非均匀受力圆形深基坑地下连续墙支护结构应用



非均匀受力圆形深基坑地下连续墙支护结构应用

张太利

(四川大学工程设计研究院有限公司， 四川 成都610065)

【摘要】基坑工程是综合性、变化性较强的岩土工程，主要涉及众多复杂的土力学问题。由于当前大量的深大基坑工程面临着地质条件差、施工条件复杂等问题，为确保基坑安全施工，必须对基坑的稳定性及支护结构进行计算分析。四川达州燃气电站采用了倒挂混凝土圆形地下连续墙支护形式对岸边取水泵房圆形深基坑进行支护，效果良好，本文对此加以介绍。

【关键词】基坑工程；地下连续墙；支护；应用

1概述

随着城市建设和大型市政、水利、道桥工程的不断发展，各类不同用途的地下空间已在各个工程项目中广为利用，例如：高层建筑群的地下室、水电站调压井、发电厂地下取水泵房和地下油罐等，由此涌现出了大量的基坑工程。随着施工技术的进步和部分工程的特殊需求，基坑工程逐渐向超大超深的趋势发展。由于这些超大超深基坑工程的出现，工程界对基坑工程的要求也随之越来越高,因而促使研究人员和工程技术人员以新的眼光来审视这一热门课题，通过不断的探索和深入的研究来推动基坑工程实践经验和理论方法的成熟[1]。

基坑工程是综合性、变化性较强的岩土工程，涉及稳定、强度、土与支护结构的相互作用、渗流和变形等众多复杂的土力学问题。基坑的安全开挖离不开有效的支护措施，常见的基坑支护型式主要有排桩支护、地下连续墙支护、水泥土挡墙等。由于当前大量的深大基坑工程面临着地质条件差、施工条件复杂等问题，为确保基坑的安全施工，必须对基坑的稳定性及支护结构的有效性进行计算分析[2-4]。

2工程概况

四川达州燃气电站工程采用4×350MW等级燃气蒸汽联合循环机组。工程厂址位于达县城南约12km处的斌郎乡桥坝村，补给水水源为州河。电厂取水口位于州河上游的罗江口电站与下游的金盘子航电工程之间。工程取水构筑物包括蘑菇形取水头部、虹吸式引水管、岸边取水泵房。岸边取水泵房为现浇圆筒状钢筋混凝土结构。顶部高程296.70m，内底高程261.00m，泵房内径20m，最大外径约23m。岸边取水泵房基坑开挖采用圆形地下连续墙支护形式。取水泵房为2级水工建筑物，地下连续墙工程为4级临时建筑物。

岸边取水泵房位于州河左岸陡峭地段之二级阶地上，地貌单元属州河基座阶地，阶面狭窄，上覆的黏性土中可见卵石。水面到陡岸坡顶高约66.60m，岸坡坡度在45°～90°之间变化，总体坡度约70°左右，高程分布在268.00～334.60m之间。岩体的岩层产状为95°∠6°，近于水平，与坡面呈反倾向结构，属稳定性结构。裂隙多呈闭合状，裂隙缝间不见充填物，岩体结构面的结合程度好。岩体不会发生整体性崩塌,也不会产生岩体组合块体滑移，会产生的破坏形式主要表现为对岩体进行人工切割时，临空面上的岩体在施工中零星掉块，但该地段自然岸坡整体稳定。该工程取水构筑物场地地震动峰值加速度为0.05g,地震基本烈度值为Ⅵ度。各个建筑场地岩土以基岩为主，场地类别为Ⅰ类，均属于抗震有利地段。

岸边取水泵房基坑开挖采用人工开挖倒悬浇筑方案，泵房竖井与墙体同步开挖。地下连续墙设计半径为12.20m，墙厚1m。立面上，墙顶最大高程为296.40m，墙底部高程为257.30m，墙高39.10m。墙体浇筑采用超大直径整体悬挂模板配合混凝土直溜系统从上到下分层施工，分为13层，第1层至第12层浇筑高度均为3m，第13层浇筑高度为3.10m(见图1~图3)。

图1　基坑结构平面图(含剖面位置)

图2　结构剖面图(1-1)

图3　结构剖面图(2-2)

3地下连续墙支护结构计算分析

3.1　荷载组合及计算工况

3.1.1荷载组合及荷载计算

a.荷载组合。根据岸边取水泵房工程地质资料，水泵房地段边坡稳定，水泵房所嵌入的砂、泥岩为良好的天然地基持力层，且岩层自稳能力较好。由于水泵房处在阶梯状的冲沟中心，冲沟四周边坡坡度差异较大，由此作用在水泵房基坑支护结构上的侧向岩土压力不均匀(见图4)，为便于计算，将分布在地下连续墙四周的侧向围岩压力考虑为轴对称分布，侧向围岩压力的大小随墙后边坡坡度大小而异，此次地下连续墙结构计算，考虑墙体沿环向的侧向围岩压力时应随墙后不同的边坡坡度而不同，其中，墙后边坡最大计算坡度为40°，最小计算坡度为0°(如图5)。地下水类型分为基岩裂隙水和上层滞水，因在井台周围布置有排水沟，上层滞水对该工程施工影响不大。但取水泵房紧临州河，且工期紧，需要全年施工，故施工期按1%设计洪水位(即282.19m)考虑施工防洪要求。

图4　圆形地下连续墙墙后实际荷载分布图

图5　圆形地下连续墙墙后计算荷载分布图

地下连续墙结构计算的荷载组合应同时考虑岩石侧向压力和地下水压力以及墙顶的施工荷载(见表1)。

表1　地下连续墙结构计算荷载组合

b.荷载计算。

支护结构上的侧向岩石压力可按下式计算：

q=γhKaKq

其中

以上式中q——侧向岩石压力,kN/m2；

γ—岩石重度,kN/m3；

h——开挖深度，m；

Ka——侧向岩石压力系数；

α——支护结构与水平面的夹角；

β——支护结构上部边坡与水平面夹角；

φs——岩石等效内摩擦角；

δ——岩石与支护结构接触面摩擦角；

Kq——墙顶均布荷载对墙后岩石侧向压力效应系数；

qs——井台平面施工荷载。

取水泵房基坑因工期紧需要全年施工，故施工期地下水位按1%设计洪水位(即282.19m)考虑，墙后的地下水压力按静水压力计算：

式中p——墙后地下水压力,kN/m2；

γ水——水的重度,kN/m3；

h——设计洪水位到开挖面的高差，m。

3.1.2计算工况

地下连续墙采用基坑支护措施，按不同开挖深度，分工况进行结构计算分析，各方案地下连续墙工况划分如下：基坑开挖深度为39.10m，共13个开挖支护步骤，其开挖支护分层见图6，地下连续墙支护结构计算分析选取7个典型工况，分别对应开挖支护至290.40m、284.40m、278.40m、272.40m、266.40m、260.40m和257.30m高程。采用C25混凝土。

图6　基坑开挖支护分层图

3.2　单位宽度墙体沿竖向结构计算

采用竖向弹性地基梁的K法计算地下连续墙支护结构的内力和变形，墙体计算厚度为1m。在常规力学计算中，为简化计算，墙后侧向围岩压力考虑为墙后边坡在最大坡度和最小坡度情况下的轴对称作用，其荷载计算成果见表2。

地下连续墙沿竖向的结构计算按开挖深度分为不同工况进行，大井开挖深度同样为39.10m，分为7个

表2　人工开挖倒悬浇筑方案地下连续墙沿竖向荷载

工况，分别对应开挖至290.40m、284.40m、278.40m、272.40m、266.40m、260.40m和257.30m高程。根据墙体所受不同的荷载组合，按竖向弹性地基梁K法计算，计算成果见表3。

表3　人工开挖倒悬浇筑方案地下连续墙各工况沿

由表3可知，单位宽度地下连续墙墙体沿竖向内力和变形量随着开挖深度的加深而逐渐加大，但在各开挖工况下内力和变形量比较小；在竖向弯矩的作用下，地下连续墙墙体受力表现为外侧受拉、内侧受压，墙体的位移方向均由四周指向中心，其中墙体最大弯矩和最大位移均出现在墙后边坡坡度为40°侧的工况，即在此坡度侧开挖至257.30m时，墙体最大弯矩和位移分别为327.80kN·m和8.7mm。总体来看，墙体的内力及变形均较小。

3.3　单位高度墙体沿环向结构计算

人工开挖倒悬浇筑方案单位高度墙体沿环向结构计算采用结构力学法，其中荷载计算方法同前所述，即墙体沿环向的侧向压力为非均匀轴对称作用。计算成果见表4。

表4　人工开挖倒悬浇筑方案地下连续墙沿环向荷载

根据荷载计算成果，代入单位高度圆环内力计算公式，得到单位高度地下连续墙在荷载作用下沿环向的内力计算成果，见表5。

表5　人工开挖倒悬浇筑方案地下连续墙各工况沿

由表5可知，在各典型计算工况下，由于沿圆形地下连续墙四周轴对称不均匀的侧向岩石压力作用，对应各工况开挖面处单位高度圆形墙体环向内力都较竖向内力大，且随着开挖深度的加深而逐渐加大；墙体沿环向的受力表现为受弯压作用，内力最大计算值出现在墙后边坡坡度为0°侧的工况，即在该坡度侧开挖至257.30m时，弯矩和轴力最大值分别为-1252.42kN·m和-3433.84kN。总体来看，墙体的内力较小，说明支护结构有效地控制了基坑围岩侧向变形，保证了基坑的开挖稳定性。

4结论

由于工程基坑位于冲沟中心,三面环绕较高的边坡,一面紧邻州河岸边临空面, 基坑四周的地形较复杂。基坑的开挖,将破坏原来岩体的天然稳定性,导致围岩向开挖面变形,加之基坑开挖面后地形条件的差异,使基坑围岩变形较均匀地形地质条件下的开挖更为复杂。基坑开挖后,采用圆形倒挂混凝土地下连续墙结构进行支护,为确保基坑施工期的稳定，计算分析了支护结构施工期的内力及变形。最后结合支护结构计算成果，分析圆形地下连续墙支护结构在施工期间的内力及变形。

通过对支护结构在开挖过程中的应力和变形进行计算分析，可知基坑在开挖施工过程中围岩稳定性较好，未出现较大的变形和应力，也未出现明显的塑性破坏区，圆形地下连续墙支护结构在整个开挖过程中同样未出现较大的变形和应力，说明施工期间倒挂混凝土支护结构对限制围岩位移及塑性区的发展起到了主要控制作用，施工期间若不采取整体倒挂混凝土支护，无法保证施工期间基坑围岩的稳定性和施工安全性。

参考文献

[1]杨曼，李博.国内外基坑发展概况[J].山西建筑，2007.8(24):123-124.

[2]马石城.基坑开挖的弹塑性与流变分析与其应用[D].长沙：湖南大学，2011.

[3]孟燕.基坑围护结构土压力与变形分析[D].北京：北京交通大学,2011.

[4]周健，罗莜波.圆形支护结构的拱效应等效支撑计算方法[J].岩土力学，2003,4(2).

Application of non-uniform stress circular deep foundation pit underground

diaphragm wall supporting structure

ZHANG Taili

(SichuanUniversityEngineeringDesignandResearchInstituteCo.,Ltd.,Chengdu610065,China)

Abstract:Foundation pit engineering belongs to geotechnical engineering with stronger integrity and variability. It is mainly related to many complicated soil mechanics issues. Since many deep and large foundation pit projects suffer from the problems of poor geological conditions, complicated construction conditions, etc. currently. Foundation pit stability and supporting structure must be calculated and analyzed in order to ensure the safe construction of foundation pit. Inverted concrete circular underground diaphragm wall supporting form is adopted to support the circular deep foundation pit at the shoreside pumping house of Sichuan Dazhou Gas Filed Power Station. The effect is good. And the paper introduces them in detail.

Key words:foundation pit engineering; underground diaphragm wall; support; application

中图分类号：TU476+.3

文献标识码：B

文章编号：1673-8241(2016)01-0054-06

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.01.016