特殊环境下盾构吊装下井的基坑安全稳定性分析及检算方法研究

宋林，李昌宁，范恒秀，邵珠山

(1.中铁一局集团有限公司，陕西西安710055;2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710054)

盾构法施工在城市地铁隧道中的应用日益广泛，盾构下井始发技术是盾构法施工的关键技术环节，但常规方法已无法满足日益复杂特殊环境的需要，比如交通压力大的城市主干道下修建盾构区间、场地狭小或与既有地铁车站相接、施工工期紧等特殊环境，而采用非常规的盾构下井方案，若设计不合理或考虑不足，巨型的盾构吊装过程可能将导致严重的基坑垮塌事故、伤亡事故，以及不可估计的经济损失。因此，为确保不同环境条件下盾构下井施工方案的合理、安全、可行，如何采用准确合理的理论分析方法以及检算方法已成为目前迫切需要研究的热点课题［1－5］。以深圳地铁11号线前海湾站基坑为研究背景，由于工期、施工进度等复杂因素，盾构井需要在主体结构未完成的状态下进行盾构下井吊装，若要满足盾构下井条件，部分支撑系统均需要拆除，因此，如何分析该特殊环境下基坑的安全与稳定性，其研究方法和研究理论是否准确合理至关重要，同时研究结果也是确定盾构是否能安全下井的保障。

1 工程概况

深圳地铁11号线前海湾站项目南端110 m明挖段作为南山站～前海湾站区间始发段，区间线路大体呈东西走向。前海湾站位于前海合作区空地，地势开阔，无地下管线及建(构)筑物。地质以淤泥，砂质黏性土、风化花岗岩为主。根据项目策划，盾构始发井需提前提供盾构机下井条件，盾构吊装井位于结构端头，尺寸为11.5 m×8 m。车站南段110 m独立基坑作为盾构始发井，采用明挖顺作法施工，基坑开挖支护为φ1 200 mm@1 300 mm钻孔桩围护结构，止水帷幕采用φ900 mm@700 mm旋喷桩。支撑体系第1道为混凝土支撑，第2，3和4道为钢支撑，主体结构为地下2层，地面1层结构，见图1所示。

图1 基坑断面图Fig.1 Profile of foundation pit

2 盾构吊装下井条件

现场最下面1层结构已经施工完毕，包括底板和负2层中板，若要满足盾构下井条件，基坑南端下井位置需对第1道混凝土支撑(2处)和第2道钢支撑(4处)进行拆除，因此拆撑导致基坑围护桩悬臂约8.7 m，见图2～图3。

图2 满足盾构下井条件所需拆除撑Fig.2 Inner support dismantle for shields lowering － down scheme

图3 满足盾构下井条件基坑剖面图Fig.3 Cross－section diagram of foundation pit for shields lowering－down scheme

3 检算方案

准确分析特殊环境下基坑的安全与稳定性是确保施工过程安全的保障。检算方案拟采用以下步骤进而选取合理结果指导施工。

(1)二维建模分析。对多种方案进行比较分析，选择初步方案。

(2)三维有限元分析。对初步方案进行三维整体有限元分析，考虑桩－支撑－土－结构共同作用。

(3)结合监测数据、二维和三维有限元分析结果，分析盾构吊装过程中基坑的安全与稳定性，提出指导意见。

(4)总结研究成果，提出复杂环境条件下基坑的二维检算方法。

4 二维有限元方案初选

4.1 概述

方案初选采用理正深基坑软件建立二维计算模型进行分析［6－8］。

(1)基于盾构下井方案，由于支撑拆除导致基坑围护桩悬臂约8.7 m，考虑到基坑重要性以及支撑约束刚度作用，并确保一定的安全度，冠梁水平侧向刚度的计算长度取盾构井两端部支撑间的距离，取 22.5 m，见图4。

图4 桩顶冠梁计算长度(水平侧向刚度)Fig.4 Effective length of top beam for calculating the lateral stiffness

(2)盾构井负2层板(中板)施作，负2层板留有盾构始发的洞口，因此计算分析时不能完全按刚性铰考虑，拟作为支撑考虑，支撑刚度计算长度为10.4 m，取刚度为184 kN/m，见图5所示。

(3)水土分、合算。微风化岩按水土合算考虑，淤泥、黏性土、粉黏土、强风化岩、中和风化岩等土层均按水土分算考虑。

图5 负2层板中梁的计算长度(水平侧向刚度)Fig.5 Effective length of beam for calculating the lateral stiffness on the second layer from bottom

4.2 方案工况

荷载分配:吊车+盾构荷载总计400 t，吊车共4支腿，根据吊装的重心和力矩分配，前2支腿分配2/3的荷载，作用面积按1 m2考虑，动力荷载系数取1.35，每个前支腿为1 822.5 kN，每个后支腿为900 kN，地面超载约70 kN/m2。

方案工况1:吊车的两前支腿离基坑0.5 m远，后2支腿离前支腿8.76 m远。

方案工况2:荷载离基坑边0.1 m;2前支腿离基坑0.1 m远，后两支腿离前支腿8.76 m远。

方案工况3:吊车前支腿在桩顶上，后支腿位置设置桩。(1)前2支腿，由于冠梁低于地面1 m，在每个支腿下的冠梁上分别做4 m×1 m连梁，梁高0.9 m。(2)后2支腿，在每个支腿下做1.2 m直径的钻孔桩，桩长17.2 m，入中风化岩层。见图6所示。

图6 荷载工况3中支腿位置处的连梁和桩基Fig.6 Connecting beam and pile foundation below the truck crane of load case 3

4.3 计算模型及参数

采用理正深基坑软件对盾构下井不同方案工况下围护桩的受力和变形进行分析计算，根据结构设计文件和实际地质选择土体参数。

4.3.1 计算模型

其计算模型见图7。

图7 理正模型Fig.7 Analysis model by using Li－ zheng software

4.3.2 基本信息

内力计算方法采用增量法，冠梁侧向刚度取18.204，按22.5 m支点间距考虑。地下水位深度－0.5 m，水土压力采用水土分算的方法考虑。

4.3.3 土层参数

土层参数见表1所示。

表1 土层参数Table 1 Parameters of structure

4.4 计算结果分析

结果分析时，设计值=标准值×基坑重要性系数(1.1)× 折减系数(弯矩 0.85，剪力 1.00)× 荷载分项系数(1.25)。

4.4.1 荷载工况1

桩顶水平位移为 53.24 mm，最大弯矩为2 720.49 kN·m，最大剪力为1 102 kN。设计弯矩值为3 179.6 kN·m，设计剪力值为1 515.25 kN。

4.4.2 荷载工况2

桩顶水平位移为41.2 mm，最大弯矩2 087.4 kN·m，最大剪力 1 026.65 kN。设计弯矩为2 439.6 kN·m，设计剪力为:1 411.6 kN。

4.4.3 荷载工况3

围护桩计算结果=土体荷载结果 +吊车桩顶荷载。围护桩弯矩2 600 kN·m，围护桩位移24.43 mm，剪力1 429.44 kN，轴力610 kN。详细过程如下。

(1)土体荷载结果

理正软件计算时仅考虑土体荷载和地面超载70 kPa，计算结果桩顶水平位移为23.6 mm，最大弯矩2 102.46 kN·m，最大剪力1 030.7 kN。设计弯矩为2 457.25 kN·m，设计剪力为 1 417.2 kN。最大弯矩产生在离桩顶18.45 m位置，最大位移产生在桩顶位置。

(2)吊车桩顶荷载结果

计算时仅考虑桩顶荷载，每个前支腿下荷载有3根桩承受，单桩承重荷载为450 kN，考虑荷载的动力系数1.35，设计荷载为610 kN，同时，桩受力考虑20 cm偏心，即桩顶附加弯矩为122 kN·m。

计算结果见图8，桩顶水平位移为0.83 mm，轴力为610 kN，弯矩为122 kN·m，剪力为8.9 kN。设计弯矩为142.6 kN·m，设计剪力为12.24 kN。

图8 桩顶吊车荷载求解Fig.8 Solution of retaining wall subjected to loading of the truck crane

4.5 小结

通过对比分析3种荷载工况的计算结果，盾构荷载离基坑越近，基坑围护结构和变形随之减小。根据设计文件以及截面配筋，基坑变形需控制在3 cm以内，基坑1.2 m的围护桩所能承受的弯矩为3 000 kN·m。

因此，通过二维计算模型的分析，初步选取第3种方案作为施工方案。基于二维建模分析方法，第3种方案的围护桩最大弯矩为2 600 kN·m，产生在离桩顶18.45 m位置;围护桩位移为24.43 mm，产生在桩顶位置;最大剪力为1 429.44 kN;最大轴力为610 kN。

5 三维有限元分析

结合二维计算模型分析所初选的方案3和基坑支护结构设计参数，采用有限元分析软件MIDAS/GTS建立三维计算模型，对初选的盾构下井方案进行分析和复核。有限元建模中，将基坑开挖过程抽象为数值分析所采用的施工步，通过有限元网格的激活与钝化来定义不同区域的开挖与支撑的添加，从而实现动态施工全过程的模拟［9－11］。

5.1 有限元模型

根据设计文件，盾构井横断面存在突变位置，为了更准确全面考虑三维空间状态下结构和土体之间的相互作用，围护结构体系建立包括盾构井段和邻近的18 m中间主体段，更准确的得到盾构井段结构整体的受力和变形情况，盾构井尺寸为30.5 m ×18.5 m ×20.45 m(宽 × 长 × 深)，根据圣维南原理，有限元模型的土体计算域选择3倍基坑宽度，竖向土体深度按基坑开挖深度的3倍取为80 m，模型尺寸为210 m×106.5 m×27 m(宽×纵向×深)，计算模型上表面为自由边界，底部为固接，各侧面均为对应方向的位移约束。

支护结构体系:基坑深度20.45 m，基坑开挖支护为φ1 200 mm@1 300 mm钻孔桩围护结构，止水帷幕采用φ900 mm@700 mm旋喷桩。支撑体系第1道为混凝土支撑800*1 000，第2，3，4道为钢支撑φ600*16。主体结构为地下2层，地面1层结构，盾构井尺寸为30.5 m ×18.5 m，第1 ～4 支撑间距为5.15，2和 5.5 m，支护结构详细尺寸见图1。地质以淤泥，砂质黏性土、风化花岗岩为主。

为便于分析，将围护桩按抗弯刚度等效原则等效为连续墙体，采用板单元模拟，支撑、冠梁和腰梁采用梁单元模拟，土体采用体单元模拟;为满足盾构下井条件，基坑部分支撑根据方案3需要拆除，围护结构和支撑系统有限元模型见图9～图10。

图9 有限元模型Fig.9 Finite model

图10 满足盾构下井条件时有限元模型Fig.10 Finite model for shields lowering－down scheme

5.2 模型参数

混凝土围护桩、混凝土支撑和腰梁采用C30混凝土，结构楼板采用C35混凝土，钢支撑采用Φ606×16的钢管，钢腰梁和联系梁采用双拼工钢和槽钢，后支腿位置的桩基采用直径1.2 m的钻孔灌注桩，长度17.2 m。地层根据地勘报告资料进行适当简化。土层采用可以模拟土体弹塑性特点的莫尔—库伦模型，围护桩、支撑等结构采用线弹性本构模型，结构的力学参数见表2，土层及力学计算参数见表1。

表2 结构的力学参数Table 2 Mechanical parameters of structure

5.3 模型荷载

荷载除考虑自重外，考虑周边施工车辆及物料堆载为70 kPa，分布于基坑边缘至模型边界的区域。

盾构吊装荷载分配:吊车+盾构荷载总计400 t，吊车共4支腿，根据吊装的重心和力矩分配，前2支腿架设在基坑围护桩上部，共分配2/3的荷载;后2支腿架设在离基坑8.760 m远处，共分配1/3的荷载，动力荷载分项系数取1.35，同时动力荷载考虑20 cm偏心。因此，单个前支腿荷载为1 822.5 kN，弯矩为364.5 kN·m，后支腿荷载为900 kN，弯矩为180 kN·m。

水压力荷载:根据勘测文件，地下水位在地面以下－0.5 m位置，将水压力折算为三角形面荷载施加于围护结构的表面，不考虑止水帷幕对水的作用。

5.4 施工阶段

开挖2.5 m——第1道混凝土支撑——开挖7.15 m——第2 道钢支撑——开挖 9.15 m——第3道钢支撑——开挖 14.65 m——第 4 道钢支撑——开挖 20.45 m——结构底板——拆除第 4道支撑——底层结构柱、梁——结构负2层板——拆除第3道支撑、部分1和2道支撑(满足盾构下井条件)。

6 计算结果分析

6.1 变形图

由围护桩变形图11可得，基坑盾构井南段围护桩的最大变形DX为2.13 cm，东侧围护桩最大变形发生在盾构井与主体段连接的变截面区域，最大变形为1.39 cm;西侧围护桩最大变形发生在盾构井与主体段连接的变截面区域偏南侧，最大变形为1.74 cm，变形集中在中上部0H～0.5H之间。

6.2 围护结构内力图

由围护桩内力图12可得，南侧围护桩的最大弯矩发生在离桩顶18.4 m位置，邻近基坑底部，值为1 605 kN·m，剪力最大值为727.1 kN。

图11 围护桩变形图Fig.11 Profile of foundation pit

图12 围护桩内力图Fig.12 Internal force of retaining wall

根据刚度等效原则(式(1)～式(3))，三维整体分析所得围护桩最大弯矩为2 086.5 kN·m，最大剪力为 945.23 kN。设计弯矩为 2 428.5 kN·m，设计剪力为1 300 kN，最大位移为21.3 mm。

式中:下标P为基坑围护桩;下标t为等效的地下连续墙;D为围护桩直径，m;t为围护桩净距，m;M，Q和U为弯矩，(kN·m);剪力，kN;位移，m。

7 特殊环境下盾构下井吊装方案

结合监测数据、二维和三维有限元分析结果，分析盾构吊装过程中基坑的安全与稳定性。

二维分析:初步选取第3种方案作为施工方案，即前支腿支撑在桩顶上，后支腿位置设置桩基。第3种方案的围护桩最大弯矩为2 600 kN·m，产生在离桩顶18.45 m位置;围护桩位移为24.43 mm，产生在桩顶位置;最大剪力为1 429.44 kN;最大轴力为610 kN;通过复核检算分析，围护桩在设计承载力范围以内。

三维整体分析:三维整体分析所得围护桩最大弯矩为2 428.5 kN·m，产生在离桩顶18.4 m位置;最大位移为21.3 mm，产生在邻近桩顶位置;最大剪力为1 300 kN;最大轴力为610 kN。通过复核检算分析，围护桩在设计承载力范围以内。

监测数据:选择邻近基坑盾构吊装位置的变形监测点cx－111进行分析，监测数据值为支撑拆除后基坑吊装前的监测数据。

根据监测数据、二维、三维模型结果可得(见图13所示):(1)拆撑后基坑实测变形值在计算值范围以内，由于三维模型准确考虑了围护桩—土—支撑—结构的相互作用，通过整体分析，理论计算结果准确合理;(2)二维模型通过合理的受力体系简化，计算结果具有一定的安全可靠度，文中模型计算结果略大于三维模型分析结果，模型简化安全合理可靠;(3)现场实际可能没有70 kPa的地面超载，理论计算中水土压力采用的是水土分算模型，偏保守，并且止水帷幕抵抗了或部分抵抗了外侧水压力(理论分析时水压力直接作用在围护结构上)，因此，监测数据结果比理论分析结果偏小。

综上所述，基于基坑二维、三维模型计算分析结果，特殊环境下基坑吊装方案3安全、合理。

图13 数据分析Fig.13 Monitoring data analysis before shield lifting

8 盾构吊装二维建模要点分析

根据盾构下井后的监测数据图13～图14可得，二维和三维有限元分析模型准确、合理，计算结果可有效指导特殊环境下基坑盾构吊装方案的制定，确保盾构吊装过程中基坑的安全与稳定性。

图14 盾构吊装后监测数据Fig.14 Monitoring data analysis after shield lifting

结合监测数据和三维整体数值分析方法，通过合理的简化，二维建模分析方法可安全、合理的指导特殊条件下施工方案的合理制定，二维建模简化分析应注意以下几点:

(1)冠梁刚度:理正深基坑分析软件中冠梁刚度计算采用的是简支梁模型，支点为相邻支撑间的距离。根据本文分析过程，在特殊环境工况下或受力不对称时，建议单独建模分析冠梁合理的刚度，刚度计算应保守考虑，取可靠支撑的相邻位置作为刚度计算的支点，或在现场将计算所采用支点位置加强，提供可靠的支撑点。

(2)水土分、合算:根据现场地质选择准确的土体参数建模，若无明确的地勘报告信息，尽量采用水土分算模型分析。

(3)楼板刚度:由于楼板开洞等原因，可能削弱楼层板对围护桩的支撑作用，开洞过大的楼板作为刚性铰考虑会导致计算结果不合理。将楼板刚度换算为线刚度，作为支撑考虑较为准确。

(4)特殊荷载:合理简化考虑吊车荷载，提供可靠的措施使现场实际荷载和计算模型荷载一致。

9 结论

1)结合二维、三维有限元数值分析和现场监测数据，证明了特殊环境下盾构吊装下井方案是安全、合理的。

2)通过结构楼板约束等效、冠梁刚度折减和土体参数等的合理确定，采用二维模型检算方法可以得出合理、准确的结果。

3)本文研究方案和二维检算方法为解决同类特殊施工问题提供了借鉴，为后期综合枢纽深大基坑工程施工提供了技术储备。

［1］张玉成，杨光华，钟志辉，等.软土基坑设计若干关键问题探讨及基坑设计实例应用分析［J］.岩石力学与工程学报，2012，31(11):2334 －2342.

ZHANG Yucheng，YANG Guanghua，ZHONG Zhihui，et al.Discuss on some key problems in soft foundation pit design and application analysis of design examples［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(11):2334 －2342.

［2］Shilun FENG，Yonghong WU，Jun LI，et al.Analysis of spatial effect of deep foundation pit in soft soil areas［J］.Procedia Earth and Planetary Science，2012(5):309 －313.

［3］Nianqing Zhou，Pieter A V，Rongxiang Lou，et al.Numerical simulation of deep foundation pit dewatering and optimization of controlling land subsidence［J］.Engineering Geology，2010，114:251－260.

［4］张国亮.紧邻既有线地铁车站深基坑工程稳定与变形特性研究［D］.长沙:中南大学，2012.

ZHANG Guoliang.Studyon the stability and deformation characteristics of deep foundation pit near existing line［D］.Changsha:Central South Unverstiy，2012.

［5］安关峰，宋二祥.广州地铁琶洲塔站工程基坑监测分析［J］.岩土工程学报，2005，27(3):333 －337.

AN Guanfeng，SONG Erxiang.The analysis of excavation monitoring for the Pazhouta subway station in Guangzhou［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005，27(3):333－337.

［6］刘志宏，张瑞华.环形结构支撑体系在基坑工程中的应用［J］.建筑结构，2012，4(6):115－117.

LIU Zhihong，ZHANG Ruihua.Application of annular structure supporting system in a foundation pit engineering［J］.Building Structure，2012，4(6):115 －117.

［7］赵锡宏，李蓓，李侃，等.大型超深基坑工程计算理论与实践研究［J］.岩土工程学报，2003，25(3):258 －263.

ZHAO Xihong，LI Bei，LI Kan，et al.Study on theory and practice for specially big and deep excavation engineering［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2003，25(3):258－263.

［8］屠毓敏.软弱基坑中土钉墙整体稳定性分析应注意的问题［J］.岩土工程学报，2008，30(4):591 －594.

TU Yumin.Problems in analysis on stability of soil nailing walls of weak foundation pits［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30(4):591 －594.

［9］吕小军，杨琪，钱德玲，等.非对称超载条件下深基坑支护结构的变形分析［J］.合肥工业大学学报(自然科学版)，2012，35(6):809 －813.

LÜ Xiaojun，YANG Qi，QIAN Deling，et al.Deformation analysis of supporting structure of deep foundation pit under the condition of asymmetric overloading［J］.Journal of Hefei University of Technology(Natural Science Edition)，2012，35(6):809 －813.

［10］潘隆武，张红波，吴从师.地铁车站基坑盾构井部分围护结构变形的模拟分析［J］.中外公路，2012，32(5):208－212.

PAN Longwu，ZHANG Hongbo，WU Congshi.Simulation analysis on deformation of retaining structure for foundation pit located at shield well of railway stations［J］.Journal of China ＆ Foreign Highway，2012，32(5):208－212.

［11］孙亮.广州邦华环球广场深基坑支护设计与分析［J］.岩土工程学报，2012，34(增):756－760.

SUN Liang.Design and analysis of retaining structure for deep excavation of Banghua Global Plaza in Guangzhou［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012，34(Suppl):756 －760.