盾构工作井基坑开挖变形特性分析

赵祥淦

（中车建设工程有限公司，北京 100078）

随着城市经济的发展，我国各大中城市大规模兴建地铁交通。地铁车站基坑一般位于城市繁华地段，一旦出现问题将会带来巨大的经济损失和人员伤亡。深基坑设计理念已逐渐由传统的“强度控制”转变为“变形控制”。基坑开挖对周围环境及基坑自身的影响主要是以下4个因素：①围护结构的施工会造成周围土体产生沉降。②基坑内部土体开挖产生坑内外土体应力差的影响。③基坑降水引起土体发生固结产生的沉降。④土体后期产生的流变性等特性会进一步发生沉降。

其中基坑开挖和降水产生的沉降占主要部分。徐中华对上海地区深基坑地连墙的变形形状，对地连墙变形形状影响因素进行了比较深的分析，研究了基坑中插入比大小，支撑位置等对墙体位移的影响。刘念武研究了软土地区基坑开挖对周围建筑沉降的影响，表明了坑外土体沉降曲线为抛物线型，李大鹏总结了前人在研究基坑开挖对周围环境影响的成果。潘静杰研究了软黏土地区深窄基坑的变形特性。深基坑开挖对周围环境影响前者等人已经研究的比较深入。但对盾构工作井基坑开挖对周围环境的影响研究较少。故文章结合前人经验，结合软件应用，进一步研究地铁盾构基坑对周围环境的影响和对地下连墙侧向位移变形的特点。

1 工程概况

本工程位于台州市路桥区财富大道与路院一级公路交叉口位置。盾构接收工作井位于路院一级公路南侧约 50.0 m，盾构工作井平面按 27.0×17.0 m，开挖深约 19 m。盾构工作井围护体系采用地下连续墙+支撑形式支护，地下连续墙采用1.0 m 厚，C35 水下混凝土，墙深度 41 m。采用五道支撑体系，支撑位置距离地面分别为0.8 m、4.8 m、8.8 m、12.3 m、15.8 m。

本区地貌分区属浙东南沿海丘陵平原，场地地貌属冲积海积平原。本次勘察揭露地层最大深度为85.3 m，依次主要有：填土、黏土、淤泥、黏土1、含黏性土圆砾。含水层岩性为青灰色淤泥，局部间夹薄层粉土、粉砂、颗粒细，透水性差，地下水埋深 0.50~3.00 m。

2 有限元数值模型的建立

在有限元模拟时，对于长条形基坑长边采用平面有限元分析是合适的，但短边由于坑角效应，存在三维空间效应影响较大，故采用取平面尺寸长边建立模型，采用plaxis 2D建立模型。由于是对称模型，故只取一半即可。为简化模型和建模方便，模型边界采用文献的规则。取基坑尺寸为13.5 m宽，19 m深，地下连续墙深度为45 m。故模型边界距离为4He。土的本构模型有多种类型，线弹性和摩尔库伦模型虽然参数较少并且简单，但是模拟土体变形有时很不理想，而HS模型属于硬化模型，对于一般土体可适用，HS模型有10个参数。在建模和计算过程中，应考虑主要因素，忽略次要因素，结合具体问题进行适当简化，在本次数值模拟中采用了以下假设及简化：本次数值模拟考虑坑外均布荷载 20 kPa。

在plaxis分布施工中，具体计算过程如下：①原始土体进行K0过程。②进行地下连续墙激活。③进行开挖，挖至预先位置面，然后进行支撑，再次开挖至支撑处，依次类推，直至挖至坑底处。基坑变形有限元网格如图1所示。

图1 基坑变形后网格图

3 有限元分析结果

3.1 地下连续墙的侧向位移

关于围护墙体变形郑刚将内支撑和锚拉系统开挖所致的围护结构变形分为三类：悬臂式，抛物线式，组合型。当浅基坑无内支撑时，围护结构产生悬臂式位移，当深基坑有内支撑时，产生抛物线型或表现为组合型。当深基坑深度随着增加，对于多道内支撑基坑，地连墙变形为组合型。该基坑变形如图2所示，符合各个研究学者的规律结果。

图2 基坑开挖深度与地连墙侧向位移关系

随着基坑开挖的进展，每个工况下基坑的围护结构水平位移逐渐增大，且最大值深度位置也逐渐往下移。当开挖深度较小时，地连墙侧向位移呈现出上大下小的倒三角形曲线，随着开挖深度不断变大，地连墙侧向位移由倒三角逐渐转换为两头小，中间大的抛物线型式曲线。地连墙位移最大值处于基坑开挖面附近，与一般的基坑工程最大值位移处相符。

3.2 不同邻近荷载下，地连墙的位移分析

由于深基坑周围附近既有荷载存在情况多种，故用以0 Kpa、20 Kpa、40 Kpa作为荷载模拟，进行对比。不同坑外荷载和地连墙相应侧向位移如图3所示。无论有无荷载时，地连墙侧向位移变形曲线形状大致相同，都随着地连墙的深度，地连墙侧向位移先增大，后减小。从图中可以看出，随着邻近基坑外部荷载的增大，地连墙侧向位移最大值δmax呈逐渐增大趋势，但δmax所在位置处几乎没有发生变化。

图3 不同坑外荷载对地连墙侧向位移的关系

3.3 坑底基坑隆起

当基坑被动区的土体开挖卸荷时，被动区的自重应力减小，原来在坑底的土体平衡力被打破，产生了向上隆起的趋势，主动区的土体向坑内移动的趋势，也导致了坑底隆起。当开挖深度He不大时，为弹性隆起，中间大、两边小，而且在开挖停止后很快停止。He较大且基坑较宽时，出现塑性隆起，隆起量由中部大变为两边大，中间小。抗隆起系数其中Su——不排水抗剪强度，r——土体重度，H——开挖深度，其中Nc由He/B（基坑宽度）决定，q——地面超载。对于长条形，方形和长宽比为2的矩形基坑隆起有过研究，研究表明方形比长条形的基坑抗隆起安全系数要大，认为长条形深基坑按限定长度分段开挖，有助于提高抗隆起安全系数。盾构工作井基坑既属于He较大，又属于基坑较窄，坑底以何种方式隆起仍需进一步明确。

根据有限元结果分析表明，如图4所示，刚开始开挖时呈现处坑底弹性隆起，基坑隆起变化量不大，随着开挖深度的增加，尤其是最后几步的开挖过程中，导致坑底隆起大幅度的增加，但整体还是体现处弹性隆起的状态。坑底隆起达到了0.3%He的指标，属于稍微偏大范围，说明深基坑的隆起量是个需要注意的项目指标。

图4 基坑隆起量与坑角位置的关系

3.4 插入比对该工程的影响

由于基坑围护结构深度较深，研究插入比对超深基坑的影响，能减少施工成本，节约时间。令基坑围护长度为Hw插入比=。现将地连墙长度选择为38 m、41 m、44 m、47 m、50 m时，地连墙最大位移如图5所示。由此可以看出，适当的增加插入比可以减小δmax，但过大的插入比，不但施工过程变得复杂，对工程产生不经济性，而且对δmax影响不大甚至有略增大δmax的趋势，与徐中华对插入比对最大侧移影响的研究相同，且深基坑的插入比都比普通基坑小得多，故超深基坑插入比不是越大越好。

图5 地连墙插入比对地连墙侧向位移的影响

4 结论

通过建立数值模型，运用数值分析方法，对以上结果分析总结，得到以下主要结论：（1）盾构工作井的围护结构变形特点为组合型，即中间位置大，两边小，且最大开挖面处于基坑开挖处附近，最大位移所在位置处随着开挖深度的增加而增加。（2）坑外不同荷载，对地连墙侧向位移的最大值有影响，对最大值所在位置基本无影响。（3）基坑隆起量随着开挖深度的增加而增加，弹性隆起时，中间大、两边小，最终发展为塑性隆起。（4）深基坑的插入比与一般的深基坑插入比相比较小，且合适的插入比可以既改善经济，又可改善地连墙侧向位移的最大值。