深厚軟土地區深大管廊基坑圍護結構變形特征研究

馮曉哲，陳國良

（1.中鐵七局集團第三工程有限公司，西安710032；2.中鐵中南投資發展有限公司，長沙410100）

1 引言

隨著我國社會經濟不斷發展，城市地面空間不足與城市化擴展帶來的用地需求產生了矛盾，伴隨而來的是城市用地高度緊張，使得城市開發不得不向地下要空間及立體開發這一道路發展。受限于地形地貌，我國南方部分沿海城市開始不斷發展地下綜合管廊以提高土地的利用率，緩解用地緊張。在此環境下，在該區域內分布較廣的深厚軟土地層會給地下管廊施工帶來許多新的挑戰，如富水地層以及長條形深基坑的橫向縱向受力不均為較為常見的幾種情況。在此形勢下，研究深厚軟土地層中地下連續墻-內支撐深基坑變形特性對深基坑工程實踐具有指導意義。

為此，很多學者進行了相關研究。張道欣[1]等探究了敏感環境下長條形深基坑內各支撐布置型式對土體-結構的作用，分析對比了不同結構對基底隆起以及基坑安全的區別與優劣。李松林[2]對沿海地區地下綜合管廊的特征進行了研究，并對沿海地區城市地下綜合管廊的主要施工技術進行了總結，結合沿海地區城市地下綜合管廊常見問題進行分析，具有積極意義。王金鵬[3]等針對長江漫灘軟土場地管廊基坑工程，根據軟土的工程特性和二元結構含水層地下水流動特性，考慮鋼板樁施工對軟土擾動的影響，分析了長江漫灘場地鋼板樁管廊基坑施工存在的軟土觸變、坑底突涌、鋼板樁施工等潛在風險。邱明明[4]等研究了富水砂層中地下連續墻對深基坑施工變形形狀及其影響因素。馮曉臘[5]等以武漢特殊的軟土地層為例，討論了河流相、湖泊相和沼澤相等不同沉積環境中地下水分布規律和基坑工程的止水方法。王艷明[6]等對富水軟弱地層中綜合管廊SMW工法樁的不同支護樁樁徑、不同型鋼布置形式、不同型鋼尺寸、不同支撐軸力下的變形規律進行了研究，確定了SMW工法樁的最優設計。朱利明[7]等針對傳統深基坑優化中的不足，基于遺傳算法，選取基坑開挖的具體參數進行了研究；提出價值尋優的目標函數，建立了排樁加多撐的支護優化模型。這些研究已經取得了較好的成果，并為我國的城市管廊基坑建設提供了大量的參考，但由于深厚軟體地區地層的復雜性，以及管廊工程逐漸向深、寬、長、難等方向發展，使得深厚軟土地區管廊基坑的有關研究仍然是不可忽視的熱點和重點。

為研究深厚軟土地區中深大管廊施工過程中的橫向變形特征，本文以媽灣跨海通道大鏟灣段綜合管廊基坑工程為依托，采用有限元軟件Midas GTS NX對使用地下連續墻以及內支撐支護的深基坑的開挖施工全過程進行模擬，建立考慮地應力作用的地層-圍護結構的基坑施工模型，分施工步計算各個方向上的位移，深入研究了當前支護結構施工對基坑土體的影響。通過本文的計算和分析，對深厚軟土區綜合管廊基坑的變形特性以及支護結構設計施工經驗進行總結，給類似項目提供參考。

2 工程與地質概況

2.1 工程概況

本項目屬于深圳市西部重要市政工程——媽灣跨海通道（月亮灣大道~沿江高速），媽灣跨海通道工程位于廣東省深圳市，路線全長約8.05 km，其中，前海段2.5 km，海域段1.1 km，大鏟灣段4.45 km，本文研究的為大鏟灣段的明挖綜合管廊基坑。在本文研究的綜合管廊基坑中，所采用的支護方式為1 000 mm厚地下連續墻加3~4道鋼筋混凝土內支撐支護，其中最頂上的第一道內支撐截面為1.0 m×1.0 m，下面的幾道內支撐截面為0.8 m×0.8 m。大鏟灣段基坑的開挖深度為18.1~21.8 m，平均基坑寬度為52.5 m。為保證內支撐的穩定，在地連墻施工完成后，在基坑內部間隔一定距離設置了3道臨時鋼立柱，立柱底部采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁徑為1.2 m，灌注樁打入基坑底部以下10 m。為保證計算效率，本文對實際基坑進行了一定程度的簡化。

2.2 地質情況

該基坑工程為深圳市媽灣跨海通道工程的一部分，位于大鏟灣段。工程位于深圳市西南側珠江入海口處，沿線微地貌發育，主要發育淺海區及海陸交互沉積區地貌，總體地勢平緩。原始地貌屬珠江口伶仃洋東部的次一級淺海灣，當時灣口寬約8 km，灣口水深3~5 m，灣內水深大部分不足2 m，灣內水域面積約20 km2。大鏟灣東岸和北岸為平緩的沖積海積平原，南岸為淺灘-山地型海岸，由混合花崗巖、混合巖等變質巖構成的南山丘陵臨岸。由于人工圍墾和養殖，大鏟灣不斷淤淺，灣內泥質潮灘十分發育且大部分為蠔田區。

工程所在地區地下結構主要由人工填土、第四系全新統海陸交互沉積淤泥、全新統沖洪積黏土、混合花崗巖等組成；位于抗震設防烈度7度區，部分沖洪積中砂層在7度及以上烈度作用下為液化土層，液化等級為輕微。主要地層介紹如下：

沖填土：本層主要分布于大鏟灣段填海造陸沖填而成，雜色，主要為黏土、砂、淤泥混雜而成，成分不均，夾貝殼碎片，結構松散為主，局部稍密，鉆孔揭露多數以石英質細砂混黏性土、淤泥、貝殼碎片為主，局部主要表現為黏性土或淤泥，多見土工編織物。為Ⅱ級普通土。該層不均勻含有機質，含量一般為0.9%~10%，平均值為6.3%。該層地層厚1.00～12.70 m，平均層厚5.70 m。

淤泥質黏土：淺灰、灰黑色，局部混砂及腐木，很濕～飽和，軟塑狀為主，局部可塑，光滑，搖振反應慢，干強度高，韌性高。為Ⅱ級普通土。該層有機質含量一般為0.5～9.9%，平均值為5.6%，局部含大量腐木。該層地層厚0.30～6.90 m，平均層厚2.64 m。

砂質黏性土：褐紅、灰黃夾灰白等色，由下伏混合花崗巖風化殘積而成，原巖結構可辨，可塑～硬塑狀，稍有光澤，搖振反應無，干強度中等，韌性中等。為Ⅱ級普通土。該層地層厚0.50～16.00 m，平均層厚5.07 m。

混合花崗巖：中粒變晶花崗結構，塊狀構造，主要礦物成分為石英、長石等，局部含變粒巖。根據本次勘察采取的混合花崗巖樣品進行的巖礦鑒定結果，該類型巖石呈粒狀結構，塊狀構造，由石英和長石及少量的白云母組成，石英含量約40%～55%，長石含量約55%～60%，礦物成分很不均勻，礦物粒度大小多在1.0～2.0 mm，個別較大可達3.0 mm左右。全風化層厚0.50～14.00 m，平均層厚4.07 m。強風化層厚0.30～13.40 m，平均層厚4.46 m。中風化層厚0.20～9.80 m，平均層厚2.96 m。微風化層厚1.10～38.40 m，平均揭露層厚7.97 m。

3 MI DAS GTS NX簡介

Midas GTS NX是韓國邁達斯公司開發出來的一款巖土工程分析軟件。該軟件在Widows操作平臺下運行，界面較為友好，操作也十分便捷。不僅如此，該軟件還提供了中文版本，方便國內研究人員使用。該軟件可以快速地構建巖土工程實際模型，并進行計算分析，而且可以提供三維動力分析，讓巖土工程計算分析可視化。經過多年的發展，Midas GTS系列軟件被廣泛地應用在邊坡、地鐵和隧道等工程項目中。由于其內置了強大的計算分析功能，即使分析復雜模型，該軟件都可以快速地響應。Midas GTS NX軟件具有如靜力分析、施工階段分析和固結分析等6大分析功能，這6大分析功能基本上滿足了巖土工程計算分析中的所有需要。Midas GTS NX軟件計算分析前需要構建模型，并需要選擇合適的本構模型。Midas GTS NX軟件本身自帶多種，同時也允許用戶添加自定義本構模型。Midas GTS NX自身提供了如虎克-布朗（Hoek-Brown）、修正莫爾-庫倫（Modified Mohr-Coulomb）以及修正劍橋（Modified Cam-Clay）等幾十種本構模型。

4 模型概況

本文采用MIDAS GTS NX有限元軟件建立基坑開挖施工三維模型，模型的三維實體尺寸為：112 m×112 m×50 m，實際工程剖面中共有8層巖土層，在本文中將性質相近的地層進行簡化合并，地層簡化后自上而下分別為9 m厚的沖填土、15 m厚的淤泥質黏土、11 m厚的砂質黏土以及15 m厚的混合花崗巖，計算巖土所用參數如表1所示。

表1 計算所用巖土參數表

該基坑尺寸為寬60 m、深19.23 m。該基坑工程選用地下連續墻和內支撐支護。基本支護結構如圖1所示。開挖施工前，先澆筑地下連續墻，并施工臨時鋼立柱和立柱樁基礎。受力鋼筋籠采用HRB400級鋼筋，澆筑混凝土則采用C30混凝土；后開始基坑開挖。挖到既定標高后，立即進行內支撐的施工；分4層內支撐進行施工，除第1層截面尺寸為800 mm×800 mm之外，其余3層的截面尺寸均為1 000 mm×1 000 mm。開挖到基底埋深后，在基底進行底部樁的施工并澆筑封底混凝土。

圖1 支護結構示意圖

根據簡化后的地層情況以及施工圖紙建立基坑、地下連續墻及內部支撐有限元網格，網格劃分如圖2所示。其中，地下連續墻使用板單元進行建模，內支撐使用梁單元進行建模，土體均使用三維實體單元進行建模，此次建模中，模型所含節點數共30 863個，模型總單元數為49 801個，自由度數為98 367。模型中x軸方向邊界為管廊前進方向，考慮到管廊施工實際上是分段開挖這一實際情況，僅選取部分管廊進行建模，未考慮x方向，x軸方向基坑邊界為虛擬邊界。

圖2 基坑有限元網格及內支撐細部圖

其施工步驟主要如下：（1）進行地下連續墻和臨時立柱施工；（2）進行開挖施工；（3）進行內支撐的施工；（4）重復支護—開挖過程至開挖至基底；（5）開挖至基坑底部時，澆筑封底混凝土。

5 模擬結果與分析

利用上節中建立的深基坑有限元模型，按照上述的施工步驟進行基坑開挖和支護結構構建模。在本節中，將對各個施工步中各個方向的位移進行分析，研究開挖對該深厚軟土地層的變形影響。本節中，選取地下連續墻施工完成后，各道支撐結構施工作為典型施工步進行分析，主要施工步為：第一道內支撐施工和第一層土開挖（開挖至第二道內支撐頂）；第二道內支撐施工和第二層土開挖（開挖至第三道內支撐頂）；第三道內支撐施工和第三層土開挖（開挖至第三道內支撐頂）；第四道內支撐施工和第四層土開挖（開挖至基坑坑底）。

第一施工步為地下連續墻澆筑完成之后進行的開挖，以及第一道支撐施工。開挖深度為2 m。該施工步完成后，橫向位移最大值僅為1.8 mm，位于基坑坑壁兩側的頂部。受開挖影響，基坑底部土體也存在一定橫向位移，其橫向變形不到1 mm。第二施工步開挖深度為5 m，該施工步結束后，橫向最大位移擴大為3.7 mm，出現在現狀基坑坑底。坑壁兩側頂部位移繼續擴張，變形程度約為1.8 mm。第三施工步開挖深度為5 m，該施工步結束后最大位移產生的位置為第三道支撐和第二道支撐之間的土體，變形量為8 mm，同時坑壁頂部的變形擴大至4 mm。第四施工步為最后一個施工步，該施工步開挖5 m后基坑開挖基本完成。橫向位移較大的土體位于第二、三道支撐間、第三、四道支撐間以及第四道支撐與坑底之間的土體，最大橫向變形約為20 mm。

由于采用了先支撐后開挖的施工工藝以及地連墻+混凝土支撐的支護結構體系，支撐總是先于開挖卸荷作用于基坑壁上，兩側較為對稱，在施工過程中其最大橫向位移率僅為0.3‰，說明支護結構十分有效。隨著基坑的不斷開挖，最大位移處多次重分布，除第二施工步最大位移出現在現狀坑底外，各施工步最大位移分布主要分布在內支撐結構與基坑周圍土體節點周圍。該現象表明，由于內支撐的存在，限制了內支撐所在外置的地連墻變形，故支護結構變形只能發生在內支撐之間無限制的地連墻上。因此，在基坑施工過程以及監測中，需要重點關注內支撐之間部分的地連墻變形，避免因為開挖引起軟土層擾動，導致地連墻的變形過大。

第一~第四開挖施工步堅向位移云圖見圖3~圖6。

圖3 第一開挖施工步豎向位移云圖

圖6 第四開挖施工步豎向位移云圖

圖4 第二開挖施工步豎向位移云圖

圖5 第三開挖施工步豎向位移云圖

6 結論

基于深圳市媽灣跨海通道工程中的大鏟灣段綜合管廊基坑工程，本文對該工程的地層模型以及結構模型進行了適當簡化，并使用Midas GTS NX有限元計算軟件構建了有限元模型。通過對該工程的基坑開挖和支護結構構建過程進行模擬，并對模擬所得的支護結構位移情況進行分析，本文主要結論如下：

1）各個施工步中，橫向變形均處在合理的范圍之內，最大變形率僅為0.3‰。不同施工步中最大變形區域分布有所不同，但主要處于各道內支撐之間。

2）計算結果表明，地連墻+內支撐結構十分有效地控制了深厚軟體地區基坑的變形，同時也指明了后續施工過程中需要進行監測的關鍵點。

3）本文中地下連續墻以及內支撐的結構設計方案能全過程較好地滿足深厚軟巖地層中深大管廊的基坑穩定性的要求，為今后相似軟土環境中管廊基坑的開挖支護方式提供了有效參考。