馮曉哲，陳國(guó)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(zhǎng)沙410100）

1 引言

隨著我國(guó)社會(huì)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(lái)的用地需求產(chǎn)生了矛盾，伴隨而來(lái)的是城市用地高度緊張，使得城市開(kāi)發(fā)不得不向地下要空間及立體開(kāi)發(fā)這一道路發(fā)展。受限于地形地貌，我國(guó)南方部分沿海城市開(kāi)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(huì)給地下管廊施工帶來(lái)許多新的挑戰(zhàn)，如富水地層以及長(zhǎng)條形深基坑的橫向縱向受力不均為較為常見(jiàn)的幾種情況。在此形勢(shì)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(duì)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(zhǎng)條形深基坑內(nèi)各支撐布置型式對(duì)土體-結(jié)構(gòu)的作用，分析對(duì)比了不同結(jié)構(gòu)對(duì)基底隆起以及基坑安全的區(qū)別與優(yōu)劣。李松林[2]對(duì)沿海地區(qū)地下綜合管廊的特征進(jìn)行了研究，并對(duì)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(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行分析，具有積極意義。王金鵬[3]等針對(duì)長(zhǎng)江漫灘軟土場(chǎng)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(dòng)特性，考慮鋼板樁施工對(duì)軟土擾動(dòng)的影響，分析了長(zhǎng)江漫灘場(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)傳統(tǒng)深基坑優(yōu)化中的不足，基于遺傳算法，選取基坑開(kāi)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(guó)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(zhǎng)、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(guò)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(duì)使用地下連續(xù)墻以及內(nèi)支撐支護(hù)的深基坑的開(kāi)挖施工全過(guò)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(gè)方向上的位移，深入研究了當(dāng)前支護(hù)結(jié)構(gòu)施工對(duì)基坑土體的影響。通過(guò)本文的計(jì)算和分析，對(duì)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(lèi)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(xiàn)全長(zhǎng)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(kāi)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(shí)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(duì)實(shí)際基坑進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)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(xiàn)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(shì)平緩。原始地貌屬珠江口伶仃洋東部的次一級(jí)淺海灣，當(dāng)時(shí)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(jí)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(jiàn)土工編織物。為Ⅱ級(jí)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(jí)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(wú)，干強(qiáng)度中等，韌性中等。為Ⅱ級(jí)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(zhǎng)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(lèi)型巖石呈粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，由石英和長(zhǎng)石及少量的白云母組成，石英含量約40%～55%，長(zhǎng)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(gè)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(jiǎn)介

Midas GTS NX是韓國(guó)邁達(dá)斯公司開(kāi)發(fā)出來(lái)的一款巖土工程分析軟件。該軟件在Widows操作平臺(tái)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(guó)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(dòng)力分析，讓巖土工程計(jì)算分析可視化。經(jīng)過(guò)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(mǎn)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(shí)也允許用戶(hù)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(kù)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(kāi)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(jiǎn)化合并，地層簡(jiǎn)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(kāi)挖施工前，先澆筑地下連續(xù)墻，并施工臨時(shí)鋼立柱和立柱樁基礎(chǔ)。受力鋼筋籠采用HRB400級(jí)鋼筋，澆筑混凝土則采用C30混凝土；后開(kāi)始基坑開(kāi)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(kāi)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(jiǎn)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?jiǎn)卧M(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(gè)，模型總單元數(shù)為49 801個(gè)，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(kāi)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(shí)立柱施工；（2）進(jìn)行開(kāi)挖施工；（3）進(jìn)行內(nèi)支撐的施工；（4）重復(fù)支護(hù)—開(kāi)挖過(guò)程至開(kāi)挖至基底；（5）開(kāi)挖至基坑底部時(shí)，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(kāi)挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建模。在本節(jié)中，將對(duì)各個(gè)施工步中各個(gè)方向的位移進(jìn)行分析，研究開(kāi)挖對(duì)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(kāi)挖（開(kāi)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(kāi)挖（開(kāi)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(kāi)挖（開(kāi)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(kāi)挖（開(kāi)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(kāi)挖，以及第一道支撐施工。開(kāi)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(kāi)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(kāi)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?？颖趦蓚?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(kāi)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(shí)坑壁頂部的變形擴(kuò)大至4 mm。第四施工步為最后一個(gè)施工步，該施工步開(kāi)挖5 m后基坑開(kāi)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(kāi)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(kāi)挖卸荷作用于基坑壁上，兩側(cè)較為對(duì)稱(chēng)，在施工過(guò)程中其最大橫向位移率僅為0.3‰，說(shuō)明支護(hù)結(jié)構(gòu)十分有效。隨著基坑的不斷開(kāi)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?chē)馏w節(jié)點(diǎn)周?chē)Ｔ摤F(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(wú)限制的地連墻上。因此，在基坑施工過(guò)程以及監(jiān)測(cè)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_(kāi)挖引起軟土層擾動(dòng)，導(dǎo)致地連墻的變形過(guò)大。

第一~第四開(kāi)挖施工步堅(jiān)向位移云圖見(jiàn)圖3~圖6。

圖3 第一開(kāi)挖施工步豎向位移云圖

圖6 第四開(kāi)挖施工步豎向位移云圖

圖4 第二開(kāi)挖施工步豎向位移云圖

圖5 第三開(kāi)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(duì)該工程的地層模型以及結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)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(guò)對(duì)該工程的基坑開(kāi)挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建過(guò)程進(jìn)行模擬，并對(duì)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(gè)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(shí)也指明了后續(xù)施工過(guò)程中需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(guò)程較好地滿(mǎn)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(kāi)挖支護(hù)方式提供了有效參考。