盖挖逆作法在城市隧道中的应用

袁有为 ，王艳宁 ，史庆春 ，郑 刚

（1.天津市市政工程设计研究院，天津市 300051；2.天津大学，天津市 300142）

1 概述

海河隧道位于天津滨海新区于家堡中心商务区，是中央大道穿越海河的一个重要节点工程。过海河段采用沉管法施工工艺，其余岸边段采用明挖法施工，岸边部分隧道最大开挖深度约26.6 m。

考虑到基坑深度及不利的地质条件，当采用盖挖逆作法或全逆作法时，必须对软土中超深开挖造成的回弹对地下结构的影响进行分析，预测盖挖逆作法施工全过程中地下连续墙及中间柱的受力与变形，提出控制柱-柱、墙-柱差异回弹的设计、施工控制方案。

2 三维仿真数值结果模拟分析

利用国际通用有限元软件ABAQUS对天津滨海新区中央大道海河遂道北段盖挖逆作工程的降水开挖全过程进行三维数值模拟分析计算，模型根据平面应变原理，对局部截面采用三维方法进行数值模拟分析，详细分析降水、开挖全过程对结构工作性状的影响。

2.1 模型建立及边界条件

根据平面应变原理，取如图1(a)中阴影部分所示 B1轴和E0轴之间的板带进行三维模拟计算，因其为对称结构，又取其一半进行计算，整个模型共划分26 061个单元，采用三维孔压单元模拟。本文模拟步骤按照施工顺序共分为27步。其中，前面一些步骤为建立初始条件，包括初始地应力，初始静水压力，初始接触条件及约束条件等。后面是与施工步骤一致的降水、开挖等步骤，分析步骤的详细情况如表1所列。图 2和图3为各开挖步骤的数值分析模型及网格划分情况，其中，桩与土之间、地下连续墙与土之间均设置了接触，接触采用库仑摩擦模型。

图1 模型简化

表1 施工步骤

图2 开挖前

图3 开挖后

2.2 计算结果分析

2.2.1 地连墙顶及桩顶竖向位移

如图4所示为地连墙顶、边桩顶和中桩顶的回弹值随施工工况进行的发生发展情况。

图4 地连墙顶、边桩顶、中桩顶位移曲线

从图4中可以看出：

总体上来说，地连墙、边桩及中桩都处于回弹状态，地连墙的竖向位移小于桩位移，中桩位移大于边桩位移，当开挖到坑底时，中桩回弹 10.6 mm，边桩回弹 8.0 mm，地连墙回弹 4.0 mm。

降水会使得地连墙和桩向下位移，但降水直接引起的地连墙和桩向下的位移值很小。图4中第三步开挖与第四步降水的位移值相差较大，这主要是因为在这两步之间，施作了顶板，顶板的自重使得地连墙和桩有向下的较大的位移。同理，第五步开挖与第六步降水之间位移差值较大，主要是因为中板的自重加在了地连墙和桩上。虽然降水直接引起的沉降较小，但是降水对土的压密作用不可忽视，这对减小地连墙与桩柱的回弹是有益的。

施加道路荷载后，虽然地连墙、边桩、中桩有所下沉，但他们的位移仍表面为回弹，中桩最终位移为 3.2 mm，边桩为 3.0 mm，地连墙为 0.3 mm。

2.2.2 顶板及中板的弯矩

图5是第七步开挖完成后以及最终施加完道路荷载后的顶板及中板弯矩。

图5 地连墙顶、边桩顶、中桩顶位移曲线

从图5中可以看出：

（1）总体上来看，顶板的弯矩大于中板的弯矩。

（2）对于顶板，在有柱子部位，上面受拉；在两根柱子中间的板，下部受拉。开挖完成时，顶板的最大支座弯矩为288 kNm/m，最大跨中弯矩为139 kNm/m，加完道路荷载后，顶板的弯矩变化很大，最大支座弯矩为428 kNm/m，最大跨中弯矩为574 kNm/m。

（3）对于中板，也是在有柱子部位，上面受拉；在两根柱子中间的板，下部受拉。对于中板，开挖完成时和施工完道路荷载后的弯矩几乎没有变化，最大支座弯矩为 111 kNm/m，最大跨中弯矩为106 kNm/m。

2.2.3 顶板及中板的位移

表2为顶板、中板以及坑底回弹的最大值随着施工进行的变化情况。

表2 顶板、中板、坑底回弹值

从表2中可以看出：

（1）顶板回弹值先增大，当中板施工时，顶板下沉。随着开挖的进行，顶板回弹值再增大，最终达 8.1 mm。随着底板及道路荷载的施加，顶板回弹值逐渐减小，最终减为 0.1 mm。从整体上看，开挖使得顶板回弹值增大，降水使得顶板下沉，但下沉值很小，可以忽略。

（2）中板回弹值随着开挖的进行，一直在增大，当第七步开挖完成时，中板回弹达最大值为6.6 mm。随着底板和道路荷载的施加，中板最终下沉了 1.4 mm。

（3）坑底的位移是随着降水开挖过程不断变化，降水使得坑底下沉，开挖使得坑底回弹。由此可见，降水开挖的过程，对于土体是压密、回弹、再压密、再回弹的连续过程。当第七步开挖完成时，坑底回弹值为69.2 mm。

2.2.4 地下连续墙的变形和弯矩

如图6所示，分别为地连墙在第三步开挖、第五步开挖和第七步开挖后的水平位移和弯矩。

图6 地连墙水平位移和弯矩变化曲线

从图6中可以看出：

（1）地连墙的水平位移随着开挖的进行，不断增大，深度也不断增加。当第三步开挖完成后，地连墙位移最大值为28.3 mm，发生在 11m深度处；当第五步开挖完成后，地连墙位移最大值为31.8 mm，发生在12.6 m深度处；当第七步开挖完成后，地连墙的最大位移为33.4 mm，发生在14.3m深度处。

（2）地连墙的支座负弯矩发生在第一道钢支撑处。随着开挖的进行，由于水平支撑设置较密，支座负弯矩和跨中正弯矩的值变化不大，但跨中变矩深度随开挖的进行不断加深。当开挖第三步时，最大支座负弯矩为228 kNm/m，最大跨中弯矩为766 kNm/m，发生在深度9 m处；当开挖第五步时，最大支座负弯矩为251 kNm/m，最大跨中弯矩为947 kNm/m，发生在深度11.2 m处；当开挖第七步时，最大支座负弯矩为219 kNm/m，最大跨中弯矩为958 kNm/m，发生在深度13.8 m处。

2.2.5 柱轴力

表3为柱子轴力设计值随施工进行的变化情况。

表3 柱子轴力设计值（单位：t）

从表3中可以看出：

随着开挖的进行，柱子轴力不断增大，其中第三步与第四之间，第五步与第六步之间，柱子轴力增加较大，主要是因为第三步之后和第五步之后，结构顶板和中板施作，板自重使得柱子轴力增加较大。另外，随着开挖的进行，柱子回弹会给柱子增加一个附加轴力，这对柱子受力是不利的。

2.2.6 桩身轴力和侧摩阻力

图7为开挖完成后和施加道路荷载后，桩身轴力变化曲线。从图7中可以看出，桩的轴力随深度增加，先受压，后受拉，最大拉力为2 830 kN，轴力为先减小后增大，桩身上部受正摩阻力的作用，下部受负摩阻力的作用，桩身受拉压交界在深度12 m处，当道路荷载施加完成后，桩身轴力变为全部受压。

3 结论

图7 桩身轴力变化曲线

本文利用大型有限元软件ABAQUS针对海河隧道岸边段深基坑的开挖进行了全过程的模拟分析，揭示了支护结构在基坑开挖、降水等因素影响下的受力及变形情况，对优化工程设计，确保施工安全，节省工程造价等方面起到了积极的作用，同时也为施工过程中的第三方监测提供了最为详尽的依据。

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