深厚軟土地區(qū)深大管廊基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征研究

馮曉哲，陳國良

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

1 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，城市地面空間不足與城市化擴(kuò)展帶來的用地需求產(chǎn)生了矛盾，伴隨而來的是城市用地高度緊張，使得城市開發(fā)不得不向地下要空間及立體開發(fā)這一道路發(fā)展。受限于地形地貌，我國南方部分沿海城市開始不斷發(fā)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(huán)境下，在該區(qū)域內(nèi)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(zhàn)，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(xù)墻-內(nèi)支撐深基坑變形特性對深基坑工程實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。

為此，很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。張道欣[1]等探究了敏感環(huán)境下長條形深基坑內(nèi)各支撐布置型式對土體-結(jié)構(gòu)的作用，分析對比了不同結(jié)構(gòu)對基底隆起以及基坑安全的區(qū)別與優(yōu)劣。李松林[2]對沿海地區(qū)地下綜合管廊的特征進(jìn)行了研究，并對沿海地區(qū)城市地下綜合管廊的主要施工技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，結(jié)合沿海地區(qū)城市地下綜合管廊常見問題進(jìn)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(jù)軟土的工程特性和二元結(jié)構(gòu)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(fēng)險(xiǎn)。邱明明[4]等研究了富水砂層中地下連續(xù)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(huán)境中地下水分布規(guī)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(hù)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(guī)律進(jìn)行了研究，確定了SMW工法樁的最優(yōu)設(shè)計(jì)。朱利明[7]等針對傳統(tǒng)深基坑優(yōu)化中的不足，基于遺傳算法，選取基坑開挖的具體參數(shù)進(jìn)行了研究；提出價(jià)值尋優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)，建立了排樁加多撐的支護(hù)優(yōu)化模型。這些研究已經(jīng)取得了較好的成果，并為我國的城市管廊基坑建設(shè)提供了大量的參考，但由于深厚軟體地區(qū)地層的復(fù)雜性，以及管廊工程逐漸向深、寬、長、難等方向發(fā)展，使得深厚軟土地區(qū)管廊基坑的有關(guān)研究仍然是不可忽視的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

為研究深厚軟土地區(qū)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(xù)墻以及內(nèi)支撐支護(hù)的深基坑的開挖施工全過程進(jìn)行模擬，建立考慮地應(yīng)力作用的地層-圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑施工模型，分施工步計(jì)算各個方向上的位移，深入研究了當(dāng)前支護(hù)結(jié)構(gòu)施工對基坑土體的影響。通過本文的計(jì)算和分析，對深厚軟土區(qū)綜合管廊基坑的變形特性以及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，給類似項(xiàng)目提供參考。

2 工程與地質(zhì)概況

2.1 工程概況

本項(xiàng)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(hù)方式為1 000 mm厚地下連續(xù)墻加3~4道鋼筋混凝土內(nèi)支撐支護(hù)，其中最頂上的第一道內(nèi)支撐截面為1.0 m×1.0 m，下面的幾道內(nèi)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(nèi)支撐的穩(wěn)定，在地連墻施工完成后，在基坑內(nèi)部間隔一定距離設(shè)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(jì)算效率，本文對實(shí)際基坑進(jìn)行了一定程度的簡化。

2.2 地質(zhì)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(cè)珠江入海口處，沿線微地貌發(fā)育，主要發(fā)育淺海區(qū)及海陸交互沉積區(qū)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(dāng)時灣口寬約8 km，灣口水深3~5 m，灣內(nèi)水深大部分不足2 m，灣內(nèi)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(zhì)巖構(gòu)成的南山丘陵臨岸。由于人工圍墾和養(yǎng)殖，大鏟灣不斷淤淺，灣內(nèi)泥質(zhì)潮灘十分發(fā)育且大部分為蠔田區(qū)。

工程所在地區(qū)地下結(jié)構(gòu)主要由人工填土、第四系全新統(tǒng)海陸交互沉積淤泥、全新統(tǒng)沖洪積黏土、混合花崗巖等組成；位于抗震設(shè)防烈度7度區(qū)，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(jié)構(gòu)松散為主，局部稍密，鉆孔揭露多數(shù)以石英質(zhì)細(xì)砂混黏性土、淤泥、貝殼碎片為主，局部主要表現(xiàn)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(jī)質(zhì)，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(zhì)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(yīng)慢，干強(qiáng)度高，韌性高。為Ⅱ級普通土。該層有機(jī)質(zhì)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(zhì)黏性土：褐紅、灰黃夾灰白等色，由下伏混合花崗巖風(fēng)化殘積而成，原巖結(jié)構(gòu)可辨，可塑～硬塑狀，稍有光澤，搖振反應(yīng)無，干強(qiáng)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(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英、長石等，局部含變粒巖。根據(jù)本次勘察采取的混合花崗巖樣品進(jìn)行的巖礦鑒定結(jié)果，該類型巖石呈粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)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(dá)3.0 mm左右。全風(fēng)化層厚0.50～14.00 m，平均層厚4.07 m。強(qiáng)風(fēng)化層厚0.30～13.40 m，平均層厚4.46 m。中風(fēng)化層厚0.20～9.80 m，平均層厚2.96 m。微風(fēng)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(dá)斯公司開發(fā)出來的一款巖土工程分析軟件。該軟件在Widows操作平臺下運(yùn)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(nèi)研究人員使用。該軟件可以快速地構(gòu)建巖土工程實(shí)際模型，并進(jìn)行計(jì)算分析，而且可以提供三維動力分析，讓巖土工程計(jì)算分析可視化。經(jīng)過多年的發(fā)展，Midas GTS系列軟件被廣泛地應(yīng)用在邊坡、地鐵和隧道等工程項(xiàng)目中。由于其內(nèi)置了強(qiáng)大的計(jì)算分析功能，即使分析復(fù)雜模型，該軟件都可以快速地響應(yīng)。Midas GTS NX軟件具有如靜力分析、施工階段分析和固結(jié)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(jì)算分析中的所有需要。Midas GTS NX軟件計(jì)算分析前需要構(gòu)建模型，并需要選擇合適的本構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(shí)體尺寸為：112 m×112 m×50 m，實(shí)際工程剖面中共有8層巖土層，在本文中將性質(zhì)相近的地層進(jìn)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(zhì)黏土、11 m厚的砂質(zhì)黏土以及15 m厚的混合花崗巖，計(jì)算巖土所用參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算所用巖土參數(shù)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(xù)墻和內(nèi)支撐支護(hù)。基本支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。開挖施工前，先澆筑地下連續(xù)墻，并施工臨時鋼立柱和立柱樁基礎(chǔ)。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(biāo)高后，立即進(jìn)行內(nèi)支撐的施工；分4層內(nèi)支撐進(jìn)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(jìn)行底部樁的施工并澆筑封底混凝土。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)簡化后的地層情況以及施工圖紙建立基坑、地下連續(xù)墻及內(nèi)部支撐有限元網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖2所示。其中，地下連續(xù)墻使用板單元進(jìn)行建模，內(nèi)支撐使用梁單元進(jìn)行建模，土體均使用三維實(shí)體單元進(jìn)行建模，此次建模中，模型所含節(jié)點(diǎn)數(shù)共30 863個，模型總單元數(shù)為49 801個，自由度數(shù)為98 367。模型中x軸方向邊界為管廊前進(jìn)方向，考慮到管廊施工實(shí)際上是分段開挖這一實(shí)際情況，僅選取部分管廊進(jìn)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(wǎng)格及內(nèi)支撐細(xì)部圖

其施工步驟主要如下：（1）進(jìn)行地下連續(xù)墻和臨時立柱施工；（2）進(jìn)行開挖施工；（3）進(jìn)行內(nèi)支撐的施工；（4）重復(fù)支護(hù)—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(jié)果與分析

利用上節(jié)中建立的深基坑有限元模型，按照上述的施工步驟進(jìn)行基坑開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建模。在本節(jié)中，將對各個施工步中各個方向的位移進(jìn)行分析，研究開挖對該深厚軟土地層的變形影響。本節(jié)中，選取地下連續(xù)墻施工完成后，各道支撐結(jié)構(gòu)施工作為典型施工步進(jìn)行分析，主要施工步為：第一道內(nèi)支撐施工和第一層土開挖（開挖至第二道內(nèi)支撐頂）；第二道內(nèi)支撐施工和第二層土開挖（開挖至第三道內(nèi)支撐頂）；第三道內(nèi)支撐施工和第三層土開挖（開挖至第三道內(nèi)支撐頂）；第四道內(nèi)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(xù)墻澆筑完成之后進(jìn)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(cè)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(jié)束后，橫向最大位移擴(kuò)大為3.7 mm，出現(xiàn)在現(xiàn)狀基坑坑底。坑壁兩側(cè)頂部位移繼續(xù)擴(kuò)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(jié)束后最大位移產(chǎn)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(kuò)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(hù)結(jié)構(gòu)體系，支撐總是先于開挖卸荷作用于基坑壁上，兩側(cè)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(hù)結(jié)構(gòu)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(xiàn)在現(xiàn)狀坑底外，各施工步最大位移分布主要分布在內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)與基坑周圍土體節(jié)點(diǎn)周圍。該現(xiàn)象表明，由于內(nèi)支撐的存在，限制了內(nèi)支撐所在外置的地連墻變形，故支護(hù)結(jié)構(gòu)變形只能發(fā)生在內(nèi)支撐之間無限制的地連墻上。因此，在基坑施工過程以及監(jiān)測中，需要重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)支撐之間部分的地連墻變形，避免因?yàn)殚_挖引起軟土層擾動，導(dǎo)致地連墻的變形過大。

第一~第四開挖施工步堅(jiān)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(jié)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(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了適當(dāng)簡化，并使用Midas GTS NX有限元計(jì)算軟件構(gòu)建了有限元模型。通過對該工程的基坑開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建過程進(jìn)行模擬，并對模擬所得的支護(hù)結(jié)構(gòu)位移情況進(jìn)行分析，本文主要結(jié)論如下：

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

2）計(jì)算結(jié)果表明，地連墻+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)十分有效地控制了深厚軟體地區(qū)基坑的變形，同時也指明了后續(xù)施工過程中需要進(jìn)行監(jiān)測的關(guān)鍵點(diǎn)。

3）本文中地下連續(xù)墻以及內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(wěn)定性的要求，為今后相似軟土環(huán)境中管廊基坑的開挖支護(hù)方式提供了有效參考。