上海某超深圓形基坑開挖變形數字模擬分析

劉輝

上海中環投資開發（集團）有限公司 上海 200060

1 前言

目前，各設計單位對圓形基坑圍護入土深度的取值變化幅度比較大，通常為了安全起見，往往采用保守的辦法，增加地下圍護結構的入土深度，從而增加了不必要的施工難度和費用。由于深基坑圍護的投資費用較大，經過優化設計可以節省的投資非常可觀。特別是對一些超深圓形基坑，在確保基坑穩定的前提下，采用合理的地下連續墻入土深度是非常經濟有效的。

圓形基坑圍護結構受力空間效應明顯，比長條形基坑有利，宜于承受開挖引起的側壓力荷載，圍護墻體變形小；而且環向壓力的存在提高了槽段的接頭質量，減小了發生滲漏的可能性[1]。此外，一定厚度的中小型圓形地下連續墻基坑可以進行無支撐大開挖，有利于基坑內部的施工作業；而條形地下連續墻擋土開挖往往需要設置支撐或土錨[2]。但規范對圓形基坑圍護結構合理入土深度的選取并未明確。根據上海工程實例表明，圓形基坑圍護墻體的入土系數可在0.2～0.7區間選取，但計算方法尚不夠成熟。雖然少數研究者對圓形基坑的開挖做過一些研究并取得了一些有價值的研究成果，但對圓形基坑開挖性狀的認識還需進一步研究。

本文將以上海某圓形基坑開挖為背景，對圓形基坑圍護墻體不同入土深度時開挖的穩定性進行數字模擬分析，對圓形基坑開挖變形規律進行總結，以期獲得圓形基坑合理的入土系數，進一步尋求圓形基坑穩定性計的設計和施工方法。

2 工程概況

該圓形基坑采用地下連續墻作為圍護結構，開挖半徑14.5m，深度32m，連續墻厚度1m，內襯厚0.6m，圈梁截面1m×2m。潛水層是③2-1、③2-2的粉性土。承壓水層分為兩層，其一為⑦1的砂質粉土，埋深約27.0m，平均厚度2.5m；其二為⑨1、⑨2的粉細砂和中粗砂，埋深約55.0m，是坑底產生失穩的隱患。其水頭水頭較高，在含水層頂板⑧2層底以上47m左右，地下連續墻穿越潛水層和上部的承水層，連續墻的初步設計深度為53m，根據目前國內施工機具的能力以及工程的經濟性，有必要對合理的入土深度進行試驗研究，為設計和施工提供參考。本工程基坑的特點是小面積超深開挖，基坑四周空曠平坦，因而工程條件較寬松，對地表沉降量及連續墻位移的要求可適當放寬。基坑圍護結構平面圖見圖1，剖面圖見圖2。

圖1 基坑圍護結構截面圖

圖2 基坑剖面圖

3 基坑開挖步驟

先施工地下連續墻，其中的襯砌結構采用逆作法施工，以盡早形成復合結構，提高結構的整體性和結構環向剛度，確保結構穩定。基坑分6次開挖，前5次每次挖深6m，第6次開挖至坑底。每次開挖后及時施工內襯砌至開挖面上1m處，第三次開挖結束開始降⑧3層承壓水。第6次開挖至坑底后，迅速施工墊層和底板。

4 數字模擬分析

4.1 開挖空間模型計算

4.1.1 建立模型

圓形基坑開挖受力空間效應明顯，首先選用三維的空間模型。采用空間八節點單元模型模擬土體，用殼單元模擬圍護墻體及襯砌。根據經驗來確定計算范圍，將開挖的影響范圍盡量包含，同時考慮統籌好計算精度和速度。荷載模型采用地應力釋放模型，設定原狀土體中存在的地應力在基坑土體開挖后釋放了出來，在荷載方面就是在開挖面上施加與地應力等值反向的荷載（拉應力）。空間模型有限元網格劃分見圖3。

圖3 空間模型有限元網格劃分圖

4.1.2 計算結果分析

每次挖土坑底隆起曲線如圖4所示，圍護墻體位移曲線如圖5所示。基坑開挖過程中連續墻略有上升趨勢，極值約3.2cm，坑外距連續墻5m至8m處，地表有沉降，沉降量較小。計算結果反映地下連續墻水平位移最大值在墻頂以下，且隨著挖深的增加而下移。

圖4 基坑底隆起圖（單位: m）

圖5 圍護墻體位移曲線（單位: m）

4.2 開挖平面應變模型計算

為了與空間計算進行比較，運用平面應變模型對圓形基坑開挖進行模擬計算。圓形基坑問題空間效應明顯，采用平面應變模型是不合適的，但現在國家和地方規范中針對基坑的一些要求和規定都是用于條形形狀的基坑[3]。這里試圖通過平面應變模型來研究圓形基坑的開挖，分析這些要求和規定是否適用。用二節點梁單元模擬連續墻，四節點平面應變單元模型模擬土體，內襯按剛度等效換算為橫支撐，用桿單元模擬，基坑計算參數、開挖工序如前所述。

4.3 兩種模型計算結果對比分析

為了便于比較，兩種模型計算結果合并列表，詳見表1。

表1 兩種模型計算對比

從表1來看，采用空間模型計算值要比平面應變模型計算值小的多，從以往的工程實踐和監測數據分析來看，采用空間模型計算數據比較符合實際情況。

為了考證基坑開挖深度與兩種模型計算結果墻體水平位移（S）比值、坑底隆起（δ）比值的關系，通過回歸分析進行研究。回歸曲線分別見見圖5、圖6.

4.4 不同入土系數時開挖空間模型計算分析

為了進一步研究圓形基坑開挖變形的規律，考慮不同連續墻入土深度、不同直徑墻體及坑底的變形，采用三維有限元進行了大量計算，分別考慮入土系數為0.6、0.45和0.3時不同直徑圓形基坑變形情況，以上數值模擬的地質情況、開挖過程及圍護結構厚度同前面。通過計算分析，不同入土系數計算隆起值比較列于表2，不同入土系數計算連續墻位移比較列于表3。

表2 不同入土系數計算隆起值

表3 不同入土系數計算連續墻位移

據有關研究，基坑變形控制在軟土地區占主導地位，設計宜以變形控制為主[4]。基坑開挖隆起允許值[]δ可控制到基坑深度的1%[5]。依據前面表述內容，表2中滿足變形要求的基坑隆起值為陰影部分數據，由此可確定圓形基坑連續墻入土系數的取值范圍。

（1）基坑直徑小于20m時，入土系數可為0.3左右；

（2）基坑直徑在20m到30m之間，入土系數可為0.4～0.5；

（3）基坑直徑在30m到40m之間，入土系數可為0.6左右；

（4）當基坑直徑大于45m，可按長條形基坑來設計。

5 結論

經過上述圓形基坑空間模型、平面應變模型數字模擬計算分析以及圓形基坑地下連續墻不同入土深度時開挖變形分析，得出了以下結論。

(1)圓形基坑受力空間效明顯的，比條形基坑圍護結構受力條件好，宜于承受開挖引起的側壓力荷載，墻體變形小。特別是對一些超深圓形基坑，在確保基坑穩定的前提下，采用合理的地下連續墻入土深度是非常經濟有效的。

(2)圓形基坑圍護結構開挖變形數值模擬分析采用平面應變模型計算所得到的墻體位移和坑底隆起量均比較大，不太合理，建議采用空間模型計算分析變形。

(3)對于上海軟土地區的圓形基坑，直徑小于20m時，連續墻入土系數可取0.3左右；直徑為20m～30m時，連續墻入土系數可取0.4～0.5；直徑為30m～40m時，連續墻入土系數可取0.6左右。直徑大于40m可按長條形基坑進行設計。