小直径圆形地下连续墙受力机理与设计方法

2010-04-14姚怡文

山西建筑 2010年13期

姚怡文张佳

0 引言

圆形地下连续墙，顾名思义指的是基坑开挖平面为圆形的深基坑地下连续墙支护结构，圆形地下连续墙呈圆筒形。众所周知，圆形或者圆弧形结构具有得天独厚的良好工程特性，例如拱桥等就是利用圆弧形结构的优良特性来设计的。圆弧形结构的“拱效应”可将结构体上可能出现的弯矩转化成轴力，充分利用了结构的截面尺寸和材料的抗压性能。这个原理在圆形地下连续墙的设计中可以减少圆形地连墙墙体和内衬的结构尺寸，使得深基坑圆形地连墙支护结构更加安全经济。

圆形地下连续墙作为地下连续墙的一种特殊形式，在具备地下连续墙共性的同时，还具有其自身的特点。其优点主要体现在以下3个方面:1)圆形地下连续墙的空间效应对结构支护效能的发挥有利，能够使支护结构体系更为安全;2)由于圆形地连墙空间效应可以显著减少支护结构的尺寸，节省基坑支护结构的成本;3)圆形支护结构不需要横向支撑，可以在基坑内提供一个良好的开挖空间，适合大型开挖机械的施工，以缩短工期。同时圆形地连墙支护结构也存在一些缺点，由于“拱效应”的充分发挥一般要求结构和土压力基本对称，圆形支护结构在具有良好的空间抵抗变形性能的同时，也可能对各种工程因素具有较大的支护结构敏感性。圆形地连墙及内衬有良好的承受径向对称水土压力的能力，但整个圆形基坑地连墙支护结构还可能在较为显著的不对称水土压力下产生不对称变形，圆形地下连续墙筒体结构可能变成不规则形状，甚至发生圆形地连墙支护结构整体倾斜或漂移，引起过大的支护结构的应力集中。

在深厚软土地区工程建设中，大量存在着一类小直径圆形深基坑地下连续墙构筑物，如电力隧道的工作井、部分地铁及顶管隧道的施工井、长距离交通隧道的通风井、钢铁厂旋流沉淀池等。根据文献[1]的划分，将基坑内径D与开挖深度H的比值在0.6～1.0的圆形深基坑界定为小直径深基坑;而文献[2]认为直径小于30 m的圆形深基坑为小直径深基坑。这类构筑物具有如下特点:开挖深度普遍超过15 m;直径一般小于30 m。

1 圆形地下连续墙设计方法

圆形地下连续墙为深埋于土层中的圆筒形空间体系，其受力较复杂，目前关于圆形地下连续墙的设计还没有一个统一的标准，国内还缺乏这方面的成熟经验。目前已施工的许多圆形地下连续墙结构，结合其设计经验，设计时可采用以下3种方法进行比较分析:

1)平面刚架分析。根据墙背水土压力的变化，将地下连续墙沿高度方向分成若干段，每一段作为一个闭合多边形刚架，并取该段中墙背的最大水土压力进行计算，其结构作为该段墙体的内力代表值，这种把空间筒体转化成平面多边形刚架的方法，其特点是计算量小，呈阶梯形变化的结果与实际配筋情况吻合，但计算值与实测值有较大偏差。

2)弹性地基杆系有限元法。将地下连续墙开挖面以上部分划成单元宽度，支承在弹性地基上的连续环梁，将开挖面以下部分墙体视作温克儿弹性地基梁，通过计算求得内力和变形(见图1)，采用这种方法进行分析，结果偏大。杆系有限元法作为一种基坑设计方法，由于其概念清晰，计算简单，计算参数较少，易于模拟工程实际等优点在实际工程实践中已得到了广泛的应用，如现行规范中的弹性地基梁法便是由此而来的。

在设计中，许多超深基坑的围护结构设计也采用此法。但是随着基坑工程深度的加大，对于15 m以上，20 m以上，直至30 m，40 m，50 m以上深度的基坑，这种独立考虑围护结构与土体的计算模型与实际工况的差距也会越来越大，过分依赖于水土压力和基床系数，也在一定程度上影响了其计算的精确性，加上其本身不可避免的缺陷也使人们逐渐意识到杆系有限元法存在的种种问题。最突出的现象就是工程实际监测数据和设计数据的不符，在超深基坑的问题上就表现的更为突出。杆系有限元法是一种简化近似的计算方法，比较简单实用，可以求得围护结构的变形，一般只能满足工程的设计要求，不太适合理论研究的要求。

3)空间板壳有限元法。将地下连续墙体划分成众多三角形单元，假定与墙体底部相连的地基为支承空间筒体的附加弹性支座，按平面应力和薄板弯曲应力两种状态分别计算后叠加而成，这种方法的关键是确定“弹簧”的弹性系数。若及时补浇内衬结构，则两墙合一，内衬具有一定的刚度，则可将此时施工完内衬结构的地下连续墙结构视为空间三维结构，可以考虑采用空间有限元法进行设计计算，但由于三维分析难度较高，计算量大，计算假定的确定和众多因素的考虑都会给设计者带来许多困难，各方面的条件和时机尚不成熟，直接应用于基坑支护结构的设计也不一定能带来较好的效果。

2 小直径圆形深基坑设计参数的实例

几个小直径圆形深基坑设计参数见表1。

表1 几个小直径圆形深基坑设计参数表

以上工程实例都有一些共同的特点:1)圆形基坑的支护结构与矩形基坑的支护结构本身受力机理相类似，区别在于圆形深基坑一般可以完全免除支撑;2)通过无限增大墙体入土深度来减小基坑变形的作用有限，当土体很软时，应通过增加支撑刚度或加固地基来改善变形情况;3)坑后土体沉降的分布形式取决于沉降量的大小，当沉降量小时，离开墙背一定距离处地表沉降最大，否则最大沉降发生在紧靠墙体的地方。

3 圆形地下连续墙的一般设计方案

以上海电力隧道5号盾构工作井为例阐述圆形地下连续墙设计的一般方法，上海电力隧道5号盾构工作井位于南车站路及斜土路路口。5号盾构工作井为外直径16.2 m，内径15 m的圆形工作井，工作井基坑深约24.4 m。

根据上海地区类似工程经验，拟建5号盾构工作井初步设计采用地下连续墙构筑圆筒结构，拟定方案:筒外壁为1.0 m厚地下连续墙和0.8 m厚内衬相结合的整体复合墙体;既作围护结构又兼作地下结构外墙，即“两墙合一”。平面布置呈正多边形，地下连续墙开挖深度为36.5 m。

基坑开挖深度大，承压水水位较高，地下墙应插入到可靠的隔水层内。本基坑开挖深度下有⑦1层和⑨层两层承压水;基坑开挖面位于⑥层，离承压水层⑦1层顶面约7.5 m，地下墙必须穿过⑦1层，并进入相对隔水层⑦2层内一定深度，如图2所示。

在设计中，根据不同工作井圆形地下墙体的比较，得出了以下一些规律性的结论:墙体侧向位移呈中间大、两头小的“大肚皮形”，地面沉降呈“盆地形”，坑底隆起值在坑底中央达到最大值;圆形地下连续墙围护开挖中，开挖半径越大，墙体侧向位移越大，地面沉降也越大，最大沉降点越远离基坑边缘，坑底隆起值也越大;对于圆形围护结构，坑外土体向坑内滑动时，土体在环向上存在相互挤压作用。当圆形基坑的直径(内径)与开挖深度之比较小时(D/H≤0.6)，隆起量最大值出现在基坑中心附近[2]，这与大直径深基坑最大隆起值出现于支护墙墙趾附近有着显著不同;增加墙体刚度(厚度)可以减小墙体侧向位移、地面沉降和坑底隆起值，但其作用并不十分明显，墙体厚度宜控制在600 mm～1 000 mm之间，也不必一味地增大混凝土的标号。

表2 开挖30 m深的圆形基坑的直径、入土系数与坑底隆起值关系表

针对上海地区地质条件，有人曾对开挖深度为30 m的圆形地下连续墙取不同入土系数(墙体入土系数是指地下连续墙入土深度与基坑开挖深度的比值)时的基坑稳定性，进行了离心模拟试验和数值分析[3]。分析结果表明:若允许隆起值取开挖深度的0.1%，内径为20 m～30 m时，地下墙入土系数可取0.3～0.60(见表2)。

上海、江苏和浙江软土地区的工程实例也表明，内径较小的地下墙往往可取相当小的入土系数:内径15 m～30 m，开挖深度20 m～30 m的基坑入土系数取值一般在0.229～0.65之间。5号盾构工作井入土系数为0.331 5，理论和经验上是满足基底土层抗隆起要求的。

圆形地连墙因其“拱效应”显著，可能产生很大的环向压应力。其环向应力会远大于其竖向应力，其脆性破坏就成为一种可能性，即地连墙被环向应力压碎。从这个层面来说，圆形地连墙的竖向弯矩和侧向位移对圆形地连墙的设计施工都不再起控制作用。基坑周围的不对称土压力，使得圆形地连墙环向应力集中部位出现超过混凝土抗压强度的环向应力的几率大大增加。圆形地下连续墙被其“拱效应”产生的环向应力压碎形成脆性破坏，圆形地连墙的“拱效应”优点演变成需要关注的问题。

人们常采用的圆形地连墙简化计算方法——“拱效应”虚拟支撑地基梁法，将圆形地连墙的“拱效应”换算成虚拟的支撑去考察圆形地连墙的竖向弯矩，然后从墙体侧向变形和竖向应力的方向去把握圆形地下连续墙的安全性。如果我们仅仅根据墙体的竖向弯矩和墙体的侧向位移，从而大幅减少圆形地连墙的截面尺寸，就有可能造成圆形地连墙不能承受环向应力而发生压碎。在地连墙的设计分析中，位移控制并非一成不变的真理。在圆形地下连续墙的设计中，环向压应力需要作为一个要素指标加以考虑，这是圆形地连墙设计分析过程中有别于其他形式地连墙的地方。我们在计算5号盾构工作井时，就采取了此种方法进行建模计算。