上海某220 kV地下變電站基坑工程優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 漾姜 波馬曉元霍曉波

（1同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092；2上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海200025）

上海某220 kV地下變電站基坑工程優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 漾1，姜 波2馬曉元2霍曉波1

（1同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092；2上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海200025）

摘 要以上海地區(qū)某220 kV地下變電站基坑工程為基礎(chǔ)，采用啟明星及Plaxis進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合與已建基坑工程進(jìn)行類比的方法，分析了地下連續(xù)墻的插入比、坑內(nèi)加固參數(shù)（加固深度、寬度、厚度及抽條加固置換率）對(duì)基坑穩(wěn)定性、安全系數(shù)、墻體位移及墻體內(nèi)力等的影響，得到如下結(jié)論：①基坑的最優(yōu)插入比可選定在0．75～0．8之間；②基坑坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體加固優(yōu)化方案為加固深度17．1 m，加固厚度11 m，加固寬度3 m，抽條加固置換率0．3。

關(guān)鍵詞基坑，地下變電站，優(yōu)化設(shè)計(jì)，數(shù)值分析，工程類比

Optim ization Design of a 220 kV Underground Substation Excavation in Shanghai

LIU Yang1，JIANG Bo2MA Xiaoyuan2HUO Xiaobo
（1 Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；2 Shanghai Electric Power Design Institute，CO．，Ltd．，Shanghai 200025，China）

Abstract A series of parametric studies for a 220 kV underground substation excavation in Shanghai area were performed with the two-dimensional finite element code Qimstar and Plaxis．The results were compared with the local historical cases to investigate the effects of the penetration ratios and the reinforcement parameters（i．e．，reinforcement depth，width，thickness and replacement ratio of strip strengthening soil）on the stability of excavations，safety factors，displacements and internal forces of diaphragm walls．On the basis of the numerical analysis results，some major findings were obtained：（1）the optimization penetration ratio was between 0．75 to 0．8；（2）the optimization strengthening scheme of soil was that the strengthening depth，strengthening thickness and the width of strengthening soil，and the replacement ratio of strip strengthening soil were 17．1 m，11 m，3 m and 0．3，respectively．

Keywords excavation，underground substation，optimization design，numerical analysis，engineering analogy

1 引 言

隨著城市的發(fā)展，對(duì)電力需求的持續(xù)增長(zhǎng)，在城區(qū)建設(shè)地下變電站而帶來的基坑支護(hù)工程也越來越多?；又ёo(hù)工程是集巖土工程與結(jié)構(gòu)工程為一體的系統(tǒng)工程，涉及的影響因素多，而且各種因素之間的相互作用比較復(fù)雜［1］。在設(shè)計(jì)基坑工程時(shí)，應(yīng)滿足安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、施工便利和可持續(xù)發(fā)展等技術(shù)要求［2］。為滿足這些要求需要對(duì)多種方案進(jìn)行力學(xué)分析，綜合比較，以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

以彈性地基梁法為代表的傳統(tǒng)基坑分析方法雖在設(shè)計(jì)中普遍應(yīng)用，但不能完全、準(zhǔn)確反映基坑工程中的力學(xué)行為，比如彈性地基梁法通常只能分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，無法分析墻后土體的沉降和坑底土體的隆起變形。隨著近年來有限元數(shù)值方法在巖土工程領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，連續(xù)介質(zhì)模型也成功應(yīng)用在基坑優(yōu)化設(shè)計(jì)中，解決了傳統(tǒng)基坑分析方法中不能反映土體與圍巖相互作用以及基坑開挖空間效應(yīng)的問題。

本文主要采用連續(xù)介質(zhì)模型，利用啟明星和Plaxis［3］進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合已建基坑工程類比的方法對(duì)上海地區(qū)典型變電站基坑的插入深度、加固方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為今后類似基坑工程提供設(shè)計(jì)參考。

2 工程概況

上海某220 V地下變電站基坑開挖深度為19 m，采用厚度為1 000 mm的地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，連續(xù)墻有效長(zhǎng)度為36 m，插入比約為0．9，采用四道混凝土圍檁＋支撐，墻頂標(biāo)高為±0．0 m?？紤]地面超載20 kPa。

基坑采用了裙邊加抽條的加固方案，加固方案如圖1、圖2所示。

圖1　基坑加固平面圖（單位：mm）Fig．1 Plan review of strengthening for the excavation（Unit：mm）

圖2　基坑加固剖面圖（單位：mm）Fig．2 Cross section of strengthening for the excavation（Unit：mm）

3 計(jì)算模型

計(jì)算模型如圖3、圖4所示?；娱_挖深度H ＝19 m。Plaxis計(jì)算模型模擬一半結(jié)構(gòu)，左邊界距離基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)60 m，模型二維尺寸為80 m×56 m。地表荷載取20 kPa。

圖3　啟明星計(jì)算模型Fig．3 Analysis model in Qimstar

圖4　Plaxis計(jì)算模型圖Fig．4 Analysis model in Plaxis

模型側(cè)面為位移邊界，限制水平移動(dòng)；底部為固定邊界，限制水平移動(dòng)和垂直移動(dòng)；模型頂面為地表，取為自由邊界?；拥膰o(hù)結(jié)構(gòu)（地下連續(xù)墻）采用Plate單元模擬，基坑支撐采用Anchor單元模擬，土體采用HS模型。

巖土工程一般依照摩爾－庫侖破壞準(zhǔn)則來判別基坑失穩(wěn)，因此，本文這樣定義基坑的安全系數(shù)：

式中，c，φ為土體的強(qiáng)度系數(shù)；cr，φr為土體破壞的臨界強(qiáng)度系數(shù)；Fs為基坑的安全系數(shù)。

4 計(jì)算結(jié)果分析

采用變量控制法，即在其他參數(shù)不變的情況下，改變某個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)研究其敏感性，獲取最優(yōu)值，并通過與已建基坑工程類比獲取相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)果如下。

表1　模型參數(shù)取值表Table 1 Physical and mechanical parameters of soils

4．1 地下連續(xù)墻插入比的優(yōu)化

選取插入比為0．4、0．5、0．6、0．7、0．8、0．9、1．0的七種情況，分別對(duì)基坑穩(wěn)定性、安全系數(shù)、墻體最大位移、墻底位移、墻體最大彎矩及最大剪力進(jìn)行分析比較。

不同插入比條件下基坑的穩(wěn)定性如圖5所示。

圖5　不同插入比條件下穩(wěn)定性校核Fig．5 Relationship between the excavation stability and the penetration ratio

由圖可知，基坑的整體穩(wěn)定性隨插入比的增大呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，而墻底抗隆起（即地基承載力）在插入比為0．6的位置發(fā)生突變，原因是此時(shí)墻底正處于兩層土的交界處。依據(jù)規(guī)范［4］要求選取滿足所有穩(wěn)定性要求的最小插入比大約在0．75，而原設(shè)計(jì)的插入比約為0．89（17／19）。理論上，原設(shè)計(jì)可以減少圍護(hù)墻插入深度達(dá)0．12 H（2．3 m），但由于墻體受力、變形以及環(huán)境保護(hù)等原因使得設(shè)計(jì)插入比取值較為保守。

不同插入比條件下基坑安全系數(shù)如圖6所示，由圖可知，基坑安全系數(shù)隨著插入比增大呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，曲線沒有明顯的拐點(diǎn)出現(xiàn)，這一規(guī)律與啟明星軟件的計(jì)算結(jié)果一致，因此可以得到以下結(jié)論：從穩(wěn)定性的角度分析，滿足最小穩(wěn)定性要求的插入比即為最佳插入比。

圖6　不同插入比條件下安全系數(shù)Fig．6 Relationship between the safety factor and the penetration ratio

不同插入比條件下墻體最大位移如圖7所示。

圖7　不同插入比條件下墻體最大位移Fig．7 Relationship between the maximum displacement of the wall and the penetration ratios

曲線中可以很明顯地看到在插入比為0．6處有一個(gè)拐點(diǎn)，即對(duì)于插入坑底以下0．6 H深度的墻體對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身的位移控制起很大的作用，而再深的墻體雖然對(duì)抑制墻體最大位移有一定的幫助，但其“性價(jià)比”不如前者高。因此，僅從墻體最大位移這一指標(biāo)來看，0．6為最佳插入比。不同插入比條件下墻底位移如圖8所示。

圖8　不同插入比條件下墻底位移Fig．8 Relationship between displacement of the wall tip and the penetration ratio

由圖可知，D／H＝0．7為曲線拐點(diǎn)。因此僅從墻底位移這一指標(biāo)來看，0．7為最佳插入比。

不同插入比條件下圍護(hù)墻體的最大彎矩、剪力曲線如圖9所示。

圖9　不同插入比條件下墻體內(nèi)力Fig．9 Relationship between internal force of the diaphragm wall and the penetration ratio

從最大彎矩控制的角度看，墻體在較小插入比的條件下彎矩水平較小，隨著插入比的增大，墻體位移形態(tài)發(fā)生變化，從踢腳形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g大兩邊小的形態(tài)，這使得墻中（接近坑底）位置的彎矩較大，而隨著插入比的繼續(xù)增加，大約到0．8之后，墻體最大彎矩開始穩(wěn)定。因此，從這一結(jié)論可以認(rèn)為插入比為0．8時(shí)較為合適。墻體最大剪力的變化出現(xiàn)兩個(gè)拐點(diǎn)，其中插入比為0．9為極小值點(diǎn)，考慮到控制彎矩的要求，將0．9作為剪力控制的最佳插入比。綜合而言，在位移的控制條件下，0．8～0．9為比較合適的插入比范圍。

以上分別從基坑穩(wěn)定性、安全性、墻體位移與內(nèi)力四個(gè)角度對(duì)基坑插入比進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，其優(yōu)化結(jié)果如表2所示，墻體位移給出的建議插入比偏小，安全性沒有明確的拐點(diǎn)及建議值，墻體最大剪力指標(biāo)相比而言占最后的決策權(quán)重較輕，僅作為參考，穩(wěn)定性與墻體最大彎矩作為比較重要的衡量指標(biāo)最后決定了綜合的插入比，最后選取0．75～0．8作為該地下變電站基坑的最優(yōu)插入比，相比原設(shè)計(jì)節(jié)約了0．95～2．85 m的墻體長(zhǎng)度。

表2　基坑建議插入比匯總Table 2 Summary of the proposed penetration ratio

通過統(tǒng)計(jì)上海地區(qū)類似深度的地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入比可以從經(jīng)驗(yàn)的角度對(duì)上海地區(qū)220 kV變電站基坑的插入比進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對(duì)上述理論分析的合理性加以評(píng)判。通過查詢上海地區(qū)基坑數(shù)據(jù)庫［5］，上海地區(qū)部分開挖深度在15～25 m地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入比信息如圖10所示。

圖10　不同開挖深度條件下插入比統(tǒng)計(jì)Fig．10 Statistics for penetration ratios of excavations with different depths

選定開挖深度（19 m）±1 m范圍內(nèi)1 000 mm厚地連墻的基坑案例作為分析樣本（虛線劃定的范圍內(nèi)），共有六例滿足要求，其中，最大插入比為0．875而最小的則為0．66，樣本均小于本工程插入比（0．9），證明原方案確實(shí)存在優(yōu)化的空間。此外，在建議插入比范圍內(nèi)（0．75～0．8）有一例樣本，另有一例樣本遠(yuǎn)小于建議范圍的下限，有四例樣本落在0．8～0．85的區(qū)間內(nèi)。

綜上所述，可以得出結(jié)論：原方案插入比的確過于保守，存在優(yōu)化的空間；其次，當(dāng)前開挖深度在18～20 m間的民用基坑工程插入比多定為0．8～0．85間；相較于理論分析得出的結(jié)論（0．75～0．8），實(shí)際工程要相對(duì)保守一些，考慮到工程中安全儲(chǔ)備的影響，理論分析所得出的結(jié)論是值得參考的。

4．2 基坑坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體加固優(yōu)化

在不改變加固形式的條件下對(duì)已有的加固方案細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，取長(zhǎng)邊中間位置作為計(jì)算剖面，理論上這個(gè)位置最符合平面應(yīng)變狀態(tài)。優(yōu)化參數(shù)選取如圖12所示。

4．2．1 加固深度優(yōu)化

對(duì)初始加固深度h1進(jìn)行優(yōu)化（h1參數(shù)定義見圖12，表示地面到加固區(qū)中心的距離），分別取0．61 H（11．5 m）、0．71 H（13．5 m）、0．82 H（15．5 m）、0．92 H（17．5 m）、1．03 H（19．5 m）、1．13 H（21．5 m）進(jìn)行計(jì)算，并監(jiān)測(cè)不同h1時(shí)最大地表沉降及最大墻體位移情況，其結(jié)果如圖11所示。

圖11　不同加固深度下最大坑外地表沉降及墻體位移Fig．11 Relationship between the maximum ground settlement behind the diaphragm wall and the strengthening depth

圖12　基坑加固優(yōu)化參數(shù)選取Fig．12 Optimization parameters of excavation strengthening

從圖中可以很直觀地發(fā)現(xiàn)當(dāng)加固深度為0．9H時(shí)曲線（最大坑外沉降）出現(xiàn)了一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，加固深度為H～1．1H時(shí)的加固效果與之相比沒有明顯的增加，且有弱化的趨勢(shì)。因此，建議將加固深度選為0．9H，這一結(jié)論與原設(shè)計(jì)十分接近。從控制墻體位移的角度看，加固深度沒有明顯的最優(yōu)值，但在1．1 H加固深度前后墻體最大位移已有沒有明顯的差別，據(jù)此建議最優(yōu)加固深度為1．1 H左右。在實(shí)際工程中，由于工程建設(shè)條件的區(qū)別，工程人員應(yīng)根據(jù)工程主控要素來選擇最優(yōu)加固深度，但總體建議控制在0．95 H～1．1 H之間。

4．2．2 裙邊加固寬度優(yōu)化

對(duì)裙邊加固寬度s進(jìn)行優(yōu)化，s不能單純地理解為加固寬度的大小，沒有裙邊加固的區(qū)域也會(huì)采用抽條加固，因此，裙邊加固與抽條加固是相互補(bǔ)的關(guān)系。為方便計(jì)算將s值取為0 m、2 m、4 m、8 m與10 m，但在分析中將上述數(shù)值理解為裙邊寬度與抽條寬度的比值，用參數(shù)r表示。圖13計(jì)算結(jié)果表明，盡管裙邊加固越寬，其對(duì)坑外地表沉降及墻體位移的抑制效果越好，但所減小的沉降值相比其加固寬度的增加而言是不經(jīng)濟(jì)的，置換率為0．27（原設(shè)計(jì)）抽條加固已經(jīng)可以達(dá)到裙邊加固幾乎相同的效果。因此，在原設(shè)計(jì)抽條加固置換率不降低的條件下，可以將裙邊加固完全改為抽條加固。

4．2．3 加固厚度優(yōu)化

分別采用不同的加固厚度（0．37 H、0．47 H、0．58 H、0．68 H、0．79 H）進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如圖14所示。

圖13　最大坑外沉降、墻體位移與r的關(guān)系Fig．13 Relationship between largest settlement of ground outside the excavation／displacement of the wall and r

圖14　最大坑外沉降、墻體位移與加固厚度關(guān)系Fig．14 Relationship between the largest settlement of ground outside the excavation／displacement of the wall and the thickness of strengthening

從圖中可見，坑外最大沉降與墻體最大位移隨坑內(nèi)加固厚度的增大近似線性減小，因此對(duì)于此基坑工程不存在最經(jīng)濟(jì)的加固厚度，即需要控制多少位移，就應(yīng)增加等比例的厚度。

4．2．4 抽條加固部分置換率優(yōu)化

取不同的置換率進(jìn)行計(jì)算分析，各置換率對(duì)應(yīng)的坑外地表沉降及墻體最大位移見圖15。

由圖可知，雖然在曲線（坑外最大沉降）拐點(diǎn)位置出現(xiàn)了起伏的形態(tài)，但曲線斜率還是有一個(gè)比較明顯的變化，因此可以據(jù)此認(rèn)為置換率大約在0．2～0．3之間比較經(jīng)濟(jì)，原設(shè)計(jì)的置換率為0．27，是比較合理的。從控制墻體位移的角度看，最優(yōu)置換率應(yīng)控制在0．5左右。綜合而言，最優(yōu)置換率在0．3～0．5之間。

4．2．5 加固優(yōu)化方案比選

綜合4．2．1節(jié)至4．2．4節(jié)的結(jié)果，變電站基坑加固方案的參數(shù)優(yōu)化如表3所示，加固深度在兩個(gè)指標(biāo)的控制下，最優(yōu)解分別為0．9 H與1．1 H，若為了保證加固的效果，則取較大的值為最優(yōu)值，若以經(jīng)濟(jì)性為主要考量，則取較小值。加固厚度沒有明確的最優(yōu)解，因此沿用原設(shè)計(jì)。6 m的裙邊加固與置換率為0．3以上的抽條加固效果差不多，但考慮到裙邊加固可以起到暗圈梁的作用，因此將原設(shè)計(jì)6 m的寬度折減一半予以保留。

圖15　最大坑外沉降、墻體位移與抽條加固置換率關(guān)系Fig．15 Relationship between the largest settlement of ground outside the excavation／displacement of the wall and the replacement ratio

表3　基坑加固方案參數(shù)優(yōu)化Table 3 Optim ization parameters of strengthening

優(yōu)化方案與原方案的效果對(duì)比如表4所示，方案1相比原方案坑外最大沉降減少了4．5%，最大墻體位移減少了12．6%，但加固面積增加了7．6%，且加固深度增加了3．4 m之多。相比原方案，方案2坑外最大沉降減少了0．3%，墻體最大位移減少了4．5%，其加固面積減少了22%之多，且加固深度減少0．4 m。綜合來看，優(yōu)化方案2更具性價(jià)比，建議采用優(yōu)化方案2。

表4　基坑加固方案對(duì)比Table 4 Comparison of strengthening schemes

5 結(jié) 論

本文采用連續(xù)介質(zhì)模型，通過數(shù)值模擬，并結(jié)合已建基坑工程類比的方法對(duì)上海地區(qū)某220 kV典型變電站基坑的插入深度、坑內(nèi)土體加固方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論：

（1）該地下變電站基坑的最優(yōu)插入比為0．75～0．8，相比原設(shè)計(jì)節(jié)約了0．95～2．85 m的墻體長(zhǎng)度。

（2）對(duì)坑內(nèi)土體加固深度的優(yōu)化，從控制坑外地表沉降角度看，最優(yōu)加固深度為0．9H，從控制墻體位移的角度看，最優(yōu)加固深度為1．1H。綜合比較，最優(yōu)加固深度為（0．95～1．1）H之間。

（3）在原設(shè)計(jì)抽條加固置換率不降低的條件下，可以將裙邊加固完全改為抽條加固。

（4）對(duì)抽條加固置換率的優(yōu)化，從控制坑外地表沉降角度看，置換率宜在0．2～0．3之間，從控制墻體位移的角度看，最優(yōu)置換率宜取0．5。綜合而已，最優(yōu)值范圍為0．3～0．5之間。

（5）不存在最經(jīng)濟(jì)加固厚度，需要控制多少位移，就應(yīng)增加等比例的厚度。

（6）基坑坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體加固可采用如下方案：加固深度17．1 m，加固厚度11 m，加固寬度3 m，抽條加固置換率0．3。

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基金項(xiàng)目：國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“地下變電站優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究”（5150011044）聯(lián)系作者，Email：329yangliu＠tongji．edu．cn

收稿日期：2014－08－21