并用有限元軟件進(jìn)行了分析，合理地對(duì)原支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化。劉興旺等［3］通過對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系變形的相關(guān)研究分析，發(fā)現(xiàn)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移正常范圍為基坑深度的 0.2 %～0.9 % 左右，并據(jù)此提出了新的計(jì)算基坑周邊地表沉降的經(jīng)驗(yàn)公式。劉新毓［4］通過對(duì)監(jiān)測資料進(jìn)行分析及利用 FLAC3D 對(duì)基坑開挖方式與鋼板樁內(nèi)支撐進(jìn)行了數(shù)值模擬，確定了鋼板樁作為內(nèi)支撐時(shí)的有效性和安全性。張赟［5］以青山北路綜合管廊基坑為例，通過對(duì)工程地質(zhì)條件、水文條件、周邊環(huán)境進(jìn)行分析，采用拉森鋼板樁+鋼支撐支護(hù)及混凝土灌注樁+鋼支撐支護(hù)、混凝土灌注樁+混凝土支撐支護(hù)做為最終支護(hù)方案。應(yīng)宏偉等［6］建立了二維有限元計(jì)算軟件對(duì)基坑內(nèi)力和位移進(jìn)行了分析，并與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了二維有限元計(jì)算模型和相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確性。Whittled 等［7］對(duì)深基坑建立了有限元計(jì)算模型并進(jìn)行分析，而且在建立模型的過程中考慮了水和土體的耦合作用，使模型更符合實(shí)際情況。王建華等［8］以上海銀行深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)為例，在有限元計(jì)算軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行了二次開發(fā)，成功實(shí)現(xiàn)了m法，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測資料，使用非線性回歸反分析方法得到了各土層的最合適m值。

綜上所述，已有大量研究者對(duì)綜合管廊基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移等方面進(jìn)行研究。但總的來看，這些研究所涉及的支護(hù)結(jié)構(gòu)多為鋼板樁，由于其剛度限制，難以適用于深厚軟土地區(qū)的寬大管廊基坑中。因此，需要對(duì)深厚軟土地區(qū)的深大管廊基坑及其支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行研究，以驗(yàn)證和優(yōu)化相關(guān)設(shè)計(jì)的適用性。本文基于媽灣跨海隧道綜合管廊深基坑工程，將 MIDAS GTS 這一有限元分析軟件，應(yīng)用于基坑三維數(shù)值模型構(gòu)建和分析中，對(duì)基坑開挖和支護(hù)的過程進(jìn)行了模擬，通過計(jì)算得到了不同開挖階段內(nèi)支撐、立柱及地連墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律，為后續(xù)施工采取相應(yīng)的變形控制措施提供參考。

1 工程概況

1.1 工程概況

該基坑工程為深圳市媽灣跨海通道工程的一部分，擬建線路位于深圳市南頭半島西北側(cè)的大鏟灣（現(xiàn)稱前海灣），原始地貌屬珠江口伶仃洋東部的次一級(jí)淺海灣，當(dāng)時(shí)灣口寬約 8 km，灣口水深 3～5 m，灣內(nèi)水深大部分不足 2 m，灣內(nèi)水域面積約 20 km2。管廊基坑項(xiàng)目所采用的支護(hù)方式為 1 000 mm 厚地下連續(xù)墻加 3～4 道鋼筋混凝土內(nèi)支撐支護(hù)，其中第一道內(nèi)支撐截面為1.0 m×1.0 m，下面的內(nèi)支撐截面為 0.8 m×0.8 m。大鏟灣段基坑的開挖深度為 18.1～21.8 m，平均基坑寬度為 52.5 m。為保證內(nèi)支撐的穩(wěn)定，在地連墻施工完成后，在基坑內(nèi)部間隔一定距離設(shè)置了 3 道臨時(shí)鋼立柱，立柱底部采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁徑為 1.2 m，灌注樁打入基坑底部以下 10 m。

1.2 地質(zhì)情況

工程所在地區(qū)地下結(jié)構(gòu)主要由人工填土、第四系全新統(tǒng)海陸交互沉積淤泥、全新統(tǒng)沖洪積黏土、混合花崗巖等組成；位于抗震設(shè)防烈度 7 度區(qū)，部分沖洪積中砂層在 7 度及以上烈度作用下為液化土層，液化等級(jí)為輕微。主要地層介紹如表 1 所示。

表1 地層情況

此外綜合管廊段與主線共線的 K3+100～K3+290范圍分布斷裂 F3，在主線隧道鉆孔 CW-SD-494、CW-SD-505、CW-SD-512、CW-SD-516 等揭露，結(jié)合鉆探及蛇口斷裂組推測而來，為小型伴生斷裂，主要表現(xiàn)為碎裂巖，該斷裂走向北西 50°～55°，傾角約 58°，寬度約 5～10 m，具明顯碎裂～碎斑結(jié)構(gòu)，影響區(qū)域巖體節(jié)理裂隙發(fā)育。

2 模型概況

在本文中，MIDAS GTS-NX 被應(yīng)用到基坑施工三維模型的建立和分析中，本文所分析的計(jì)算域大小為 11 2 m×112 m×50 m，由于管廊基坑較長，故根據(jù)分段施工情況，選取管廊基坑的一段，構(gòu)建施工模型，其中垂直于內(nèi)支撐方向的邊界為虛擬邊界。對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行簡化后，模型的地層從上至下分別為沖填土、淤泥質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土以及混合花崗巖，層厚分別為 9、15、11、15 m，各層土的物理力學(xué)參數(shù)如表 2 所示。

表2 計(jì)算所用巖土參數(shù)表

根據(jù)地層情況和施工圖紙，建立了如圖 1 所示的基坑分析模型。在該模型中，一維梁單元被用于模擬內(nèi)支撐及抗拔樁，二維板單元?jiǎng)t用于模擬地下連續(xù)墻，三維實(shí)體單元用于模擬基坑周圍的土體。在建模過程中，根據(jù)媽灣隧道綜合管廊深基坑施工的實(shí)際情況，施加相應(yīng)的的邊界條件，主要包括：對(duì)y方向上的 2 個(gè)側(cè)面，對(duì)其y方向上的水平位移進(jìn)行約束，模型中z方向的上表面設(shè)置為自由面；而z方向的下表面，則約束其上所有 3 個(gè)方向的位移，考慮到地下綜合管廊在實(shí)際施工中是分段開挖的，因此在隧道開挖方向，即x方向的 2 個(gè)邊界，在建模過程中沒有包含在內(nèi)，為虛擬邊界。邊界條件施加完畢之后對(duì)模型進(jìn)行重力場平衡。

圖1 基坑有限元模型網(wǎng)格圖及內(nèi)支撐、地連墻細(xì)部圖

在開挖模擬中，施工的模擬主要按照 5 個(gè)步驟進(jìn)行：①施工臨時(shí)立柱和地下連續(xù)墻；②施工頂層內(nèi)支撐并開挖第一層土；③施作下一層內(nèi)支撐并再開挖；④重復(fù)支護(hù)-開挖過程至開挖至基底；⑤開挖至基坑底部時(shí)，澆筑封底混凝土。

3 結(jié)果與分析

3.1 內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)軸力分析

對(duì)于深厚軟土地區(qū)的深基坑工程而言，內(nèi)支撐的重要性是不言而喻的。由于內(nèi)支撐的存在，有效地約束住擋土結(jié)構(gòu)（支護(hù)樁、地連墻、鋼板樁）的橫向變形，從而可以避免圍護(hù)結(jié)構(gòu)、周圍地層及地表發(fā)生過大的變形，危及施工和周圍建筑物安全。對(duì)于深厚軟土地區(qū)的管廊基坑而言，由于管廊基坑寬度、深度較大，鋼支撐雖然其強(qiáng)度高，但是其截面剛度較低，容易發(fā)生失穩(wěn)，不適用于管廊基坑這種對(duì)變形控制要求嚴(yán)格的情況。相比之下，混凝土支撐的剛度較大，且直接澆筑在地連墻上，所形成的連接節(jié)點(diǎn)更為穩(wěn)固。

內(nèi)支撐的軸力、連接方式等對(duì)其自身的強(qiáng)度和穩(wěn)定性影響十分重要，因此需要研究內(nèi)支撐在施工過程中的軸力變化。內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)軸力隨開挖工況的變化如圖 2 所示。根據(jù)圖 2，隨著基坑開挖和施工，第一道支撐開始時(shí)最大軸力比較小，最大只有 71 kN；但隨著開挖的進(jìn)行，逐漸增加，工況 2 時(shí)，就迅速增加到了 285 kN；而到工況 3 時(shí)，最大為 674 kN；到工況 4 時(shí)，最大為 1 049 kN，可以看出隨著開挖的進(jìn)行，最后趨于平穩(wěn)，沒有太大的波動(dòng)。第二道支撐到工況 2 時(shí)，最大為 82 kN；到工況 4 時(shí)，最大為 1 066 kN。第三道支撐到工況 3 時(shí)，最大為 186 kN；到工況 4 時(shí)，最大為 1 070 kN。第四道支撐在工況 4 時(shí)，最大為 947 kN。從內(nèi)支撐各部分整體軸力來看，第二道支撐一開始就承擔(dān)了較大的軸力，在整個(gè)開挖過程中其軸力也是最大的。第三道支撐架設(shè)較晚，但其軸力的增長速度很快。第四道支撐一開始就承擔(dān)了很大的軸力。從第四施工步的情況看，在基坑開挖的最后階段第一道支撐的軸力較小，因此后三道支撐承擔(dān)了主要的水平荷載。

圖2 內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)軸力隨開挖工況的變化

3.2 立柱結(jié)構(gòu)軸力分析

對(duì)于沒有中間支撐或約束的內(nèi)支撐而言，可以看作是一個(gè)細(xì)長的壓桿。由此一來，除了鋼筋混凝土支撐的強(qiáng)度需要校核外，還需要保證內(nèi)支撐的穩(wěn)定性。通過在內(nèi)支撐中部增加約束就可以提升壓桿的穩(wěn)定性，這也是立柱的作用之一。此外，立柱還需要承擔(dān)內(nèi)支撐的部分重量。因此，立柱也可以看作是一個(gè)受壓構(gòu)件，其軸力在施工過程的變化對(duì)研究其穩(wěn)定性至關(guān)重要。

立柱的軸力變化如圖 3 所示，從圖 3 立柱軸力云圖可以看出隨著開挖工況的變化，立柱軸力整體逐漸增大，第一工況時(shí)，正軸力最大為 1 640 kN，負(fù)軸力最大為 373 kN；第二工況時(shí)，正軸力最大為 4 896 kN，負(fù)軸力最大為 989 kN；第三工況時(shí)，正軸力最大為 5 641 kN，負(fù)軸力最大為 1 676 kN；第四工況時(shí)，正軸力最大為 3 208 kN，負(fù)軸力最大為 2 393 kN；且軸力正負(fù)最大值逐漸從中部和上部向下部轉(zhuǎn)移，說明內(nèi)支撐的增加對(duì)立柱的軸力影響很大，但整體是趨于穩(wěn)定的。

圖3 立柱軸力隨開挖工況的變化

3.3 地連墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

在基坑開挖過程中，地連墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布對(duì)于地連墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全十分關(guān)鍵，通過分析內(nèi)力的變化，可以結(jié)合混凝土的強(qiáng)度，判斷地連墻結(jié)構(gòu)是否會(huì)出現(xiàn)開裂等影響結(jié)構(gòu)安全的不利情況。在本文中，將通過 Midas GTX-NX 建立支護(hù)結(jié)構(gòu)模型，分析開挖和支護(hù)過程中的內(nèi)力變化，各個(gè)工況下地連墻主應(yīng)力變化如圖 4 所示。

圖4 地連墻主應(yīng)力隨開挖工況的變化

通過圖 4 可以發(fā)現(xiàn)：地連墻上的最大壓應(yīng)力在0.268 MPa 左右，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在地連墻中部和上部，最大拉應(yīng)力在 0.145 MPa 左右，其出現(xiàn)位置為地連墻的上部。結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)資料已知，媽灣隧道管廊基坑地連墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C30，其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為 14.3 MPa?？芍剡B墻結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，故地連墻結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)拉壓強(qiáng)度不足引起的結(jié)構(gòu)破壞。

4 結(jié)論

本文對(duì)媽灣跨海隧道綜合管廊深基坑工程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，使用有限元分析軟件 MIDAS GTSNX 建立了基坑三維數(shù)值模型，模擬了基坑施工過程，通過計(jì)算得到了不同開挖階段內(nèi)支撐、立柱及地連墻內(nèi)力的變化規(guī)律，得到了如下結(jié)論。

1）該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力遠(yuǎn)小于強(qiáng)度極限值，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和安全性有良好的保證，現(xiàn)有的圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工設(shè)計(jì)方案可以保證基坑的整體穩(wěn)定性和施工安全。

2）內(nèi)支撐的增加對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布與最大值影響很大，這表明內(nèi)支撐對(duì)基坑的變形有較明顯的控制作用。

3）通過對(duì) 4 道內(nèi)支撐、立柱及地連墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力的模擬，可以得到各支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分布情況，可以據(jù)此布置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測基坑的內(nèi)力和位移變化，并采取相應(yīng)的施工變形控制措施，確?；邮┕さ陌踩?。Q