中小尺寸豎井圓形地下連續墻的施工監測與數值分析

董瓊英，肖尊群*，湯東桑，鄧 震，曹童童

1. 武漢工程大學興發礦業學院，湖北 武漢 430074；

2. 武漢建工集團股份有限公司，湖北 武漢 430056；3. 中油管道防腐工程有限責任公司，河北 廊坊 065001

中小尺寸圓形地下連續墻（直徑15 m 左右）在石油天然氣管道穿江穿河小型盾構工程的豎井支護中經常用到。對于一般的石油天然氣管道穿越工程，豎井施工約占整個工期的2/3，因此如何從結構設計的角度縮短盾構穿越工程的始發井和接收井的施工工期成為中小尺寸盾構穿越工程的重要研究課題。從工程經驗來看，縮短盾構穿越工程豎井地下連續墻的施工工期的一個重要途徑就是利用圓形地下連續墻結構的自穩效應降低地下連續墻的入土深度。而且，從工程經驗還可以看出中小尺寸豎井地下連續墻結構整體處于受壓狀態，與一般的大尺寸地下連續墻的受力狀態區別很大，地下連續墻的縱向配筋不應采用大尺寸地下連續墻的配筋方法。眾所周知，圓形地下連續墻由于環向土壓的自穩效應，成為盾構穿越工程始發井和接受井最常用的結構形式。目前，關于中小尺寸圓形地下連續墻的結構設計通常還是采用與大尺寸地下連續墻一樣的平面豎向彈性地基梁法。這種設計方法存在3 個方面的問題：1）平面豎向彈性地基梁法采用平面土壓力模式，這與地下連續墻的環向受壓的實際受力狀態不符；2）平面豎向彈性地基梁法需要一定的墻體入土深度才能保證地下連續墻的整體穩定性，按照《建筑地基基礎設計規范》規定，墻體的入土深度不應小于基坑深度的1/2；3）平面豎向彈性地基梁法設計的豎向墻體存在明顯的受壓區（墻體外側）和受拉區（墻體內側），這樣的設計方法對鋼筋混凝土的抗拉強度要求較高，整體配筋率較高。

圓形地下連續墻由于具有較好的受力性能和穩定性，因而被越來越多地應用于實際工程中［1-2］，而中小尺寸圓形地下連續墻整體處于受壓狀態，較高的縱向鋼筋配比并不能發揮鋼筋的受拉特性，反而使鋼筋處于受壓狀態，因此如何降低配筋率成為中小尺寸圓形地下連續墻降低施工成本的重要研究課題。現有工程經驗表明：中小尺寸圓形地下連續墻的入土深度對墻體穩定性的影響很小，在進行地下連續墻設計時，不必采用豎向彈性地基梁法，也可以不受墻體入土深度不小于基坑深度的1/2 的限制。對于圓形地下連續墻的研究，國內外許多學者都有涉及。何之民等［3］通過現場土壓力監測數據分析，作用在建構壁上的土壓力（水土合算）實測極值與別列贊采夫的主動土壓力計算公式基本一致。王小蓉等［4］認為小直徑圓形地下連續墻入土系數主要由基坑土層抗隆起穩定性要求和地下水滲漏決定。高同玉等［5］采用三段兩鉸拱模型對開挖階段圓形地連墻環向變形和受力進行計算。李云璋等［6］利用彈性力學理論建立圓形地下連續墻極坐標方程，得到墻體水平位移計算公式。劉輝等［7］通過連續墻不同入土深度時進行離心模型試驗，直徑小于30 m 的圓形基坑，入土系數為0.45 左右，圓形墻體具有較強的空間結構，位移較小。沈健等［8］認為采用平面豎向彈性地基梁法，連續墻主要表現為沿豎向的受彎構件，計算得到的地下連續墻變形、豎向彎矩、剪力值均偏大。曹峰等［9］采用有限元軟件研究不同開挖方式對圓形地下連續墻基礎數值模擬的影響，表明地下連續墻不會產生較大變形。

目前，對圓形地下連續墻的研究主要集中在大尺寸地下連續墻墻周土壓力的分布模式、墻體形變及應力分布規律方面，沒有專門針對中小尺寸圓形地下連續墻在入土深度很小的條件下墻體位移、墻體四周土壓力分布規律、墻體應力分布規律及墻體入土深度對墻體應力和土壓力的影響做出系統的研究［10-12］。本研究以某石油天然氣穿江盾構工程始發井為例，將該豎井地下連續墻的入土深度設置為1.52 m，為了保證在該入土深度條件下墻體施工過程的安全性，在整個施工過程，加強對墻體應力、鋼筋應力［13-15］、墻側土體壓力［16-17］等參數的監測，并在此基礎上，建立該豎井施工過程的數值模型。通過現場監測、數值模擬［18-20］、理論分析相結合的手段重點分析中小尺寸圓形地下連續墻在該入土深度條件下的墻體水平位移、墻周土壓力分布、墻體應力分布規律。同時，通過建立墻體入土深度達到豎井深度1/2 的對比數值，分析中小尺寸圓形地下連續墻墻體入土深度對墻體水平位移、墻周土壓力分布、墻體應力分布等方面的影響。最后基于以上研究基礎，提出中小尺寸圓形地下連續墻設計建議。

1 工程概況

某豎井地下連續墻由10 個內“八”字形槽段組成，地下連續墻采用全斷面配直筋。地下連續墻槽段之間的接合部采用地下連續墻止水帷幕，地下連續墻內部隨著豎井內土體開挖分層澆筑鋼筋混凝土襯砌，內襯砌為圓筒形結構，逆作法開挖如圖1 所示。井底采用混凝土蓋板，蓋板平均厚度為2 m。設計參數：井深20.48 m，內徑15.6 m，連續墻深度為22 m，墻體入土深度為1.52 m，厚度1.0 m，內徑Φ14 m，內襯深度18.48 m，壁厚0.8 m。豎井開挖在地下水位以下土體中進行。豎井地下連續墻施工歷時4 個月，整個隧道穿越工程歷時18 個月，在施工過程中，沒有發生豎井坍塌和滲水等工程事故，施工效果良好。

圖1 地下連續墻內襯砌順序圖（單位：m）Fig.1 Lining sequence diagram of underground diaphragm wall（unit：m）

1.1 地質條件

該區域地層分布較有規律，自上而下：①人工填土和素填土組成的填土層，厚度1.5～4.5 m；②海相沉積層為主的淤泥質黏土，厚度4.5～7.8 m；③粉土和粉砂土為主組成的海陸過渡相沉積層，厚度2.1～3.5 m；④全風化礫巖，厚度5.5～8.8 m；⑤強風化礫巖，厚度7.8～15.2 m，始發井地下水位2.5 m。

1.2 監測內容和測點布置

監測項目有土壓力、墻后土體水平位移、地下連續墻鋼筋應力、地下連續墻混凝土應力。始發井地下連續墻選用3 個斷面，編號為S-1、S-2、S-3，其中S-1 斷面位于加載區，平面布置見圖2。

2 中小尺寸圓形地下連續墻施工開挖數值模型

2.1 工況劃分

為了更好探討地下連續墻的受力特點，根據豎井開挖施工階段的特點劃分工況，如圖1 所示。工況1，第1 次開挖結束，第1 層襯砌生成；工況2，第2 次開挖結束，第2 層襯砌生成；工況3，第3 次開挖結束，第3 層襯砌生成；工況4，第4 次開挖結束，第4 層襯砌生成；工況5，第5 次開挖結束，第5層襯砌生成，坑底蓋板生成。

圖2 監測斷面設置平面圖（單位：m）Fig.2 Monitoring section settings（unit：m）

2.2 數值模型

模型尺寸：土體半徑30 m，深度70 m，地下連續墻、內襯、井底蓋板尺寸同實際工程一致。土壓力模型采用摩爾-庫倫本構模型，土層厚度、土性參數見表1，土壓力采用水土合算。地下連續墻與內襯采用線彈性模型，彈性模量30 GPa，泊松比為0.45。不考慮滲流作用，地面荷載分布按1/4 圓環設置，地面荷載為20 kPa，如圖2 所示。

該模型總節點數11 592 個，總單元數9 366個。其中，土體節點數6 859 個，總單元數6 540個；地連墻節點數3 657 個，單元數2 332 個；內襯節點數930 個，單元數434 個；混凝土底板節點數146 個，單元數60 個，網格單元均采用C3D8R 單元。邊界條件設置位移邊界，基坑底部約束x，y，z方向的位移，土體頂部不施加約束，土體外表面約束x，y 方向的位移，土體和地下連續墻幾何模型如圖3 所示。

2.3 后處理分析

表1 模型土體物理和力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of model soil

根據現場監測結果，結合中小尺寸圓形地下連續墻的受力特點，對水平位移（水平位移符號規定：S-1 斷面、S-2 斷面以向墻外方向的位移為正、反之為負，S-3 斷面以向墻外方向位移為負，反之為正；土壓力、應力正負號以受拉為正，受壓為負）、土壓力、地下連續墻環向應力、縱向應力沿深度方向變化曲線進行處理，并與實際監測變化曲線進行對比。

圖3 土體和圓形地下連續墻幾何模型圖Fig.3 Geometric model of soil and circular underground diaphragm wall

3 基坑工程監測

3.1 墻體水平位移監測

S-1 斷面水平位移分布隨深度的變化曲線如圖4（a）所示。從S-1 斷面測斜管測試的結果來看，墻體最大位移不超過4 mm，遠遠小于報警值，最大位移都出現在深度0 m 范圍內，表明地連墻本身具有很大的剛度。分析原因認為這是連續墻所處地層軟弱，土體開挖后墻體橫向呈“W”型的位移分布規律。

3.2 土壓力監測

S-1 斷面土壓力分布隨深度的變化曲線如圖4（b）所示。地面堆載對土體內部土壓力的影響范圍在距地面0～4.0 m 的范圍，其中在4.0 m 深度達到最大值420 kPa。井內土體開挖對土壓力隨深度變化關系影響較小，但是最后一步土體開挖對墻體端部的土壓力影響較大，土壓力隨著開挖的進行逐漸增大。

3.3 墻體鋼筋應力監測

S-1、S-2、S-3 斷面縱筋軸向應力隨深度變化的曲線如圖5 所示。縱向鋼筋多數處于受壓狀態，未充分發揮鋼筋的抗拉特性。因此，中小尺寸圓形地下連續墻的配筋不應采用現有的豎向彈性地基梁法最大截面彎矩進行縱向鋼筋的配置，建議在滿足鋼筋籠構造配筋要求的基礎上適當調整配筋參數。

圖4 S-1 斷面監測曲線：（a）水平位移隨深度變化，（b）土壓力隨深度變化Fig.4 Monitoring curves of S-1 section：（a）variation of horizontal displacement with depth，（b）variation of soil pressure with depth

圖5 縱筋軸向應力隨深度變化曲線：（a）S-1 斷面，（b）S-2 斷面，（c）S-3 斷面Fig.5 Variation curves of axial stress of longitudinal bars with depth：（a）S-1 section，（b）S-2 section，（c）S-3 section

3.4 連續墻墻體混凝土應力監測

在地下連續墻S-3 斷面內設置混凝土應變計監測地下連續墻混凝土內側沿深度方向和環向方向的應力，監測結果如圖6 所示。無論是縱向還是環向，圓形地下連續墻應力多數工況都表現為壓力，在6 m 深度處出現一個峰值，峰值分別為環向49 MPa（工況2）、縱向-58 MPa（工況4）。在14 m深度處出現第2 個峰值，峰值分別為環向-69 MPa（工況5）、縱向-65 MPa（工況6）。

S-1 斷面、S-2 斷面、S-3 斷面數值模擬及現場監測水平位移圖如圖7 所示。由圖7 可知：墻體水平位移很小，數值模擬得到S-1、S-2、S-3 應力限制了土體的水平位移，墻后土體水平位移為與形變相關的位移。

綜上，計算結果與監測結果較為吻合，表明此模型能較好反映施工過程地連墻水平位移分布及變化規律。

圖6 S-3 斷面墻體混凝土應力隨深度變化圖：（a）環向應力，（b）縱向應力Fig.6 Variation diagrams of wall concrete stress with depth at S-3 section：（a）hoop stress，（b）longitudinal stress

4 選取不同參數進行數值分析

4.1 不同施工方法對墻體豎向剪力和彎矩的影響

不同施工方法對S-1、S-2、S-3 斷面墻體豎向剪力和彎矩的影響如圖8 所示。圖8 中空心點代表順作法（基坑開挖至基底，再澆筑底板及內襯），實心點代表逆作法（開挖一層，澆筑一層襯砌）。由圖8 可知，逆作法的墻體彎矩較大，在嵌巖深度附近彎矩最大。不同施工方法下的彎矩-深度分布規律基本一致，在土體嵌巖部位應力集中較大，表明中小連續墻的自穩性強，剛度高，兩種施工方法的彎矩與剪力相似，可優先考慮使用順作法提高施工速度。

圖7 數值模擬及現場監測水平位移圖：（a）S-1 斷面，（b）S-2 斷面，（c）S-3 斷面Fig.7 Horizontal displacement diagrams of numerical simulation and on-site monitoring：（a）S-1 section，（b）S-2 section，（c）S-3 section

圖8 不同施工方法對S-1、S-2、S-3 斷面墻體豎向剪力和彎矩的影響：（a）剪力，（b）彎矩Fig.8 Effect of different construction methods on vertical shear force and bending moment at sections S-1，S-2 and S-3：（a）shear force，（b）bending moment

4.2 地下連續墻入土深度對墻體形變與應力的影響

為了研究中小尺寸圓形地下連續墻墻體的入土深度對墻體水平位移和土壓力的影響，建立入土深度1.52 m（墻深22 m）和11.52 m（墻深32 m）兩個模型，兩模型的土性參數、邊界條件和開挖深度基本一致。S-1、S-2 和S-3 斷面在模擬工況5 下的不同墻體入土深度對S-1、S-2、S-3 斷面水平位移和土壓力的影響如圖9 所示。圖9（a）顯示：墻體入土深度對墻側土體水平位移大小的影響很小，深埋地下連續墻墻側土體水平位移隨深度變化曲線更加平滑，而淺埋地下連續墻墻側土體水平位移隨深度變化波動性較大，但是位移大小相差不大。圖9（b）顯示：墻體入土深度對土體水平土壓力的影響有限，深埋墻體與淺埋墻體，土壓力在豎井范圍內隨深度的變化曲線基本重合。由以上分析可以認為：中小尺寸圓形地下連續墻墻體的入土深度對墻側土壓力的影響較小，完全可以通過圓形地下連續墻自身結構的穩定性達到支護效果，豎向彈性地基梁模型對連續墻入土深度要求不適用于中小尺寸圓形地下連續墻，且墻體的入土深度不需要滿足現有規范規定的不小于基坑深度1/2 的要求。

圖9 不同墻體入土深度時S-1、S-2、S-3 斷面水平位移和土壓力的影響：（a）水平位移，（b）土壓力Fig.9 Effect of different buried depths on horizontal displacement and soil pressure at S-1，S-2 and S-3 sections：（a）horizontal displacement，（b）soil pressure

5 結 論

1）中小尺寸圓形地下連續墻水平連續墻水平位移分布呈橫向“W”型，最大位移出現在基坑頂部，位移遠小于基坑報警值。地面堆載對土體內部土壓力的影響范圍在距地面0～4.0 m 的范圍，其中在4.0 m 深度達到最大值420 kPa。井內土體開挖對土壓力隨深度變化關系影響較小，但是最后一步土體開挖對墻體端部的土壓力影響較大，隨著開挖深度增加，釋放土壓力增大。

2）與大尺寸地下連續墻不同，中小尺寸圓形地下連續墻縱向界面無明顯的受拉區和受壓區，整個墻體表現為受壓狀態，受力狀態與豎向彈性地基梁模型區別很大，現場鋼筋應力監測表明，鋼筋多數承擔的壓應力未發揮鋼筋的抗拉性能，墻體配筋不應采用豎向彈性地基梁法確定，只需在滿足鋼筋籠構造配筋要求基礎上適當調整。

3）計算結果與監測結果較為吻合，表明此模型能較好地反映施工過程地下地連墻水平位移分布及變化規律。

4）不同施工方法（逆作法，順作法）下的彎矩-深度分布規律基本一致。由于中小連續墻的自穩性強、剛度高，兩種施工方法的彎矩與剪力相似，在保證安全的狀況下，可使用順作法施工提高施工速度。

5）中小尺寸圓形地下連續墻墻體的入土深度對墻體水平位移、墻側土壓力的影響很小，可以通過圓形地下連續墻自身結構的穩定性達到支護效果，而不需要采用彈性地基梁法確定墻體的入土深度，且墻體的入土深度不需要滿足現有規范規定的不小于基坑深度1/2 的要求。