深厚软土地区深大管廊基坑围护结构内力分析

李宝军，张志军

（1.深圳市交通公用设施建设中心，广东 深圳 518000；2.中铁七局集团第三工程有限公司，陕西 西安 710024）

0 引言

近年来，随着我国经济的发展，城市发展速度也越来越快。在我国东南沿海等发达地区，地面空间已经被大量开发和占用，地面可供开发和利用的空间越来越少。由于地面空间的不足，“向地下要空间”的理念被提出和逐步被重视，地下城市、综合管廊等地下空间开发方案日益被提出和实践。

城市综合管廊是在城市中修建一条隧道，把电力、供水、排污等管道都放在此隧道中，统一维护保养，集约化管理。地下综合管廊深基坑具有断面宽度大、线形长的特点，与常见的方形或其他形状的房建基坑有所区别，所受到的土压力以及基坑结构内力和变形特征也与前者不同，因此管廊基坑防护措施和作用机理较为复杂。张江涛等［1］采用 PLAXIS 2D 对比分析了管廊基坑开挖过程中钢板桩支护体系的土压力、钢板桩水平位移、钢板桩弯矩、基坑周边地表沉降以及支撑轴力等的变化情况。胡红亮［2］以平潭综合实验区地下管廊深基坑工程为研究背景，将原设计中最上面混凝土内支撑优化成钢管撑，并用有限元软件进行了分析，合理地对原支护方案进行了优化。刘兴旺等［3］通过对基坑支护结构体系变形的相关研究分析，发现基坑支护结构的水平位移正常范围为基坑深度的 0.2 %～0.9 % 左右，并据此提出了新的计算基坑周边地表沉降的经验公式。刘新毓［4］通过对监测资料进行分析及利用 FLAC3D 对基坑开挖方式与钢板桩内支撑进行了数值模拟，确定了钢板桩作为内支撑时的有效性和安全性。张赟［5］以青山北路综合管廊基坑为例，通过对工程地质条件、水文条件、周边环境进行分析，采用拉森钢板桩+钢支撑支护及混凝土灌注桩+钢支撑支护、混凝土灌注桩+混凝土支撑支护做为最终支护方案。应宏伟等［6］建立了二维有限元计算软件对基坑内力和位移进行了分析，并与监测结果进行对比，验证了二维有限元计算模型和相关参数的准确性。Whittled 等［7］对深基坑建立了有限元计算模型并进行分析，而且在建立模型的过程中考虑了水和土体的耦合作用，使模型更符合实际情况。王建华等［8］以上海银行深基坑工程支护结构为例，在有限元计算软件的基础上进行了二次开发，成功实现了m法，并结合现场实测资料，使用非线性回归反分析方法得到了各土层的最合适m值。

综上所述，已有大量研究者对综合管廊基坑支护结构的内力、位移等方面进行研究。但总的来看，这些研究所涉及的支护结构多为钢板桩，由于其刚度限制，难以适用于深厚软土地区的宽大管廊基坑中。因此，需要对深厚软土地区的深大管廊基坑及其支护结构的内力进行研究，以验证和优化相关设计的适用性。本文基于妈湾跨海隧道综合管廊深基坑工程，将 MIDAS GTS 这一有限元分析软件，应用于基坑三维数值模型构建和分析中，对基坑开挖和支护的过程进行了模拟，通过计算得到了不同开挖阶段内支撑、立柱及地连墙结构内力的变化规律，为后续施工采取相应的变形控制措施提供参考。

1 工程概况

1.1 工程概况

该基坑工程为深圳市妈湾跨海通道工程的一部分，拟建线路位于深圳市南头半岛西北侧的大铲湾（现称前海湾），原始地貌属珠江口伶仃洋东部的次一级浅海湾，当时湾口宽约 8 km，湾口水深 3～5 m，湾内水深大部分不足 2 m，湾内水域面积约 20 km2。管廊基坑项目所采用的支护方式为 1 000 mm 厚地下连续墙加 3～4 道钢筋混凝土内支撑支护，其中第一道内支撑截面为1.0 m×1.0 m，下面的内支撑截面为 0.8 m×0.8 m。大铲湾段基坑的开挖深度为 18.1～21.8 m，平均基坑宽度为 52.5 m。为保证内支撑的稳定，在地连墙施工完成后，在基坑内部间隔一定距离设置了 3 道临时钢立柱，立柱底部采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩径为 1.2 m，灌注桩打入基坑底部以下 10 m。

1.2 地质情况

工程所在地区地下结构主要由人工填土、第四系全新统海陆交互沉积淤泥、全新统冲洪积黏土、混合花岗岩等组成；位于抗震设防烈度 7 度区，部分冲洪积中砂层在 7 度及以上烈度作用下为液化土层，液化等级为轻微。主要地层介绍如表 1 所示。

表1 地层情况

此外综合管廊段与主线共线的 K3+100～K3+290范围分布断裂 F3，在主线隧道钻孔 CW-SD-494、CW-SD-505、CW-SD-512、CW-SD-516 等揭露，结合钻探及蛇口断裂组推测而来，为小型伴生断裂，主要表现为碎裂岩，该断裂走向北西 50°～55°，倾角约 58°，宽度约 5～10 m，具明显碎裂～碎斑结构，影响区域岩体节理裂隙发育。

2 模型概况

在本文中，MIDAS GTS-NX 被应用到基坑施工三维模型的建立和分析中，本文所分析的计算域大小为 11 2 m×112 m×50 m，由于管廊基坑较长，故根据分段施工情况，选取管廊基坑的一段，构建施工模型，其中垂直于内支撑方向的边界为虚拟边界。对实际工程进行简化后，模型的地层从上至下分别为冲填土、淤泥质黏土、砂质黏土以及混合花岗岩，层厚分别为 9、15、11、15 m，各层土的物理力学参数如表 2 所示。

表2 计算所用岩土参数表

根据地层情况和施工图纸，建立了如图 1 所示的基坑分析模型。在该模型中，一维梁单元被用于模拟内支撑及抗拔桩，二维板单元则用于模拟地下连续墙，三维实体单元用于模拟基坑周围的土体。在建模过程中，根据妈湾隧道综合管廊深基坑施工的实际情况，施加相应的的边界条件，主要包括：对y方向上的 2 个侧面，对其y方向上的水平位移进行约束，模型中z方向的上表面设置为自由面；而z方向的下表面，则约束其上所有 3 个方向的位移，考虑到地下综合管廊在实际施工中是分段开挖的，因此在隧道开挖方向，即x方向的 2 个边界，在建模过程中没有包含在内，为虚拟边界。边界条件施加完毕之后对模型进行重力场平衡。

图1 基坑有限元模型网格图及内支撑、地连墙细部图

在开挖模拟中，施工的模拟主要按照 5 个步骤进行：①施工临时立柱和地下连续墙；②施工顶层内支撑并开挖第一层土；③施作下一层内支撑并再开挖；④重复支护-开挖过程至开挖至基底；⑤开挖至基坑底部时，浇筑封底混凝土。

3 结果与分析

3.1 内支撑结构轴力分析

对于深厚软土地区的深基坑工程而言，内支撑的重要性是不言而喻的。由于内支撑的存在，有效地约束住挡土结构（支护桩、地连墙、钢板桩）的横向变形，从而可以避免围护结构、周围地层及地表发生过大的变形，危及施工和周围建筑物安全。对于深厚软土地区的管廊基坑而言，由于管廊基坑宽度、深度较大，钢支撑虽然其强度高，但是其截面刚度较低，容易发生失稳，不适用于管廊基坑这种对变形控制要求严格的情况。相比之下，混凝土支撑的刚度较大，且直接浇筑在地连墙上，所形成的连接节点更为稳固。

内支撑的轴力、连接方式等对其自身的强度和稳定性影响十分重要，因此需要研究内支撑在施工过程中的轴力变化。内支撑结构轴力随开挖工况的变化如图 2 所示。根据图 2，随着基坑开挖和施工，第一道支撑开始时最大轴力比较小，最大只有 71 kN；但随着开挖的进行，逐渐增加，工况 2 时，就迅速增加到了 285 kN；而到工况 3 时，最大为 674 kN；到工况 4 时，最大为 1 049 kN，可以看出随着开挖的进行，最后趋于平稳，没有太大的波动。第二道支撑到工况 2 时，最大为 82 kN；到工况 4 时，最大为 1 066 kN。第三道支撑到工况 3 时，最大为 186 kN；到工况 4 时，最大为 1 070 kN。第四道支撑在工况 4 时，最大为 947 kN。从内支撑各部分整体轴力来看，第二道支撑一开始就承担了较大的轴力，在整个开挖过程中其轴力也是最大的。第三道支撑架设较晚，但其轴力的增长速度很快。第四道支撑一开始就承担了很大的轴力。从第四施工步的情况看，在基坑开挖的最后阶段第一道支撑的轴力较小，因此后三道支撑承担了主要的水平荷载。

图2 内支撑结构轴力随开挖工况的变化

3.2 立柱结构轴力分析

对于没有中间支撑或约束的内支撑而言，可以看作是一个细长的压杆。由此一来，除了钢筋混凝土支撑的强度需要校核外，还需要保证内支撑的稳定性。通过在内支撑中部增加约束就可以提升压杆的稳定性，这也是立柱的作用之一。此外，立柱还需要承担内支撑的部分重量。因此，立柱也可以看作是一个受压构件，其轴力在施工过程的变化对研究其稳定性至关重要。

立柱的轴力变化如图 3 所示，从图 3 立柱轴力云图可以看出随着开挖工况的变化，立柱轴力整体逐渐增大，第一工况时，正轴力最大为 1 640 kN，负轴力最大为 373 kN；第二工况时，正轴力最大为 4 896 kN，负轴力最大为 989 kN；第三工况时，正轴力最大为 5 641 kN，负轴力最大为 1 676 kN；第四工况时，正轴力最大为 3 208 kN，负轴力最大为 2 393 kN；且轴力正负最大值逐渐从中部和上部向下部转移，说明内支撑的增加对立柱的轴力影响很大，但整体是趋于稳定的。

图3 立柱轴力随开挖工况的变化

3.3 地连墙结构应力分析

在基坑开挖过程中，地连墙结构的应力分布对于地连墙结构的稳定性和结构安全十分关键，通过分析内力的变化，可以结合混凝土的强度，判断地连墙结构是否会出现开裂等影响结构安全的不利情况。在本文中，将通过 Midas GTX-NX 建立支护结构模型，分析开挖和支护过程中的内力变化，各个工况下地连墙主应力变化如图 4 所示。

图4 地连墙主应力随开挖工况的变化

通过图 4 可以发现：地连墙上的最大压应力在0.268 MPa 左右，最大压应力出现在地连墙中部和上部，最大拉应力在 0.145 MPa 左右，其出现位置为地连墙的上部。结合相关设计资料已知，妈湾隧道管廊基坑地连墙混凝土强度等级为 C30，其抗拉强度设计值为 14.3 MPa。可知，地连墙结构出现的最大压应力和拉应力均远小于对应的强度设计值，故地连墙结构不会出现拉压强度不足引起的结构破坏。

4 结论

本文对妈湾跨海隧道综合管廊深基坑工程进行了数值模拟分析，使用有限元分析软件 MIDAS GTSNX 建立了基坑三维数值模型，模拟了基坑施工过程，通过计算得到了不同开挖阶段内支撑、立柱及地连墙内力的变化规律，得到了如下结论。

1）该基坑围护结构的内力远小于强度极限值，结构的强度和安全性有良好的保证，现有的围护结构施工设计方案可以保证基坑的整体稳定性和施工安全。

2）内支撑的增加对支护结构内力的分布与最大值影响很大，这表明内支撑对基坑的变形有较明显的控制作用。

3）通过对 4 道内支撑、立柱及地连墙结构内力的模拟，可以得到各支护结构内力的分布情况，可以据此布置监测点，监测基坑的内力和位移变化，并采取相应的施工变形控制措施，确保基坑施工的安全。Q