特殊環境下盾構吊裝下井的基坑安全穩定性分析及檢算方法研究

宋林，李昌寧，范恒秀，邵珠山

(1.中鐵一局集團有限公司，陜西西安710055;2.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西西安710054)

盾構法施工在城市地鐵隧道中的應用日益廣泛，盾構下井始發技術是盾構法施工的關鍵技術環節，但常規方法已無法滿足日益復雜特殊環境的需要，比如交通壓力大的城市主干道下修建盾構區間、場地狹小或與既有地鐵車站相接、施工工期緊等特殊環境，而采用非常規的盾構下井方案，若設計不合理或考慮不足，巨型的盾構吊裝過程可能將導致嚴重的基坑垮塌事故、傷亡事故，以及不可估計的經濟損失。因此，為確保不同環境條件下盾構下井施工方案的合理、安全、可行，如何采用準確合理的理論分析方法以及檢算方法已成為目前迫切需要研究的熱點課題［1－5］。以深圳地鐵11號線前海灣站基坑為研究背景，由于工期、施工進度等復雜因素，盾構井需要在主體結構未完成的狀態下進行盾構下井吊裝，若要滿足盾構下井條件，部分支撐系統均需要拆除，因此，如何分析該特殊環境下基坑的安全與穩定性，其研究方法和研究理論是否準確合理至關重要，同時研究結果也是確定盾構是否能安全下井的保障。

1 工程概況

深圳地鐵11號線前海灣站項目南端110 m明挖段作為南山站～前海灣站區間始發段，區間線路大體呈東西走向。前海灣站位于前海合作區空地，地勢開闊，無地下管線及建(構)筑物。地質以淤泥，砂質黏性土、風化花崗巖為主。根據項目策劃，盾構始發井需提前提供盾構機下井條件，盾構吊裝井位于結構端頭，尺寸為11.5 m×8 m。車站南段110 m獨立基坑作為盾構始發井，采用明挖順作法施工，基坑開挖支護為φ1 200 mm@1 300 mm鉆孔樁圍護結構，止水帷幕采用φ900 mm@700 mm旋噴樁。支撐體系第1道為混凝土支撐，第2，3和4道為鋼支撐，主體結構為地下2層，地面1層結構，見圖1所示。

圖1 基坑斷面圖Fig.1 Profile of foundation pit

2 盾構吊裝下井條件

現場最下面1層結構已經施工完畢，包括底板和負2層中板，若要滿足盾構下井條件，基坑南端下井位置需對第1道混凝土支撐(2處)和第2道鋼支撐(4處)進行拆除，因此拆撐導致基坑圍護樁懸臂約8.7 m，見圖2～圖3。

圖2 滿足盾構下井條件所需拆除撐Fig.2 Inner support dismantle for shields lowering － down scheme

圖3 滿足盾構下井條件基坑剖面圖Fig.3 Cross－section diagram of foundation pit for shields lowering－down scheme

3 檢算方案

準確分析特殊環境下基坑的安全與穩定性是確保施工過程安全的保障。檢算方案擬采用以下步驟進而選取合理結果指導施工。

(1)二維建模分析。對多種方案進行比較分析，選擇初步方案。

(2)三維有限元分析。對初步方案進行三維整體有限元分析，考慮樁－支撐－土－結構共同作用。

(3)結合監測數據、二維和三維有限元分析結果，分析盾構吊裝過程中基坑的安全與穩定性，提出指導意見。

(4)總結研究成果，提出復雜環境條件下基坑的二維檢算方法。

4 二維有限元方案初選

4.1 概述

方案初選采用理正深基坑軟件建立二維計算模型進行分析［6－8］。

(1)基于盾構下井方案，由于支撐拆除導致基坑圍護樁懸臂約8.7 m，考慮到基坑重要性以及支撐約束剛度作用，并確保一定的安全度，冠梁水平側向剛度的計算長度取盾構井兩端部支撐間的距離，取 22.5 m，見圖4。

圖4 樁頂冠梁計算長度(水平側向剛度)Fig.4 Effective length of top beam for calculating the lateral stiffness

(2)盾構井負2層板(中板)施作，負2層板留有盾構始發的洞口，因此計算分析時不能完全按剛性鉸考慮，擬作為支撐考慮，支撐剛度計算長度為10.4 m，取剛度為184 kN/m，見圖5所示。

(3)水土分、合算。微風化巖按水土合算考慮，淤泥、黏性土、粉黏土、強風化巖、中和風化巖等土層均按水土分算考慮。

圖5 負2層板中梁的計算長度(水平側向剛度)Fig.5 Effective length of beam for calculating the lateral stiffness on the second layer from bottom

4.2 方案工況

荷載分配:吊車+盾構荷載總計400 t，吊車共4支腿，根據吊裝的重心和力矩分配，前2支腿分配2/3的荷載，作用面積按1 m2考慮，動力荷載系數取1.35，每個前支腿為1 822.5 kN，每個后支腿為900 kN，地面超載約70 kN/m2。

方案工況1:吊車的兩前支腿離基坑0.5 m遠，后2支腿離前支腿8.76 m遠。

方案工況2:荷載離基坑邊0.1 m;2前支腿離基坑0.1 m遠，后兩支腿離前支腿8.76 m遠。

方案工況3:吊車前支腿在樁頂上，后支腿位置設置樁。(1)前2支腿，由于冠梁低于地面1 m，在每個支腿下的冠梁上分別做4 m×1 m連梁，梁高0.9 m。(2)后2支腿，在每個支腿下做1.2 m直徑的鉆孔樁，樁長17.2 m，入中風化巖層。見圖6所示。

圖6 荷載工況3中支腿位置處的連梁和樁基Fig.6 Connecting beam and pile foundation below the truck crane of load case 3

4.3 計算模型及參數

采用理正深基坑軟件對盾構下井不同方案工況下圍護樁的受力和變形進行分析計算，根據結構設計文件和實際地質選擇土體參數。

4.3.1 計算模型

其計算模型見圖7。

圖7 理正模型Fig.7 Analysis model by using Li－ zheng software

4.3.2 基本信息

內力計算方法采用增量法，冠梁側向剛度取18.204，按22.5 m支點間距考慮。地下水位深度－0.5 m，水土壓力采用水土分算的方法考慮。

4.3.3 土層參數

土層參數見表1所示。

表1 土層參數Table 1 Parameters of structure

4.4 計算結果分析

結果分析時，設計值=標準值×基坑重要性系數(1.1)× 折減系數(彎矩 0.85，剪力 1.00)× 荷載分項系數(1.25)。

4.4.1 荷載工況1

樁頂水平位移為 53.24 mm，最大彎矩為2 720.49 kN·m，最大剪力為1 102 kN。設計彎矩值為3 179.6 kN·m，設計剪力值為1 515.25 kN。

4.4.2 荷載工況2

樁頂水平位移為41.2 mm，最大彎矩2 087.4 kN·m，最大剪力 1 026.65 kN。設計彎矩為2 439.6 kN·m，設計剪力為:1 411.6 kN。

4.4.3 荷載工況3

圍護樁計算結果=土體荷載結果 +吊車樁頂荷載。圍護樁彎矩2 600 kN·m，圍護樁位移24.43 mm，剪力1 429.44 kN，軸力610 kN。詳細過程如下。

(1)土體荷載結果

理正軟件計算時僅考慮土體荷載和地面超載70 kPa，計算結果樁頂水平位移為23.6 mm，最大彎矩2 102.46 kN·m，最大剪力1 030.7 kN。設計彎矩為2 457.25 kN·m，設計剪力為 1 417.2 kN。最大彎矩產生在離樁頂18.45 m位置，最大位移產生在樁頂位置。

(2)吊車樁頂荷載結果

計算時僅考慮樁頂荷載，每個前支腿下荷載有3根樁承受，單樁承重荷載為450 kN，考慮荷載的動力系數1.35，設計荷載為610 kN，同時，樁受力考慮20 cm偏心，即樁頂附加彎矩為122 kN·m。

計算結果見圖8，樁頂水平位移為0.83 mm，軸力為610 kN，彎矩為122 kN·m，剪力為8.9 kN。設計彎矩為142.6 kN·m，設計剪力為12.24 kN。

圖8 樁頂吊車荷載求解Fig.8 Solution of retaining wall subjected to loading of the truck crane

4.5 小結

通過對比分析3種荷載工況的計算結果，盾構荷載離基坑越近，基坑圍護結構和變形隨之減小。根據設計文件以及截面配筋，基坑變形需控制在3 cm以內，基坑1.2 m的圍護樁所能承受的彎矩為3 000 kN·m。

因此，通過二維計算模型的分析，初步選取第3種方案作為施工方案。基于二維建模分析方法，第3種方案的圍護樁最大彎矩為2 600 kN·m，產生在離樁頂18.45 m位置;圍護樁位移為24.43 mm，產生在樁頂位置;最大剪力為1 429.44 kN;最大軸力為610 kN。

5 三維有限元分析

結合二維計算模型分析所初選的方案3和基坑支護結構設計參數，采用有限元分析軟件MIDAS/GTS建立三維計算模型，對初選的盾構下井方案進行分析和復核。有限元建模中，將基坑開挖過程抽象為數值分析所采用的施工步，通過有限元網格的激活與鈍化來定義不同區域的開挖與支撐的添加，從而實現動態施工全過程的模擬［9－11］。

5.1 有限元模型

根據設計文件，盾構井橫斷面存在突變位置，為了更準確全面考慮三維空間狀態下結構和土體之間的相互作用，圍護結構體系建立包括盾構井段和鄰近的18 m中間主體段，更準確的得到盾構井段結構整體的受力和變形情況，盾構井尺寸為30.5 m ×18.5 m ×20.45 m(寬 × 長 × 深)，根據圣維南原理，有限元模型的土體計算域選擇3倍基坑寬度，豎向土體深度按基坑開挖深度的3倍取為80 m，模型尺寸為210 m×106.5 m×27 m(寬×縱向×深)，計算模型上表面為自由邊界，底部為固接，各側面均為對應方向的位移約束。

支護結構體系:基坑深度20.45 m，基坑開挖支護為φ1 200 mm@1 300 mm鉆孔樁圍護結構，止水帷幕采用φ900 mm@700 mm旋噴樁。支撐體系第1道為混凝土支撐800*1 000，第2，3，4道為鋼支撐φ600*16。主體結構為地下2層，地面1層結構，盾構井尺寸為30.5 m ×18.5 m，第1 ～4 支撐間距為5.15，2和 5.5 m，支護結構詳細尺寸見圖1。地質以淤泥，砂質黏性土、風化花崗巖為主。

為便于分析，將圍護樁按抗彎剛度等效原則等效為連續墻體，采用板單元模擬，支撐、冠梁和腰梁采用梁單元模擬，土體采用體單元模擬;為滿足盾構下井條件，基坑部分支撐根據方案3需要拆除，圍護結構和支撐系統有限元模型見圖9～圖10。

圖9 有限元模型Fig.9 Finite model

圖10 滿足盾構下井條件時有限元模型Fig.10 Finite model for shields lowering－down scheme

5.2 模型參數

混凝土圍護樁、混凝土支撐和腰梁采用C30混凝土，結構樓板采用C35混凝土，鋼支撐采用Φ606×16的鋼管，鋼腰梁和聯系梁采用雙拼工鋼和槽鋼，后支腿位置的樁基采用直徑1.2 m的鉆孔灌注樁，長度17.2 m。地層根據地勘報告資料進行適當簡化。土層采用可以模擬土體彈塑性特點的莫爾—庫倫模型，圍護樁、支撐等結構采用線彈性本構模型，結構的力學參數見表2，土層及力學計算參數見表1。

表2 結構的力學參數Table 2 Mechanical parameters of structure

5.3 模型荷載

荷載除考慮自重外，考慮周邊施工車輛及物料堆載為70 kPa，分布于基坑邊緣至模型邊界的區域。

盾構吊裝荷載分配:吊車+盾構荷載總計400 t，吊車共4支腿，根據吊裝的重心和力矩分配，前2支腿架設在基坑圍護樁上部，共分配2/3的荷載;后2支腿架設在離基坑8.760 m遠處，共分配1/3的荷載，動力荷載分項系數取1.35，同時動力荷載考慮20 cm偏心。因此，單個前支腿荷載為1 822.5 kN，彎矩為364.5 kN·m，后支腿荷載為900 kN，彎矩為180 kN·m。

水壓力荷載:根據勘測文件，地下水位在地面以下－0.5 m位置，將水壓力折算為三角形面荷載施加于圍護結構的表面，不考慮止水帷幕對水的作用。

5.4 施工階段

開挖2.5 m——第1道混凝土支撐——開挖7.15 m——第2 道鋼支撐——開挖 9.15 m——第3道鋼支撐——開挖 14.65 m——第 4 道鋼支撐——開挖 20.45 m——結構底板——拆除第 4道支撐——底層結構柱、梁——結構負2層板——拆除第3道支撐、部分1和2道支撐(滿足盾構下井條件)。

6 計算結果分析

6.1 變形圖

由圍護樁變形圖11可得，基坑盾構井南段圍護樁的最大變形DX為2.13 cm，東側圍護樁最大變形發生在盾構井與主體段連接的變截面區域，最大變形為1.39 cm;西側圍護樁最大變形發生在盾構井與主體段連接的變截面區域偏南側，最大變形為1.74 cm，變形集中在中上部0H～0.5H之間。

6.2 圍護結構內力圖

由圍護樁內力圖12可得，南側圍護樁的最大彎矩發生在離樁頂18.4 m位置，鄰近基坑底部，值為1 605 kN·m，剪力最大值為727.1 kN。

圖11 圍護樁變形圖Fig.11 Profile of foundation pit

圖12 圍護樁內力圖Fig.12 Internal force of retaining wall

根據剛度等效原則(式(1)～式(3))，三維整體分析所得圍護樁最大彎矩為2 086.5 kN·m，最大剪力為 945.23 kN。設計彎矩為 2 428.5 kN·m，設計剪力為1 300 kN，最大位移為21.3 mm。

式中:下標P為基坑圍護樁;下標t為等效的地下連續墻;D為圍護樁直徑，m;t為圍護樁凈距，m;M，Q和U為彎矩，(kN·m);剪力，kN;位移，m。

7 特殊環境下盾構下井吊裝方案

結合監測數據、二維和三維有限元分析結果，分析盾構吊裝過程中基坑的安全與穩定性。

二維分析:初步選取第3種方案作為施工方案，即前支腿支撐在樁頂上，后支腿位置設置樁基。第3種方案的圍護樁最大彎矩為2 600 kN·m，產生在離樁頂18.45 m位置;圍護樁位移為24.43 mm，產生在樁頂位置;最大剪力為1 429.44 kN;最大軸力為610 kN;通過復核檢算分析，圍護樁在設計承載力范圍以內。

三維整體分析:三維整體分析所得圍護樁最大彎矩為2 428.5 kN·m，產生在離樁頂18.4 m位置;最大位移為21.3 mm，產生在鄰近樁頂位置;最大剪力為1 300 kN;最大軸力為610 kN。通過復核檢算分析，圍護樁在設計承載力范圍以內。

監測數據:選擇鄰近基坑盾構吊裝位置的變形監測點cx－111進行分析，監測數據值為支撐拆除后基坑吊裝前的監測數據。

根據監測數據、二維、三維模型結果可得(見圖13所示):(1)拆撐后基坑實測變形值在計算值范圍以內，由于三維模型準確考慮了圍護樁—土—支撐—結構的相互作用，通過整體分析，理論計算結果準確合理;(2)二維模型通過合理的受力體系簡化，計算結果具有一定的安全可靠度，文中模型計算結果略大于三維模型分析結果，模型簡化安全合理可靠;(3)現場實際可能沒有70 kPa的地面超載，理論計算中水土壓力采用的是水土分算模型，偏保守，并且止水帷幕抵抗了或部分抵抗了外側水壓力(理論分析時水壓力直接作用在圍護結構上)，因此，監測數據結果比理論分析結果偏小。

綜上所述，基于基坑二維、三維模型計算分析結果，特殊環境下基坑吊裝方案3安全、合理。

圖13 數據分析Fig.13 Monitoring data analysis before shield lifting

8 盾構吊裝二維建模要點分析

根據盾構下井后的監測數據圖13～圖14可得，二維和三維有限元分析模型準確、合理，計算結果可有效指導特殊環境下基坑盾構吊裝方案的制定，確保盾構吊裝過程中基坑的安全與穩定性。

圖14 盾構吊裝后監測數據Fig.14 Monitoring data analysis after shield lifting

結合監測數據和三維整體數值分析方法，通過合理的簡化，二維建模分析方法可安全、合理的指導特殊條件下施工方案的合理制定，二維建模簡化分析應注意以下幾點:

(1)冠梁剛度:理正深基坑分析軟件中冠梁剛度計算采用的是簡支梁模型，支點為相鄰支撐間的距離。根據本文分析過程，在特殊環境工況下或受力不對稱時，建議單獨建模分析冠梁合理的剛度，剛度計算應保守考慮，取可靠支撐的相鄰位置作為剛度計算的支點，或在現場將計算所采用支點位置加強，提供可靠的支撐點。

(2)水土分、合算:根據現場地質選擇準確的土體參數建模，若無明確的地勘報告信息，盡量采用水土分算模型分析。

(3)樓板剛度:由于樓板開洞等原因，可能削弱樓層板對圍護樁的支撐作用，開洞過大的樓板作為剛性鉸考慮會導致計算結果不合理。將樓板剛度換算為線剛度，作為支撐考慮較為準確。

(4)特殊荷載:合理簡化考慮吊車荷載，提供可靠的措施使現場實際荷載和計算模型荷載一致。

9 結論

1)結合二維、三維有限元數值分析和現場監測數據，證明了特殊環境下盾構吊裝下井方案是安全、合理的。

2)通過結構樓板約束等效、冠梁剛度折減和土體參數等的合理確定，采用二維模型檢算方法可以得出合理、準確的結果。

3)本文研究方案和二維檢算方法為解決同類特殊施工問題提供了借鑒，為后期綜合樞紐深大基坑工程施工提供了技術儲備。

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