小直徑圓形地下連續墻受力機理與設計方法

姚怡文 張 佳

0 引言

圓形地下連續墻，顧名思義指的是基坑開挖平面為圓形的深基坑地下連續墻支護結構，圓形地下連續墻呈圓筒形。眾所周知，圓形或者圓弧形結構具有得天獨厚的良好工程特性，例如拱橋等就是利用圓弧形結構的優良特性來設計的。圓弧形結構的“拱效應”可將結構體上可能出現的彎矩轉化成軸力，充分利用了結構的截面尺寸和材料的抗壓性能。這個原理在圓形地下連續墻的設計中可以減少圓形地連墻墻體和內襯的結構尺寸，使得深基坑圓形地連墻支護結構更加安全經濟。

圓形地下連續墻作為地下連續墻的一種特殊形式，在具備地下連續墻共性的同時，還具有其自身的特點。其優點主要體現在以下3個方面:1)圓形地下連續墻的空間效應對結構支護效能的發揮有利，能夠使支護結構體系更為安全;2)由于圓形地連墻空間效應可以顯著減少支護結構的尺寸，節省基坑支護結構的成本;3)圓形支護結構不需要橫向支撐，可以在基坑內提供一個良好的開挖空間，適合大型開挖機械的施工，以縮短工期。同時圓形地連墻支護結構也存在一些缺點，由于“拱效應”的充分發揮一般要求結構和土壓力基本對稱，圓形支護結構在具有良好的空間抵抗變形性能的同時，也可能對各種工程因素具有較大的支護結構敏感性。圓形地連墻及內襯有良好的承受徑向對稱水土壓力的能力，但整個圓形基坑地連墻支護結構還可能在較為顯著的不對稱水土壓力下產生不對稱變形，圓形地下連續墻筒體結構可能變成不規則形狀，甚至發生圓形地連墻支護結構整體傾斜或漂移，引起過大的支護結構的應力集中。

在深厚軟土地區工程建設中，大量存在著一類小直徑圓形深基坑地下連續墻構筑物，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井、鋼鐵廠旋流沉淀池等。根據文獻[1]的劃分，將基坑內徑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[2]認為直徑小于30 m的圓形深基坑為小直徑深基坑。這類構筑物具有如下特點:開挖深度普遍超過15 m;直徑一般小于30 m。

1 圓形地下連續墻設計方法

圓形地下連續墻為深埋于土層中的圓筒形空間體系，其受力較復雜，目前關于圓形地下連續墻的設計還沒有一個統一的標準，國內還缺乏這方面的成熟經驗。目前已施工的許多圓形地下連續墻結構，結合其設計經驗，設計時可采用以下3種方法進行比較分析:

1)平面剛架分析。根據墻背水土壓力的變化，將地下連續墻沿高度方向分成若干段，每一段作為一個閉合多邊形剛架，并取該段中墻背的最大水土壓力進行計算，其結構作為該段墻體的內力代表值，這種把空間筒體轉化成平面多邊形剛架的方法，其特點是計算量小，呈階梯形變化的結果與實際配筋情況吻合，但計算值與實測值有較大偏差。

2)彈性地基桿系有限元法。將地下連續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環梁，將開挖面以下部分墻體視作溫克兒彈性地基梁，通過計算求得內力和變形(見圖1)，采用這種方法進行分析，結果偏大。桿系有限元法作為一種基坑設計方法，由于其概念清晰，計算簡單，計算參數較少，易于模擬工程實際等優點在實際工程實踐中已得到了廣泛的應用，如現行規范中的彈性地基梁法便是由此而來的。

在設計中，許多超深基坑的圍護結構設計也采用此法。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，這種獨立考慮圍護結構與土體的計算模型與實際工況的差距也會越來越大，過分依賴于水土壓力和基床系數，也在一定程度上影響了其計算的精確性，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。最突出的現象就是工程實際監測數據和設計數據的不符，在超深基坑的問題上就表現的更為突出。桿系有限元法是一種簡化近似的計算方法，比較簡單實用，可以求得圍護結構的變形，一般只能滿足工程的設計要求，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，按平面應力和薄板彎曲應力兩種狀態分別計算后疊加而成，這種方法的關鍵是確定“彈簧”的彈性系數。若及時補澆內襯結構，則兩墻合一，內襯具有一定的剛度，則可將此時施工完內襯結構的地下連續墻結構視為空間三維結構，可以考慮采用空間有限元法進行設計計算，但由于三維分析難度較高，計算量大，計算假定的確定和眾多因素的考慮都會給設計者帶來許多困難，各方面的條件和時機尚不成熟，直接應用于基坑支護結構的設計也不一定能帶來較好的效果。

2 小直徑圓形深基坑設計參數的實例

幾個小直徑圓形深基坑設計參數見表1。

表1 幾個小直徑圓形深基坑設計參數表

以上工程實例都有一些共同的特點:1)圓形基坑的支護結構與矩形基坑的支護結構本身受力機理相類似，區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，當土體很軟時，應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，當沉降量小時，離開墻背一定距離處地表沉降最大，否則最大沉降發生在緊靠墻體的地方。

3 圓形地下連續墻的一般設計方案

以上海電力隧道5號盾構工作井為例闡述圓形地下連續墻設計的一般方法，上海電力隧道5號盾構工作井位于南車站路及斜土路路口。5號盾構工作井為外直徑16.2 m，內徑15 m的圓形工作井，工作井基坑深約24.4 m。

根據上海地區類似工程經驗，擬建5號盾構工作井初步設計采用地下連續墻構筑圓筒結構，擬定方案:筒外壁為1.0 m厚地下連續墻和0.8 m厚內襯相結合的整體復合墻體;既作圍護結構又兼作地下結構外墻，即“兩墻合一”。平面布置呈正多邊形，地下連續墻開挖深度為36.5 m。

基坑開挖深度大，承壓水水位較高，地下墻應插入到可靠的隔水層內。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，并進入相對隔水層⑦2層內一定深度，如圖2所示。

在設計中，根據不同工作井圓形地下墻體的比較，得出了以下一些規律性的結論:墻體側向位移呈中間大、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到最大值;圓形地下連續墻圍護開挖中，開挖半徑越大，墻體側向位移越大，地面沉降也越大，最大沉降點越遠離基坑邊緣，坑底隆起值也越大;對于圓形圍護結構，坑外土體向坑內滑動時，土體在環向上存在相互擠壓作用。當圓形基坑的直徑(內徑)與開挖深度之比較小時(D/H≤0.6)，隆起量最大值出現在基坑中心附近[2]，這與大直徑深基坑最大隆起值出現于支護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號。

表2 開挖30 m深的圓形基坑的直徑、入土系數與坑底隆起值關系表

針對上海地區地質條件，有人曾對開挖深度為30 m的圓形地下連續墻取不同入土系數(墻體入土系數是指地下連續墻入土深度與基坑開挖深度的比值)時的基坑穩定性，進行了離心模擬試驗和數值分析[3]。分析結果表明:若允許隆起值取開挖深度的0.1%，內徑為20 m～30 m時，地下墻入土系數可取0.3～0.60(見表2)。

上海、江蘇和浙江軟土地區的工程實例也表明，內徑較小的地下墻往往可取相當小的入土系數:內徑15 m～30 m，開挖深度20 m～30 m的基坑入土系數取值一般在0.229～0.65之間。5號盾構工作井入土系數為0.331 5，理論和經驗上是滿足基底土層抗隆起要求的。

圓形地連墻因其“拱效應”顯著，可能產生很大的環向壓應力。其環向應力會遠大于其豎向應力，其脆性破壞就成為一種可能性，即地連墻被環向應力壓碎。從這個層面來說，圓形地連墻的豎向彎矩和側向位移對圓形地連墻的設計施工都不再起控制作用。基坑周圍的不對稱土壓力，使得圓形地連墻環向應力集中部位出現超過混凝土抗壓強度的環向應力的幾率大大增加。圓形地下連續墻被其“拱效應”產生的環向應力壓碎形成脆性破壞，圓形地連墻的“拱效應”優點演變成需要關注的問題。

人們常采用的圓形地連墻簡化計算方法——“拱效應”虛擬支撐地基梁法，將圓形地連墻的“拱效應”換算成虛擬的支撐去考察圓形地連墻的豎向彎矩，然后從墻體側向變形和豎向應力的方向去把握圓形地下連續墻的安全性。如果我們僅僅根據墻體的豎向彎矩和墻體的側向位移，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向應力而發生壓碎。在地連墻的設計分析中，位移控制并非一成不變的真理。在圓形地下連續墻的設計中，環向壓應力需要作為一個要素指標加以考慮，這是圓形地連墻設計分析過程中有別于其他形式地連墻的地方。我們在計算5號盾構工作井時，就采取了此種方法進行建模計算。

4 結語

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

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

2)圓形地連墻直徑很大時，其內襯作為環向支撐的拱效應影響就會削弱，此時圓形地連墻的設計計算仍然以側向位移和豎向應力控制為主。也就是說環向應力是否成為圓形地連墻設計安全的控制因素，主要與圓形地連墻的平面尺寸有關。這個尺寸的臨界點以及圓形基坑的尺寸是否有可能超出該臨界點，需要我們進一步加強研究。

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

[1] 日本建設機械化協會.地下連續墻設計與施工手冊[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:中國建筑工業出版社，2008.

[3] 劉 輝.圓形基坑地下連續墻不同入土系數時基坑穩定性 分析[D].上海:同濟大學，2002.