蓋挖逆作法在城市隧道中的應用

袁有為 ，王艷寧 ，史慶春 ，鄭 剛

（1.天津市市政工程設計研究院，天津市 300051；2.天津大學，天津市 300142）

1 概述

海河隧道位于天津濱海新區于家堡中心商務區，是中央大道穿越海河的一個重要節點工程。過海河段采用沉管法施工工藝，其余岸邊段采用明挖法施工，岸邊部分隧道最大開挖深度約26.6 m。

考慮到基坑深度及不利的地質條件，當采用蓋挖逆作法或全逆作法時，必須對軟土中超深開挖造成的回彈對地下結構的影響進行分析，預測蓋挖逆作法施工全過程中地下連續墻及中間柱的受力與變形，提出控制柱-柱、墻-柱差異回彈的設計、施工控制方案。

2 三維仿真數值結果模擬分析

利用國際通用有限元軟件ABAQUS對天津濱海新區中央大道海河遂道北段蓋挖逆作工程的降水開挖全過程進行三維數值模擬分析計算，模型根據平面應變原理，對局部截面采用三維方法進行數值模擬分析，詳細分析降水、開挖全過程對結構工作性狀的影響。

2.1 模型建立及邊界條件

根據平面應變原理，取如圖1(a)中陰影部分所示 B1軸和E0軸之間的板帶進行三維模擬計算，因其為對稱結構，又取其一半進行計算，整個模型共劃分26 061個單元，采用三維孔壓單元模擬。本文模擬步驟按照施工順序共分為27步。其中，前面一些步驟為建立初始條件，包括初始地應力，初始靜水壓力，初始接觸條件及約束條件等。后面是與施工步驟一致的降水、開挖等步驟，分析步驟的詳細情況如表1所列。圖 2和圖3為各開挖步驟的數值分析模型及網格劃分情況，其中，樁與土之間、地下連續墻與土之間均設置了接觸，接觸采用庫侖摩擦模型。

圖1 模型簡化

表1 施工步驟

圖2 開挖前

圖3 開挖后

2.2 計算結果分析

2.2.1 地連墻頂及樁頂豎向位移

如圖4所示為地連墻頂、邊樁頂和中樁頂的回彈值隨施工工況進行的發生發展情況。

圖4 地連墻頂、邊樁頂、中樁頂位移曲線

從圖4中可以看出：

總體上來說，地連墻、邊樁及中樁都處于回彈狀態，地連墻的豎向位移小于樁位移，中樁位移大于邊樁位移，當開挖到坑底時，中樁回彈 10.6 mm，邊樁回彈 8.0 mm，地連墻回彈 4.0 mm。

降水會使得地連墻和樁向下位移，但降水直接引起的地連墻和樁向下的位移值很小。圖4中第三步開挖與第四步降水的位移值相差較大，這主要是因為在這兩步之間，施作了頂板，頂板的自重使得地連墻和樁有向下的較大的位移。同理，第五步開挖與第六步降水之間位移差值較大，主要是因為中板的自重加在了地連墻和樁上。雖然降水直接引起的沉降較小，但是降水對土的壓密作用不可忽視，這對減小地連墻與樁柱的回彈是有益的。

施加道路荷載后，雖然地連墻、邊樁、中樁有所下沉，但他們的位移仍表面為回彈，中樁最終位移為 3.2 mm，邊樁為 3.0 mm，地連墻為 0.3 mm。

2.2.2 頂板及中板的彎矩

圖5是第七步開挖完成后以及最終施加完道路荷載后的頂板及中板彎矩。

圖5 地連墻頂、邊樁頂、中樁頂位移曲線

從圖5中可以看出：

（1）總體上來看，頂板的彎矩大于中板的彎矩。

（2）對于頂板，在有柱子部位，上面受拉；在兩根柱子中間的板，下部受拉。開挖完成時，頂板的最大支座彎矩為288 kNm/m，最大跨中彎矩為139 kNm/m，加完道路荷載后，頂板的彎矩變化很大，最大支座彎矩為428 kNm/m，最大跨中彎矩為574 kNm/m。

（3）對于中板，也是在有柱子部位，上面受拉；在兩根柱子中間的板，下部受拉。對于中板，開挖完成時和施工完道路荷載后的彎矩幾乎沒有變化，最大支座彎矩為 111 kNm/m，最大跨中彎矩為106 kNm/m。

2.2.3 頂板及中板的位移

表2為頂板、中板以及坑底回彈的最大值隨著施工進行的變化情況。

表2 頂板、中板、坑底回彈值

從表2中可以看出：

（1）頂板回彈值先增大，當中板施工時，頂板下沉。隨著開挖的進行，頂板回彈值再增大，最終達 8.1 mm。隨著底板及道路荷載的施加，頂板回彈值逐漸減小，最終減為 0.1 mm。從整體上看，開挖使得頂板回彈值增大，降水使得頂板下沉，但下沉值很小，可以忽略。

（2）中板回彈值隨著開挖的進行，一直在增大，當第七步開挖完成時，中板回彈達最大值為6.6 mm。隨著底板和道路荷載的施加，中板最終下沉了 1.4 mm。

（3）坑底的位移是隨著降水開挖過程不斷變化，降水使得坑底下沉，開挖使得坑底回彈。由此可見，降水開挖的過程，對于土體是壓密、回彈、再壓密、再回彈的連續過程。當第七步開挖完成時，坑底回彈值為69.2 mm。

2.2.4 地下連續墻的變形和彎矩

如圖6所示，分別為地連墻在第三步開挖、第五步開挖和第七步開挖后的水平位移和彎矩。

圖6 地連墻水平位移和彎矩變化曲線

從圖6中可以看出：

（1）地連墻的水平位移隨著開挖的進行，不斷增大，深度也不斷增加。當第三步開挖完成后，地連墻位移最大值為28.3 mm，發生在 11m深度處；當第五步開挖完成后，地連墻位移最大值為31.8 mm，發生在12.6 m深度處；當第七步開挖完成后，地連墻的最大位移為33.4 mm，發生在14.3m深度處。

（2）地連墻的支座負彎矩發生在第一道鋼支撐處。隨著開挖的進行，由于水平支撐設置較密，支座負彎矩和跨中正彎矩的值變化不大，但跨中變矩深度隨開挖的進行不斷加深。當開挖第三步時，最大支座負彎矩為228 kNm/m，最大跨中彎矩為766 kNm/m，發生在深度9 m處；當開挖第五步時，最大支座負彎矩為251 kNm/m，最大跨中彎矩為947 kNm/m，發生在深度11.2 m處；當開挖第七步時，最大支座負彎矩為219 kNm/m，最大跨中彎矩為958 kNm/m，發生在深度13.8 m處。

2.2.5 柱軸力

表3為柱子軸力設計值隨施工進行的變化情況。

表3 柱子軸力設計值（單位：t）

從表3中可以看出：

隨著開挖的進行，柱子軸力不斷增大，其中第三步與第四之間，第五步與第六步之間，柱子軸力增加較大，主要是因為第三步之后和第五步之后，結構頂板和中板施作，板自重使得柱子軸力增加較大。另外，隨著開挖的進行，柱子回彈會給柱子增加一個附加軸力，這對柱子受力是不利的。

2.2.6 樁身軸力和側摩阻力

圖7為開挖完成后和施加道路荷載后，樁身軸力變化曲線。從圖7中可以看出，樁的軸力隨深度增加，先受壓，后受拉，最大拉力為2 830 kN，軸力為先減小后增大，樁身上部受正摩阻力的作用，下部受負摩阻力的作用，樁身受拉壓交界在深度12 m處，當道路荷載施加完成后，樁身軸力變為全部受壓。

3 結論

圖7 樁身軸力變化曲線

本文利用大型有限元軟件ABAQUS針對海河隧道岸邊段深基坑的開挖進行了全過程的模擬分析，揭示了支護結構在基坑開挖、降水等因素影響下的受力及變形情況，對優化工程設計，確保施工安全，節省工程造價等方面起到了積極的作用，同時也為施工過程中的第三方監測提供了最為詳盡的依據。

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