馮 艷，羅 毅

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

0 引 言

支洞和豎井是地下隧洞常見(jiàn)的2種附屬結(jié)構(gòu)，具備分段施工、檢修、調(diào)壓、通風(fēng)等重要功能和作用。當(dāng)施工環(huán)境受限于城市建成區(qū)地下橫向空間布局或其他管網(wǎng)等建構(gòu)筑物約束時(shí)，需要考慮從縱向空間分布上修建豎井。豎井在施工過(guò)程中常伴隨超深或大直徑基坑，作為危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程，需要對(duì)超深大直徑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全分析研究。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究主要集中在軌道交通的地下車(chē)站或超高層建筑的基礎(chǔ)，深度一般在20 m左右，且基坑面積一般都較大，研究重點(diǎn)主要在于基坑的沉降變形；深度超過(guò)50 m的豎井一般主要為小口徑的鉆井，基坑支護(hù)研究成果可供借鑒的相對(duì)較少[1]。因此，對(duì)深度70 m以上和直徑20 m以上的超深大直徑豎井進(jìn)行基坑支護(hù)研究具有重要的意義。

常見(jiàn)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)有灌注樁、地下連續(xù)墻、噴錨、原狀土放坡等，不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)具有各自的特點(diǎn)。如地連墻具備整體性強(qiáng)、剛度大、抗彎強(qiáng)度高、變形小等良好的力學(xué)特性，缺點(diǎn)為施工造價(jià)高，施工設(shè)備貴；灌注樁具備施工環(huán)境影響小、強(qiáng)度高、剛度大、支護(hù)穩(wěn)定性好、變形小等特點(diǎn)，缺點(diǎn)為整體性較弱，穩(wěn)定性較差[2-3]。豎井基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)具備良好的應(yīng)力應(yīng)變特性，以確?；釉谪Q向開(kāi)挖過(guò)程中的安全和運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定。因此，支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)結(jié)合豎井使用功能、尺寸以及地質(zhì)條件等因素進(jìn)行綜合對(duì)比分析和研判，在此基礎(chǔ)上選擇合理的支護(hù)方案。

本文以深圳市西麗水庫(kù)至南山水廠間深層輸水隧洞工程的超深大直徑豎井為研究對(duì)象，借助計(jì)算機(jī)Flac3D數(shù)值模擬技術(shù)，通過(guò)對(duì)地連墻和灌注樁兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)在關(guān)鍵工序施工和正常運(yùn)行條件下進(jìn)行位移、內(nèi)力、彎矩等應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)值計(jì)算和對(duì)比研究，為超深大直徑豎井基坑支護(hù)方案的選擇提供科學(xué)數(shù)據(jù)支撐，以解決工程實(shí)際問(wèn)題。

1 工程概況

西麗水庫(kù)至南山水廠供水工程位于南山區(qū)建成區(qū)范圍內(nèi)，采用地下深層水工隧洞的引水方式，水工建筑物主要由取水口、輸水隧洞、提升泵站和3個(gè)豎井組成。輸水線路全長(zhǎng)5.3 km，隧洞段長(zhǎng)度占比96%，隧洞開(kāi)挖直徑為5.5 m。3個(gè)豎井沿隧洞軸線分別布置于取水口下游、隧洞中部及尾部，其功能主要為供深層水工隧洞TBM施工、檢修、調(diào)壓等?？紤]到3個(gè)豎井地層巖性分布的相似性，本文僅對(duì)1號(hào)超深大直徑豎井進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)方案比選研究。豎井基坑深度為73.8 m，成洞直徑為18.4 m，水平面坐標(biāo)系以上30.2 m為地平面、以上35 m為豎井成型后的頂部高程。豎井基坑縱向的地層巖土分布情況如圖1所示，其中，-43.6～2.1 m高程范圍為微風(fēng)化花崗巖層、2.1～2.9 m高程范圍為弱風(fēng)化花崗巖層、2.9～7.3 m高程范圍為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層、7.3～9.6 m高程范圍為全風(fēng)化花崗巖層、9.6～35 m高程范圍為殘積土層。

圖1 豎井地層巖土分布情況示意(單位：m)

根據(jù)地層巖性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，豎井基坑分為上下兩部分。上部為軟巖段基坑，深30.2 m、開(kāi)挖直徑24.6 m，擬采用地連墻+6道環(huán)梁或灌注樁+6道環(huán)梁的支護(hù)結(jié)構(gòu)；其中地連墻外半徑為12.3 m，厚1.0 m，高程范圍-0.7～30.2 m，嵌入微風(fēng)化花崗巖深度約2.8 m；灌注樁樁徑1.4 m，間距2 m，深度范圍與地連墻一致。下部為硬巖段基坑，深43.6 m、開(kāi)挖直徑22.4 m，直接采用噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)方式。

2 數(shù)值模型及研究方案

2.1 數(shù)值模型建立

豎井基坑數(shù)值模型的建立基于Flac3D三維快速拉格朗日分析程序。首先，將一個(gè)實(shí)際的地質(zhì)體或結(jié)構(gòu)物劃分為若干個(gè)連續(xù)介質(zhì)單元，單元之間用節(jié)點(diǎn)相互連接，每個(gè)單元在給定的邊界條件下遵循指定的線性或非線性本構(gòu)關(guān)系；然后，程序采用顯式有限差分格式求解場(chǎng)的控制微分方程，通過(guò)本構(gòu)關(guān)系由應(yīng)變計(jì)算應(yīng)力。在應(yīng)力求解過(guò)程中采用動(dòng)態(tài)松弛法，運(yùn)用質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程求解，無(wú)需反復(fù)迭代計(jì)算，非適合模擬巖土介質(zhì)力學(xué)行為[1，4]。數(shù)值模型的模擬范圍在實(shí)際基坑尺寸的基礎(chǔ)上考慮一定的開(kāi)挖影響范圍，三維方向都取足夠的長(zhǎng)度和深度，其中水平面X向和Y向的長(zhǎng)度均取120 m，鉛錘面Z向取-75～35 m高程，建立的豎井基坑三維模型如圖2所示。

圖2 豎井基坑整體和剖面三維模型示意

豎井基坑三維數(shù)值模型中，連續(xù)介質(zhì)巖土體采用的是摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型，混凝土結(jié)構(gòu)采用的是線彈性本構(gòu)模型；邊界設(shè)置多向約束條件，其中側(cè)邊界均施加法向約束，底邊界施加三向固定約束[5]。模型主要參數(shù)如重度γ、彈性模量E、泊松比μ、凝聚力C、內(nèi)摩擦角φ主要依據(jù)地層巖土物理特性綜合設(shè)置。

2.2 研究方案

本文對(duì)超深大直徑豎井基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)方案比選研究采取如下方案：首先，構(gòu)建地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)模型，選擇關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)和正常運(yùn)行作為典型試驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出位移、內(nèi)力、彎矩等力學(xué)參數(shù)成果；然后，構(gòu)建灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)模型，按照控制變量法采取和地連墻相同的試驗(yàn)工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出應(yīng)力應(yīng)變成果；最后，對(duì)兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)下的形變和受力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，推薦支護(hù)結(jié)構(gòu)方案。鑒于下部硬巖基坑已采用噴錨支護(hù)方式，因此研究的主體為上部軟巖基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系。

結(jié)合自上而下的施工順序和地層巖土分布的特點(diǎn)，關(guān)鍵施工環(huán)節(jié)主要選擇以下4種特殊情況：①開(kāi)挖至強(qiáng)風(fēng)化巖體頂部，簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)挖至土巖交界工況；②開(kāi)挖至第六道環(huán)梁處，簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)挖至環(huán)梁底工況；③開(kāi)挖至-43.6 m高程，簡(jiǎn)稱(chēng)開(kāi)挖至基坑底工況；④基坑完成襯砌，簡(jiǎn)稱(chēng)襯砌完成工況。另外，豎井正常運(yùn)行時(shí)最高水位高程為32.0 m，簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)行期水壓力工況。5種典型試驗(yàn)工況基本情況如表1所示。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算的5種典型試驗(yàn)工況

3 數(shù)值計(jì)算研究成果

3.1 地連墻成果分析

5種試驗(yàn)工況條件下，對(duì)地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)模型施加荷載進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出位移、內(nèi)力和彎矩?cái)?shù)值及變化情況，如圖3所示。同時(shí)，對(duì)各典型工況下位移、內(nèi)力和彎矩的極值情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表2所示。各力學(xué)參數(shù)數(shù)值符號(hào)為，內(nèi)力以受拉為正、受壓為負(fù)，彎矩以上部(基坑外側(cè))受壓正、下部(基坑內(nèi)側(cè))受壓為負(fù)。

圖3 各試驗(yàn)工況下地連墻位移-內(nèi)力-彎矩變化

表2 各試驗(yàn)工況下地連墻位移-內(nèi)力-彎矩極值表

由圖3、表2可知，5種工況條件下地連墻的位移、內(nèi)力和彎矩計(jì)算結(jié)果分布均具規(guī)律性：①地連墻頂部與底部的徑向位移均較小，基本在0.1 mm左右；徑向位移最大值為2.0 mm，分布在工況4條件下12.5 m高程的殘積土范圍內(nèi)，在工況5蓄水運(yùn)行后徑向位最大值有所減小，為1.6 mm；隨著深度的增加，徑向位移呈先增大后減小的變化規(guī)律。②地連墻內(nèi)力主要受環(huán)向壓應(yīng)力作用，最大值為3 262.1 kN，分布在工況4條件下12.5 m高程殘積土范圍內(nèi)；縱向壓力遠(yuǎn)小于環(huán)向壓力，最大值為941.2 kN，所處工況和位置與環(huán)向壓力相同；隨著深度的增加，壓應(yīng)力呈先增大后減小的變化規(guī)律。③地連墻所受彎矩主要為縱向彎矩，最大值為444.4 kN·m，分布在工況1條件下7.3 m高程土巖交界面；橫向彎矩總體較小，主要原因是受環(huán)形支撐結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性和地連墻自身的穩(wěn)定壓拱效應(yīng)影響；隨著深度的增加，豎向彎矩方向發(fā)生變化，大小呈先增大后減小的變化規(guī)律。

3.2 灌注樁成果分析

采取控制變量法對(duì)基坑灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)模型施加荷載進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出各典型工況條件下的位移、內(nèi)力和彎矩?cái)?shù)值及變化情況，如圖4所示。同時(shí)，對(duì)各工況條件下位移、內(nèi)力和彎矩產(chǎn)生的極值情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

圖4 各試驗(yàn)工況下灌注樁位移-內(nèi)力-彎矩變化

由圖4、表3可知，5種工況條件下灌注樁的位移、內(nèi)力和彎矩計(jì)算結(jié)果分布也具有規(guī)律性：①灌注樁底部徑向位移較小為1 mm，頂部徑向位移較大為19 mm；徑向位移最大值為51 mm，分布在各工況條件下17.0 m高程的殘積土范圍內(nèi)；各工況條件下徑向位移相差不大，隨著深度的增加，徑向位移呈先增大后減小的變化規(guī)律。②灌注樁內(nèi)力主要受軸向壓力作用，軸向壓力最大值為1 832.6 kN，分布在工況4條件下8.7 m高程的全風(fēng)化巖層范圍內(nèi)；隨著深度的增加，軸向壓力呈先增大后減小的變化規(guī)律。③灌注樁所受縱向彎矩和橫向彎矩均較大，縱向彎矩、橫向彎矩最大值分別為4 313.6 kN·m和4 325.9 kN·m，均分布在工況1條件下14.75 m高程的殘積土范圍內(nèi)；隨著深度的增加，灌注樁彎矩方向發(fā)生變化，彎矩大小整體呈先增大后減小的變化規(guī)律。

表3 各試驗(yàn)工況下灌注樁位移-內(nèi)力-彎矩極值

3.3 對(duì)比研究

對(duì)地連墻和灌注樁兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值計(jì)算成果進(jìn)行對(duì)比分析，如表4所示。由表4可知：①?gòu)较蛭灰频剡B墻整體較小，灌注樁整體較大，前者相比于后者基本可以忽略不計(jì)；最大位移所處的工況相同，所處的高程范圍相近。②內(nèi)力地連墻主要受環(huán)向壓力作用，灌注樁主要受軸向壓力作用，前者的壓力值較大；最大壓力所處的工況相同，所處的高程相近。③彎矩地連墻主要受縱向彎矩作用而橫向彎矩較小，灌注樁受縱向和橫向彎矩作用都較大，前者較后者的彎矩值基本可以忽略不計(jì)；最大彎矩所處的工況相同，所處的位置完全不同。綜述，地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)比灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)具有極小的位移變形和更好的受力特性，其自身良好的整體可靠度和穩(wěn)定性更有利于保障超深大直徑豎井基坑的安全施工和正常運(yùn)行。

表4 地連墻和灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比

4 結(jié) 論

采用Flac3D數(shù)值模擬計(jì)算方法，可以在不同的工況條件下對(duì)介質(zhì)的應(yīng)力和應(yīng)變行為進(jìn)行靈活的模擬和計(jì)算，具備高效、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)等特點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在典型工況條件下，地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)具備極小的位移變形和良好的受力特性，其整體可靠度和穩(wěn)定性優(yōu)于灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，考慮安全施工和安全運(yùn)行的首要條件，推薦地連墻為超深大直徑豎井的上部基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。本工程關(guān)于超深大直徑豎井基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐，其研究成果可供類(lèi)似工程參考。