盾構工作井基坑開挖變形特性分析

趙祥淦

（中車建設工程有限公司，北京 100078）

隨著城市經濟的發展，我國各大中城市大規模興建地鐵交通。地鐵車站基坑一般位于城市繁華地段，一旦出現問題將會帶來巨大的經濟損失和人員傷亡。深基坑設計理念已逐漸由傳統的“強度控制”轉變為“變形控制”。基坑開挖對周圍環境及基坑自身的影響主要是以下4個因素：①圍護結構的施工會造成周圍土體產生沉降。②基坑內部土體開挖產生坑內外土體應力差的影響。③基坑降水引起土體發生固結產生的沉降。④土體后期產生的流變性等特性會進一步發生沉降。

其中基坑開挖和降水產生的沉降占主要部分。徐中華對上海地區深基坑地連墻的變形形狀，對地連墻變形形狀影響因素進行了比較深的分析，研究了基坑中插入比大小，支撐位置等對墻體位移的影響。劉念武研究了軟土地區基坑開挖對周圍建筑沉降的影響，表明了坑外土體沉降曲線為拋物線型，李大鵬總結了前人在研究基坑開挖對周圍環境影響的成果。潘靜杰研究了軟黏土地區深窄基坑的變形特性。深基坑開挖對周圍環境影響前者等人已經研究的比較深入。但對盾構工作井基坑開挖對周圍環境的影響研究較少。故文章結合前人經驗，結合軟件應用，進一步研究地鐵盾構基坑對周圍環境的影響和對地下連墻側向位移變形的特點。

1 工程概況

本工程位于臺州市路橋區財富大道與路院一級公路交叉口位置。盾構接收工作井位于路院一級公路南側約 50.0 m，盾構工作井平面按 27.0×17.0 m，開挖深約 19 m。盾構工作井圍護體系采用地下連續墻+支撐形式支護，地下連續墻采用1.0 m 厚，C35 水下混凝土，墻深度 41 m。采用五道支撐體系，支撐位置距離地面分別為0.8 m、4.8 m、8.8 m、12.3 m、15.8 m。

本區地貌分區屬浙東南沿海丘陵平原，場地地貌屬沖積海積平原。本次勘察揭露地層最大深度為85.3 m，依次主要有：填土、黏土、淤泥、黏土1、含黏性土圓礫。含水層巖性為青灰色淤泥，局部間夾薄層粉土、粉砂、顆粒細，透水性差，地下水埋深 0.50~3.00 m。

2 有限元數值模型的建立

在有限元模擬時，對于長條形基坑長邊采用平面有限元分析是合適的，但短邊由于坑角效應，存在三維空間效應影響較大，故采用取平面尺寸長邊建立模型，采用plaxis 2D建立模型。由于是對稱模型，故只取一半即可。為簡化模型和建模方便，模型邊界采用文獻的規則。取基坑尺寸為13.5 m寬，19 m深，地下連續墻深度為45 m。故模型邊界距離為4He。土的本構模型有多種類型，線彈性和摩爾庫倫模型雖然參數較少并且簡單，但是模擬土體變形有時很不理想，而HS模型屬于硬化模型，對于一般土體可適用，HS模型有10個參數。在建模和計算過程中，應考慮主要因素，忽略次要因素，結合具體問題進行適當簡化，在本次數值模擬中采用了以下假設及簡化：本次數值模擬考慮坑外均布荷載 20 kPa。

在plaxis分布施工中，具體計算過程如下：①原始土體進行K0過程。②進行地下連續墻激活。③進行開挖，挖至預先位置面，然后進行支撐，再次開挖至支撐處，依次類推，直至挖至坑底處。基坑變形有限元網格如圖1所示。

圖1 基坑變形后網格圖

3 有限元分析結果

3.1 地下連續墻的側向位移

關于圍護墻體變形鄭剛將內支撐和錨拉系統開挖所致的圍護結構變形分為三類：懸臂式，拋物線式，組合型。當淺基坑無內支撐時，圍護結構產生懸臂式位移，當深基坑有內支撐時，產生拋物線型或表現為組合型。當深基坑深度隨著增加，對于多道內支撐基坑，地連墻變形為組合型。該基坑變形如圖2所示，符合各個研究學者的規律結果。

圖2 基坑開挖深度與地連墻側向位移關系

隨著基坑開挖的進展，每個工況下基坑的圍護結構水平位移逐漸增大，且最大值深度位置也逐漸往下移。當開挖深度較小時，地連墻側向位移呈現出上大下小的倒三角形曲線，隨著開挖深度不斷變大，地連墻側向位移由倒三角逐漸轉換為兩頭小，中間大的拋物線型式曲線。地連墻位移最大值處于基坑開挖面附近，與一般的基坑工程最大值位移處相符。

3.2 不同鄰近荷載下，地連墻的位移分析

由于深基坑周圍附近既有荷載存在情況多種，故用以0 Kpa、20 Kpa、40 Kpa作為荷載模擬，進行對比。不同坑外荷載和地連墻相應側向位移如圖3所示。無論有無荷載時，地連墻側向位移變形曲線形狀大致相同，都隨著地連墻的深度，地連墻側向位移先增大，后減小。從圖中可以看出，隨著鄰近基坑外部荷載的增大，地連墻側向位移最大值δmax呈逐漸增大趨勢，但δmax所在位置處幾乎沒有發生變化。

圖3 不同坑外荷載對地連墻側向位移的關系

3.3 坑底基坑隆起

當基坑被動區的土體開挖卸荷時，被動區的自重應力減小，原來在坑底的土體平衡力被打破，產生了向上隆起的趨勢，主動區的土體向坑內移動的趨勢，也導致了坑底隆起。當開挖深度He不大時，為彈性隆起，中間大、兩邊小，而且在開挖停止后很快停止。He較大且基坑較寬時，出現塑性隆起，隆起量由中部大變為兩邊大，中間小。抗隆起系數其中Su——不排水抗剪強度，r——土體重度，H——開挖深度，其中Nc由He/B（基坑寬度）決定，q——地面超載。對于長條形，方形和長寬比為2的矩形基坑隆起有過研究，研究表明方形比長條形的基坑抗隆起安全系數要大，認為長條形深基坑按限定長度分段開挖，有助于提高抗隆起安全系數。盾構工作井基坑既屬于He較大，又屬于基坑較窄，坑底以何種方式隆起仍需進一步明確。

根據有限元結果分析表明，如圖4所示，剛開始開挖時呈現處坑底彈性隆起，基坑隆起變化量不大，隨著開挖深度的增加，尤其是最后幾步的開挖過程中，導致坑底隆起大幅度的增加，但整體還是體現處彈性隆起的狀態。坑底隆起達到了0.3%He的指標，屬于稍微偏大范圍，說明深基坑的隆起量是個需要注意的項目指標。

圖4 基坑隆起量與坑角位置的關系

3.4 插入比對該工程的影響

由于基坑圍護結構深度較深，研究插入比對超深基坑的影響，能減少施工成本，節約時間。令基坑圍護長度為Hw插入比=。現將地連墻長度選擇為38 m、41 m、44 m、47 m、50 m時，地連墻最大位移如圖5所示。由此可以看出，適當的增加插入比可以減小δmax，但過大的插入比，不但施工過程變得復雜，對工程產生不經濟性，而且對δmax影響不大甚至有略增大δmax的趨勢，與徐中華對插入比對最大側移影響的研究相同，且深基坑的插入比都比普通基坑小得多，故超深基坑插入比不是越大越好。

圖5 地連墻插入比對地連墻側向位移的影響

4 結論

通過建立數值模型，運用數值分析方法，對以上結果分析總結，得到以下主要結論：（1）盾構工作井的圍護結構變形特點為組合型，即中間位置大，兩邊小，且最大開挖面處于基坑開挖處附近，最大位移所在位置處隨著開挖深度的增加而增加。（2）坑外不同荷載，對地連墻側向位移的最大值有影響，對最大值所在位置基本無影響。（3）基坑隆起量隨著開挖深度的增加而增加，彈性隆起時，中間大、兩邊小，最終發展為塑性隆起。（4）深基坑的插入比與一般的深基坑插入比相比較小，且合適的插入比可以既改善經濟，又可改善地連墻側向位移的最大值。