上海某圓形基坑設計計算方法研究

趙迪

（宏潤建設集團股份有限公司，上海 200235）

0 引言

圓形基坑的空間效應非常明顯，在水土壓力作用下，圍護結構將產生豎向受彎和環向受壓的特性，可充分發揮混凝土的抗壓特性，具有較好的經濟性和安全性，在城市建設中得到廣泛的應用，而目前建筑基坑支護技術規程［1］尚未提出此類基坑的計算方法。上海基坑規范［2］對于圓形地下連續墻僅給出了一種豎向計算思路，采用三維彈性板方法，運用有限元程序進行分步求解，而環向計算，接頭折減，嵌固深度等均沒有明確。《公路橋涵地基與基礎設計規范》［3］中介紹了圓形地下連續墻豎向及環向計算方法，此規范一般應用于懸索橋錨碇基坑工程中。國內學者針對圓形基坑進行了一定的研究［4-7］，常用的計算方法有：圓拱效應的平面彈性地基梁法、三維彈性地基板法和考慮圍護結構-土體共同作用的三維彈塑性有限元法。總體情況來看，考慮圓拱效應的平面彈性地基梁法較為實用，而三維有限元計算復雜，一般工程設計應用不夠方便，實際工程設計應用不多。文中結合上海某一圓形基坑，詳細而全面的介紹了基坑結構設計，包括平面布置，嵌固深度，支護結構變形及內力計算。

1 工程概況

上海某污水處理廠初期雨水調蓄工程其一供水盾構豎井，圓形盾構井內徑16m，外徑17.6m，深35.87m。采用1.2m 地下連續墻+0.8m 內襯相結合的疊合墻。平面布置呈28邊形。基坑采用明挖逆作法施工。

根據勘察資料，場地地基土在75.0m 深度范圍內均為第四系松散沉積物，屬濱海平原相，主要由飽和粘性土，粉性土以及砂土組成，土層主要物理力學指標見表1。

表1 土層物理力學參數

坑底位于⑦2粉砂層。根據勘察，⑦2、⑧2-1、⑧2-3、⑨1層為承壓水含水層。據上海地區工程經驗，⑦2、⑧2-1、⑧2-3、⑨1層承壓含水層水位埋深約3～12m。

2 設計方案

2.1 地墻分幅

考慮到工程地下連續墻深度較大（墻長80.5m），故地墻施工采用銑槽機成槽，接頭形式為銑接頭。銑槽機斗寬2800mm，因其工作原理，銑槽機兩側切削應為同一硬度物質，故一期槽段由三刀成槽；二期槽段由一刀成槽，切削一期槽段接頭處的新澆筑混凝土100～200mm，如圖1所示。

圖1 圓形基坑一期銑接頭平面布置（單位：mm）

圖2為文中地下連續墻平面布置，圓形基坑化圓為直，由正28邊形組成，A、B二期地墻交替布置，B型地墻由三邊組成，一期施工；A型地墻僅為一刀，二期施工；從而可知圓形基坑的分幅邊長為四邊形倍數，因此根據基坑圓形周長及接頭切削厚度，可快速進行分幅。

圖2 圓形基坑銑接頭平面布置

2.2 豎向入土深度

地墻的入土深度由基坑穩定性控制，在上海軟土地區，大都由坑底抗隆起穩定性控制，王衛東［8］認為圓形基坑中土體因環向擠壓而使其抗隆起穩定性系數要大于二維平面應變基坑，圓形基坑在入土深度較小的情況下，也可以獲得較大的穩定性系數，這也是圓形基坑經濟性的另一方面體現。針對工程，采用工程類比法，強度折減法及規范法對嵌固深度進行設計。

（1） 工程類比法。在搜集圓形基坑文獻［9］，［10］的基礎上，篩選出與工程直徑及開挖深度相似的一些設計案例，其設計參數如表2所示。

表2 上海圓形基坑地下連續墻設計參數

工程地下連續墻內直徑為17.6m，開挖深度35.87m，地墻連續墻厚度1.2m，由上表可知，地下連續墻入土系數在0.5～0.7左右，小于直線型基坑中地下連續墻的入土系數（上海地區一般為0.8～1）。

（2） 強度折減法。強度折減法常用于基坑及邊坡的穩定性計計算中，而在新加坡，Plaxis有限元軟件也被廣泛應用于基坑設計，同時上海基坑規范也根據室內實驗給出了上海典型土層的HS-Small 模型主要參數。在此基礎上，運用Plaxis有限元軟件，建立二維軸對稱模型，對工程基坑進行強度折減法計算，具體模型尺寸如圖3所示。

圖3 有限元分析模型（單位：m）

計算結果表明，插入比為0.6、0.7時，墻底位于⑧2-3砂質粉土夾粉質粘土，基坑安全系數均為3.6，滿足基坑穩定性要求。

（3） 規范法。采用啟明星軟件對不同入土系數的基坑進行穩定性計算，結果如表3所示。

表3 不同入土系數基坑穩定性系數

由表3 可見，入土系數0.7 時，各穩定性系數可滿足規范要求。入土系數0.6 時，抗傾覆及坑底抗隆起穩定性安全系數不滿足。

綜合上述計算方法，基坑豎向入土深度排序為：強度折減法＜工程類比＜規范方法。然而工程地墻實際入土深度還需考慮承壓水抗突涌穩定性。故綜合安全及經濟性，工程采用0.7的入土系數，根據抗突涌穩定性計算所確定的地墻入土段采用構造配筋。

2.3 突涌穩定性

基坑坑底位于⑦2層，開挖深度下有⑧2-1、⑧2-3、⑨1三層承壓水，如圖4所示，經計算⑧2-1、⑧2-3、⑨1（微）承壓含水層不滿足突涌穩定性。

圖4 基坑坑底以下承壓水層分布（單位：mm）

工程地下連續墻隔斷⑦2、⑧2-1、⑧2-3，進入⑨1層17.73m。坑底⑨1承壓水層內采用改良型RJP 加固封底措施，增加⑨1層承壓水頂面至基坑底的深度，從而封底以下承壓水層抗突涌安全系數滿足規范要求。

3 內力計算

3.1 豎向分析

圓形基坑圍護結構以環向受壓為主，但實際工程中受定位偏差、垂直度、不均勻超載、不均勻開挖、墻縫夾泥或均布缺陷等不利因素，不能忽視豎向受彎的安全穩定。圍護結構的豎向內力及變形與支撐豎向間距有著密不可分的關系，支撐夠密，超挖較小，圍護結構水平受力就會很小。圓形基坑正有著這樣的優點，地下連續墻不僅是圍護結構，同時因存在環向剛度起到支撐作用，且此支撐在基坑開挖前就已存在。

采用啟明星計算軟件，不考慮逆作法內襯墻的剛度，僅將內襯墻作為增加地墻整體剛度的一種措施來考慮；基坑開挖面以上地墻環向剛度采用先開挖后支撐的施工工況近似模擬，開挖面以下，彈簧剛度由地基彈簧加上地墻環向剛度所得。文獻［4］、［11］采用密集加撐的方式，即彈簧的豎向計算高度及間距均取1m，但對于開挖深度的采用有所不同，文中采用3 種不同的開挖深度進行計算比較。第1 種：根據逆作法施工工序，逐步施工開挖范圍內的水平彈簧，開挖步驟見圖5；第2 種：采用每開挖2m，逐步施工開挖范圍內的水平彈簧；第3種：采用每開挖1m，立即施加開挖面處水平彈簧。3種不同開挖深度所得計算結果如表4 所示。工程地墻每米等效支撐彈簧剛度=0.5×31.5×1×1.2/9.4≈210kPa/m。

圖5 基坑豎向布置（單位：mm）

表4 不同開挖工況地下連續墻內力及位移

從表4可以看出，水平位移方面，圓形基坑較直線型基坑要小很多，為基坑開挖深度的0.02%。3 種工況所得剪力均無需配置抗剪鋼筋。從相對比例上看，3種開挖工況的彎矩差異在15%～35%之間，但從絕對數值上看，3種工況的最大的彎矩僅有1105.5kN·m，最后根據強度選取配筋也僅差一檔，作為設計保守考慮，工程采用方法1所得結果進行配筋。

3.2 環向分析

環向采用平面內剛架環梁計算，計算位置取基坑底-水土壓力最大處。針對影響圓形圍護墻環形受力的不利因素，采用施加偏載的方式進行模擬，荷載作用的不均勻系數取1.1～1.2，文中采用經驗土壓力，偏載取經驗水土壓力的10%。圓環周邊設置水平單向受壓土彈簧。構件厚度考慮垂直度偏差1/500［12］和定位偏差20mm。計算模型如圖6所示。

圖6 環向計算模型

經計算，環向剛架內力分別：

上述計算表明，采用偏載模式、考慮1/500的垂直度偏差后的地墻環向有效搭接厚度，可以滿足圓環受力要求。

4 結語

圓形基坑是在力學上較合理的圍護形式，近年來在地下工程中得到了廣泛的應用。文中結合具體的圓形基坑，對其設計思路及分析方法進行了詳細的闡述，對于圓形基坑的設計具有一定參考價值。

目前總的情況來看，平面地基梁理論普遍被工程界所認可，市場基于此理論研發了一大批成熟的軟件，可以很方便地對常規基坑進行計算分析，而圓形基坑的設計還處于發展階段，還有很多工作要做：

（1） 荷載的不均性對圓形基坑環向的內力和變形影響很大，應充分研究荷載的不均勻系數的取值。

（2） 不同接頭形式力學性能研究，對環向剛度及受力的影響，需要我們進一步的研究。