地下工程坑中坑圍護結構計算方法及影響

洪曉龍

（沈陽鐵道勘察設計院有限公司，沈陽 110013）

1 工程概況

深圳某地下3層雙島4線車站同臺同向換乘地鐵車站，與既有3號線、規劃33號線換乘，是所在地鐵網絡中的重要節點。勘察結果顯示，現狀地塊標高44.77～55.51 m，基坑施工為重點內容，需要考慮到主體施工安全及質量、周邊設施的穩定性等要求。

2 施工現場地質水文條件

勘察結果顯示，基坑開挖深度范圍內的地質組成為（自上而下）：淤泥、黏土、粉質黏土、粉土、粉土夾粉砂、粉質黏土、粉土夾粉砂、粉質黏土。水文條件方面，現場地下水以潛水為主。

3 坑中坑圍護結構設計及計算方法

3.1 坑中坑圍護結構設計

3.1.1 設計難點

1）內、外坑的影響。外坑在爬升方向逐步向主線中心靠近，而內坑則有逐步下降的變化，因此，隨著施工進程的推進，內、外坑的水平距離減小，且內坑開挖的擾動作用較強，會破壞外坑的正常施工狀態。當然，在內坑開挖過程中會受到外坑超載的影響。此時，如何減小內、外坑之間的相互影響、增強各自的獨立性為重點內容。

2）內坑首道支撐的施工。根據隧道開挖施工規劃可知，先澆筑外坑底板，再于該結構上設置內坑的首道支撐。由于內坑的開挖深度和寬度均有增加，因此，需要充分考慮到內坑首道支撐的結構形式以及在該部分開挖產生回彈時的剛度，必須在設計階段正確模擬、合理控制，此方面也是工程的難點。

3.1.2 坑中坑典型斷面圍護結構設計

取2個典型斷面對比分析，斷面圍護結構形式如圖1所示，斷面圍護結構設計參數見表1，表1中H1、H2分別為外坑、內坑的開挖深度，m；D1為內外坑的水平距離，m。

表1 斷面圍護結構設計參數m

圖1 斷面圍護結構形式

通過分析，可得出以下結論：（1）斷面A，外坑圍護結構為30 m地下連續墻和11 m鉆孔灌注樁，內坑為10 m止水帷幕；（2）斷面B，外坑圍護結構為29.5 m地下連續墻和20.5 m鉆孔灌注樁，內坑為19.5 m止水帷幕。

3.2 坑中坑圍護結構計算的2種方法

對A、B 2個斷面開挖回筑工況加以模擬，以便更有效地探尋內、外坑在施工期間所產生的影響機制，可運用兩種方法：（1）分離法。分開計算外坑和內坑。根據內、外坑的基礎信息，構建各自對應的獨立模型，用于模擬分析開挖回筑工況。其中，內坑開挖時會受到外坑的影響，為便于分析，此處等效為超載作用于內坑坑外；對于外坑，根據施工順序可知，該部分開挖時內坑尚未施工，因此，不會受到內坑的影響，故不考慮[1]。（2）整體計算法。將內、外坑視為整體。外坑與內坑間存在作用，對內、外坑的開挖回筑工況做整體模擬與分析。

3.2.1 分離法的應用

外坑影響的超載計算屬于重難點內容，具體受到內、外坑水平距離和內坑開挖深度兩方面的影響。取內坑最下一道支撐與圍護樁交點處，將其視為圓心，以此為基準做圓（半徑考慮的是支撐至內坑圍護樁的距離），由此得到特定范圍的圓，將其模擬成超載的外坑影響范圍。

基于所掌握參數，可計算關鍵參數外坑等效面積矩M1：

式中，R1為圓半徑，m。

根據前述結果，可進一步用式（2）確定外坑等效作用超載的高度h，用式（3）確定等效超載量F：

式中，q為地面超載，kPa。

各項典型斷面外坑等效超載計算結果見表2。

表2 典型斷面外坑等效超載計算結果

分析發現，D1/H2＞1.5時，無須考慮外坑對內坑開挖的超載作用，即此時彼此的獨立性相對較好；反之，該比值≤1.5時，則需充分考慮外坑的超載問題。

3.2.2 整體計算法的應用

開挖回填工況的模擬為重點內容。外坑底板澆筑成型后，在該處架設內坑第1道支撐，此時需模擬的內容有兩方面，即內坑第1道支撐的架設以及外坑底板的澆筑，但外坑底板的尺寸有限（并非無限大的結構板），因此，不具備將剛度模擬為無限大的條件，為順利完成分析，內坑第1道支撐的剛度用串聯剛度的方法加以模擬[2]。

以斷面A為例，模擬后得到基坑開挖回筑工況（見表3）。

表3 斷面A工況 m

此處著重考慮工況5，其支撐剛度K的計算方法見式（4）：

式中，K1為單位寬度底板板帶支撐剛度，取7000 MN/m2；K2是內坑第1道支撐的剛度，取196 MN/m2。依據前述公式將數據代入，計算得到K=190 MN/m2。

4 計算結果分析

4.1 基坑圍護結構的變形分析

經計算，得到圍護結構的位移量，具體內容見表4。

表4 位移包絡計算結果mm

分析發現，對于斷面A（內外坑距離較大），兩種方法的計算結果無明顯差距，內外坑圍護結構的最大水平計算結果差值在5 mm內。對于斷面B（內外坑間距較小），此時兩種方法取得的外坑計算結果相近，但較為特殊的是內坑的計算結果，兩者的差值達到8 mm，偏大。由此看來，采用整體計算的方法時，外坑圍護結構對內坑圍護結構水平位移有較強的限制作用，在已成型的外坑底板上設置內坑第1道支撐，此方法在抑制外坑圍護結構的水平位移時有較為突出的效果。此外，若內外坑的距離較大，彼此間雖然存在影響，但程度輕微，可認為此時圍護結構的水平位移基本不受影響[3]。

4.2 圍護結構的內力分析

圍護結構內力計算結果見表5。

表5 圍護結構內力計算結果kN·m

分析發現：（1）內、外坑的距離較大時，兩種方法的計算結果相似，雖然此時兩坑間存在相互作用，但其程度較為輕微，幾乎不會對圍護結構的內力造成明顯的影響。（2）內、外坑的距離較小時，兩種方法的計算結果與內坑的計算結果相似。

從前述計算結果看，兩種方法的外坑計算結果存在較明顯的差異，原因在于分離法采取的是分離計算的思路，盡管考慮到外坑對內坑的影響并且就此方面的情況加以模擬，但并不能模擬內坑開挖對外坑的影響。在整體計算法中，采取的是整體模擬的思路，模擬的是內外坑間的支撐連接，并且引入土彈簧的概念，用于模擬兩坑間土體的作用（即土體在內坑圍護、外坑圍護兩部分結構上的作用）。因此，若內外坑的距離較小，在內坑發生開挖卸載行為后，則會明顯作用于外坑的圍護結構，導致該部分出現位移且形成較強烈的內力。可見，若內外坑的距離較小，此條件下較為合適的模擬方法應當是整體模擬計算法，得到的結果更為可靠。

5 結語

坑中坑是地鐵基坑施工中的特殊形式，圍護結構的模擬與計算是重點內容。現階段，分離法和整體法是兩種較為常見的模擬方法，其中，分離法在內、外坑距離較大時具有可行性，尤其是兩者的水平距離與內坑開挖深度的比值＞1.5時，更有必要應用分離法。整體法則適用于內外坑距離較小的情況，此時的模擬結果可靠，具有重要的參考價值。在具體工程計算中，需要視實際情況做出合理選擇。