方形閘門井基坑開挖支護結構離心模型試驗研究

摘要：為了研究方形閘門井深基坑在開挖過程中支護結構的受力和變形規律，選取深圳一地鐵隧道系統工程段為研究對象，對現場實際情況進行概化，并展開不同開挖步的離心模型試驗，通過相似原理等方法計算現場原型深基坑開挖引起的地連墻水平變形、地表沉降和墻側土壓力等變化規律。試驗結果表明：地連墻側向變形先增加后逐漸減小，呈中間大、兩端小的“脹肚”形；地面沉降呈“凹槽”形，隨基坑開挖過程逐漸增大，峰值為7.16 mm；地連墻墻側土壓力變化呈現鏡像“S”形，地連墻墻后土壓力值與基坑深度呈現明顯的非線性特點，在基坑開挖深度較小時，土體受到壓應力作用，隨著開挖深度的增加，土壓力值由正值轉變為負值，正值和負值的大小均是先增后減；開挖起始階段，地連墻墻體受到扭轉作用較小，相應彎矩變化值較小，隨著基坑開挖的進一步加深，扭轉作用加強，相應彎矩值逐漸變大；基坑支撐桿內力在開挖過程中隨著支撐桿埋深的增大是先增大后減小。研究成果可為深基坑設計和開挖施工提供參考。

關 鍵 詞：深基坑； 方形閘門井； 離心模型試驗； 地表沉降； 地連墻變形

中圖法分類號： TU43 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.03.024

0 引 言

近些年，大城市人口密度不斷增加，越來越多的城市地鐵路線處于規劃設計，同時出現了大量的隧道工程深基坑以及超深基坑工程［1］。這些深大基坑在開挖和修建過程中，支護結構及周邊土體的穩定性嚴重影響著工程安全，由于對深基坑工程認識不足所導致的安全事故也時有發生［2］。

為此許多學者通過物理模型試驗對深基坑開挖進行了大量研究工作。如李波等［3］采用離心模擬試驗研究了基坑修建過程中支護結構的變形特征。李連祥等［4］對基坑工程離心模型試驗進展及關鍵技術進行了總結歸納。馬險峰等［5］通過設計一種能夠在高離心力場中實現深基坑開挖和支撐的模型試驗系統，來模擬柔性圍護結構支護的黏土基坑開挖及支撐的全過程，并與預測基坑變形的方法進行對比分析。徐前衛等［6］結合上海軌道交通某線路越江隧道修復工程，開展了38 m超深基坑開挖的離心模型試驗，分別對地下連續墻和支撐結構進行模擬，得出在使用地下連續墻圍護結構條件下支護結構的變形、周圍地層的變形、支撐內力以及擋墻前后土壓力等的變化規律。Yan等［7］利用清華大學的土工離心機，模擬了基坑的開挖和滲流過程，監測基坑在施工期間的土壓力和孔隙水壓力變化情況，分析了基坑的變形和破壞特征。李景林等［8］研制了一套在離心場下開挖的裝置，模擬得到的應力路徑與現場施工時土體的應力變化相一致。李丹梅等［9］基于天津 117 大廈軟土深基坑工程，建立ABAQUS三維仿真模型，分析得知當基坑開挖面積相同時圓形基坑有明顯的受力優越性，且坑底回彈量也相對較??；當計算模型深度不小于地下連續墻深度的2倍、寬度不小于3.5倍地連墻深度時，模型基坑的計算結果基本不受影響。陳興年等［10］ 采用離心模擬技術研究了基坑開挖施工引起的周邊土體沉降及其影響因素。Xu等［11］采用離心模型試驗模擬軟土地基中超深基坑開挖，研究了支護結構地連墻的受力和變形分布規律。王國輝等［12］以江蘇省長江沿岸某電廠鍋爐房基坑開挖為背景，按1∶50的相似比設計了室內離心模型試驗，從樁身應變、樁身位移、樁頂位移、地表沉降、土體變形影響范圍、樁身彎矩和孔隙水壓力等方面，分析了基坑開挖對坑內已有基樁和周圍土體的影響，并與現場基坑開挖出現的問題進行了對比分析。姜蕭等［13］采用離心模擬試驗對非對稱異形基坑的開挖過程進行了模擬，應用停機開挖方式分3步進行開挖，根據左墻與中墻的間距L（30，18，6 m）分別設置了3種不同工況，并進行對比分析，研究左墻與中墻的距離對中墻的變形特性影響以及墻后的土壓力分布規律。李萍等［14］以廣州地鐵6號線與21號線的換乘站——蘇元站為研究對象，運用 FLAC3D對不同工況下的基坑支護過程開展了數值分析計算，通過將數值計算與現場監測結果進行對比分析，證明了數值模擬結果的可靠性，據此提出了相應的位移控制措施。

可以看出，以上工作主要是針對基坑工程的開挖方案以及引起周邊結構物的變形特性等進行分析，而關于閘門井開挖形狀的研究并不多見，且多集中在圓形基坑，如董新平等［15］對圓形基坑的水平位移、土壓力監測資料進行了分析，并通過應用中厚殼理論對基坑變形和內力作的有限元模擬；李昀等［16］為了綜合考慮圓形基坑的空間效應，采用3種不同的計算方法對圓形圍護結構的變形及內力進行對比分析；阮文軍［17］根據主筋的4種受力狀況反演了圍護結構的彎矩和軸力，得出了圍護結構的內力變化規律等等。而對其他形狀深基坑開挖工程的空間響應研究幾乎沒有，鑒于深基坑開挖引起周邊構筑物和圍護結構受力和變形特征的復雜性，有必要研究方形閘門井深基坑開挖對周邊圍護結構穩定性的影響。

1 工程背景

本文依托深圳一地鐵隧道系統工程段開展研究，該工程沿月亮灣大道西側由北向南建設，在末端鏟灣渠水廊道處建設集中樞紐泵站，沿途分別收集關口渠、鄭寶坑渠、桂廟渠的初（小）雨水、澇水以及3號渠的初（小）雨水，同時將流域上游調蓄后的初（?。┯晁嵘聊仙轿鬯畯S，并將流域上游澇水提升至鏟灣渠水廊道排放，解決雨季前海片區控污、南山片區排澇問題。主要工程包括隧洞主線工程，關口渠、鄭寶坑渠、桂廟渠及3號渠進水接駁工程，即樞紐泵站工程。樞紐泵站的閘門井基坑原設計方案為方形基坑，長約31 m，寬約27 m，采用地下連續墻+內襯+斜撐的支護方案。

2 巖土離心模擬技術基本原理

離心模型試驗是研究巖土工程問題的一種重要技術手段，其基本原理是通過提高加速度來模擬物體受到的重力，建立小比尺模型與原型受力及變形的相似關系，從而得出現場原型的應力和變形。一些常用的縮尺模型和原型之間的相似比關系如表1所列。由于顆粒、邊界和縮尺效應等因素的限制，離心模型試驗中要想精確模擬實際工程中每一個步驟以及所有的力學過程難度很大，所以需要抓住關鍵影響因素而忽略其他次要因素，進而分析試驗結果得出變形和受力的分布規律，為實際工程施工提供一些參考。

3 方形閘門井深基坑開挖離心試驗

3.1 試驗設備

本次試驗所用儀器設備為長江科學院TH-200型土工離心機，該離心機懸臂長3.7 m，加速度最大可達到200g，模型箱尺寸為1.0 m×1.0 m×1.0 m（長×寬×高）。

3.2 模型概化

閘門井基坑工程實際地層條件復雜，離心試驗模型要盡可能與原型條件一致，同時結合實際土體的壓縮模量與強度指標，對現場原型進行合理概化，才能開展模擬試驗。

方形閘門井基坑采用鋼筋混凝土作為支撐材料，開挖斷面尺寸為800 mm×600 mm（長×寬）。經過分析優化后，設計離心模型試驗的加速度比尺為1∶100，利用抗壓剛度相似準則計算得到支撐斷面尺寸為8 mm×10 mm，分5層進行加固，每層8根，共40根鋁合金片材，地連墻和內襯概化為一體進行試驗，如圖1所示。其中，基坑采用鋁合金材料，原型采用鋼筋混凝土，厚度為2.3 m，彈性模量30 GPa，根據原型和模型的抗彎剛度EI相似，確定地下連續墻模型的厚度，計算公式如下：

式中：EP，δ3P，ν2P分別為原型的彈性模量、厚度和泊松比，Em，δ3m，ν2m分別為模型的彈性模量、厚度和泊松比，計算得到模型厚度為15.3 mm。

3.3 試驗方案和監測系統布置

擬開展1組離心試驗，地層和監測儀器布置如圖2所示。方形閘門井基坑位于模型箱的中心，閘門井周圍土層分為砂礫、黏土、粗砂和基巖4層。試驗監測對象主要包括基坑地表土體沉降、墻側土體土壓力和墻體應變3個參數。以方形基坑的中軸線為中心，按照支撐桿離中心軸的距離遠近，將地連墻的支撐桿結構分為內層和外層兩部分，從上到下地連墻支撐桿分為5層，分別在第1層、第3層和第5層的內外支撐桿上貼上6個應變片，用于測量支撐桿的變形，可得出軸力分布情況。

3.4 試驗過程

離心模型試驗具體步驟如下：① 準備砂礫、黏土、粗砂和基巖等地層材料和方形閘門井地下連續墻模型，根據試驗方案在模型箱中制備地基模型；② 按照圖3所示加速度時程曲線完成地基模型的固結，利用自動采集系統將固結完成的試驗數據作為初始值；③ 試驗分為5次模擬開挖過程，每次開挖后，停機支護，再運行離心機，如此循環直至完成第5步開挖和支護，同時采集每步試驗數據；④ 最后完成基巖模擬開挖后，設置試驗離心加速度達到100g，并維持運行20 min后停機，采集并記錄數據，結束試驗。

3.5 開挖過程模擬

離心模型試驗模擬開挖過程共分為6步，第1步是指第1次開挖到試驗設計深度，完成第1道支護，再將離心機加速度提高到100g，維持穩定后再進行下一步開挖，直至完成第6步開挖，具體如圖4所示。

4 結果分析

4.1 地連墻水平側向變形

圖5為基坑地連墻開挖過程中深度與地連墻水平位移的關系曲線。從圖5中可以看出：隨著方形閘門井基坑開挖深度的逐漸加深，水平最大變形點逐漸向下移動，開挖第2步、第4步和第6步的最大變形點位置基本保持不變；水平變形呈中間大、兩端小的“脹肚”形；開挖第1步后，水平變形較小，只有3.7 mm，開挖第4步和第6步后，水平變形相差很??；第6步開挖時地連墻水平變形達到最大值，約為12.1 mm；地下連續墻頂部變形較小，最大變形為2.1 mm。

4.2 地表沉降

圖6為地表沉降量占開挖深度百分比和與地連墻墻體不同距離的關系曲線，從圖6中可以看出：地表沉降呈“凹槽”形，槽底位置隨著開挖的進行逐漸向遠離地下連續墻的方向移動；離地連墻較近處地表沉降較大，增長較快，出現最大沉降量后，離地連墻較遠處地表沉降減小，逐漸趨于穩定；地表沉降量隨著基坑開挖深度的增加而逐漸增大，開挖到第6步時最大沉降值已經達到7.16 mm，占基坑最大開挖深度的2.0%；基巖的開挖對基坑外側地表沉降影響很?。蛔畲蟪两蛋l生在距離基坑外側約12 m處，占基坑最大開挖深度的22.9%，占軟土層厚度的32.8%。

4.3 土壓力

圖7給出了基坑開挖過程中土壓力值與地連墻深度的關系曲線，從圖7中可以看出：土壓力變形呈現鏡像“S”形，為非線性，假定正土壓力為壓應力，負土壓力為拉應力，在開挖初始階段，土壓力值為正值，表明地連墻向墻外擠壓土體，土體內產生被動土壓力，隨著閘門井基坑開挖的逐漸加深，土壓力由正值逐漸轉變為負值，正值和負值的大小均是先增后減；土壓力出現負值，說明地下連續墻向墻內移動，地連墻與墻外土體接觸不夠緊密，逐漸變松，土體內產生被動土壓力。

4.4 地連墻彎矩

圖8為基坑開挖過程中地連墻彎矩隨深度的變化關系曲線，從圖8中可以看出：沿著深度方向，彎矩先為正值，說明地連墻向基坑內發生撓曲變形；后為負值，說明地連墻向基坑外發生撓曲變形，且正值部分和負值部分均為先增后減，曲線有明顯的拐點，這主要是由于連續墻墻體在支撐作用下發生應力集中所致。在開挖初始階段，地連墻彎矩值變化不大，隨著開挖深度逐漸加深，地連墻墻體受到的撓曲作用也逐漸增大，到開挖第4步時，地連墻承受彎矩達到最大負值（-3 690 kN·m），此處也是地下連續墻發生最大水平位移的位置；第6步開挖后，在基坑深度32 m處出現最大正彎矩（2 484 kN·m）。

4.5 支撐軸力

表2給出了方形基坑不同開挖步時第1層、第3層和第5層支撐桿的內力。從表2中可以看出：隨著埋深增大，支撐內力先增大后減小，第3層支撐內力最大，約為763 kN；對于同一高度的支撐，長支撐的內力大于短支撐內力；而第6步開始時，支撐內力分布規律和大小變化較小。

5 結 論

通過對方形閘門井基坑開挖進行離心模型試驗，研究了其土壓力變化、圍護結構的水平變形、彎矩、地表沉降以及軸力分布等問題，得到以下結論：

（1） 方形基坑支護結構的水平變形均呈中間大、兩端小的“脹肚”形。隨著開挖步的增加，地下連續墻發生最大變形的位置沿深度方向逐漸向下移動；且隨著開挖的不斷深入，變形變化速率逐漸放緩，且逐漸趨于穩定，最大變形均發生在地下支護連續墻的中部偏下位置。

（2） 基坑外側的地表沉降為“凹槽”形，方形基坑的坑外最大沉降為7.16 mm，最大沉降位置隨著基坑的開挖逐漸向遠離基坑的方向移動，位于距離基坑側約12 m處；地表沉降量隨著基坑開挖深度的增加而逐漸增大，但第6步基巖開挖對基坑外側地表沉降影響很小。

（3） 支護結構地連墻墻后土壓力呈鏡像“S”形非線性變化，假定土體受擠壓時土壓力為正值，隨著閘門井基坑開挖的逐漸加深，土壓力將由正值逐漸轉變為負值，正值和負值的大小均是先增后減，土壓力出現負值說明地下連續墻向墻內移動，地連墻與墻外土體接觸不夠緊密，逐漸變松，土體內產生被動土壓力。

（4） 在開挖初始階段，地連墻彎矩值變化不大，隨著開挖深度逐漸加深，彎矩先為正值，說明地連墻向基坑內發生撓曲變形，后為負值，說明地連墻向基坑外發生撓曲變形，且正值部分和負值部分均為先增后減，曲線有明顯的拐點，這主要是由于連續墻墻體在支撐作用下發生應力集中所致。

（5） 支撐桿內力沿著深度方向先增大后減小，第3層支撐內力最大（763 kN）；對于每一層支撐，長支撐的內力大于短支撐內力；支撐軸力最大值位于基坑中部，與基坑最大變形位置相對應，說明支撐能有效地限制基坑變形。

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（編輯：胡旭東）

Centrifugal model test on stress and deformation of supporting structure during excavation of a square gate shaft foundation pit

WANG Bo SUN hui3

（1.Ji′nan Geotechnical Engineering Company，Ji′nan 250100，China； 2 Ji′nan Survey and Mapping Research Institute，Ji′nan 250100，China； 3.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to study the stress and deformation law of supporting structures during the excavation of a square gate shaft foundation pit，a subway tunnel system engineering section in Nanshan District of Shenzhen City was taken as the research object.The actual situation of the site was reasonably generalized and a centrifugal model test with different excavation steps was carried out.Through the similarity principle and other methods，the horizontal deformation of the diaphragm wall，the surface settlement and the earth pressure on the side of the wall caused by the excavation were calculated.The test results showed that the lateral deformation of the diaphragm wall increased first and then decreased gradually，showing a bulging belly shape with big middle and small ends.The ground subsidence was in a shape of" groove，which gradually increased with the excavation process，and the peak value was 7.16 mm.The soil pressure on the side of the diaphragm wall was mirror S type，and the soil pressure value behind the diaphragm wall was obviously nonlinear with the foundation pit depth.When the excavation depth of the foundation pit was small，the soil was subjected to compressive stress.With deepening of the excavation，the soil pressure changed from positive to negative，and the positive and negative values all increased first and then decreased.In the initial stage of excavation，the torsion effect of the diaphragm wall was small，and the corresponding bending moment change value was small too.With the further deepening of foundation pit excavation，the torsion effect was strengthened，and the corresponding bending moment value gradually became larger.The internal force of the foundation pit support rod increased first and then decreased with the increasing buried depth of the support rod during the excavation process.The research results can provide reference for deep foundation pit design and excavation construction.

Key words：

deep foundation pit； square gate shaft； centrifugal model test； surface settlement； diaphragm wall deformation

收稿日期：2024-06-07 ；接受日期：2024-09-28

基金項目：國家自然科學基金項目（51608351）；天津市自然科學基金項目（18JCYBJC22600）

作者簡介：汪 波，男，高級工程師，碩士，主要從事巖土工程方面的研究。E-mail：441621296@qq.com