上海某超深圆形基坑开挖变形数字模拟分析

2022-06-24刘辉

城市建设理论研究（电子版） 2022年13期

刘辉

上海中环投资开发（集团）有限公司上海 200060

1 前言

目前，各设计单位对圆形基坑围护入土深度的取值变化幅度比较大，通常为了安全起见，往往采用保守的办法，增加地下围护结构的入土深度，从而增加了不必要的施工难度和费用。由于深基坑围护的投资费用较大，经过优化设计可以节省的投资非常可观。特别是对一些超深圆形基坑，在确保基坑稳定的前提下，采用合理的地下连续墙入土深度是非常经济有效的。

圆形基坑围护结构受力空间效应明显，比长条形基坑有利，宜于承受开挖引起的侧压力荷载，围护墙体变形小；而且环向压力的存在提高了槽段的接头质量，减小了发生渗漏的可能性[1]。此外，一定厚度的中小型圆形地下连续墙基坑可以进行无支撑大开挖，有利于基坑内部的施工作业；而条形地下连续墙挡土开挖往往需要设置支撑或土锚[2]。但规范对圆形基坑围护结构合理入土深度的选取并未明确。根据上海工程实例表明，圆形基坑围护墙体的入土系数可在0.2～0.7区间选取，但计算方法尚不够成熟。虽然少数研究者对圆形基坑的开挖做过一些研究并取得了一些有价值的研究成果，但对圆形基坑开挖性状的认识还需进一步研究。

本文将以上海某圆形基坑开挖为背景，对圆形基坑围护墙体不同入土深度时开挖的稳定性进行数字模拟分析，对圆形基坑开挖变形规律进行总结，以期获得圆形基坑合理的入土系数，进一步寻求圆形基坑稳定性计的设计和施工方法。

2 工程概况

该圆形基坑采用地下连续墙作为围护结构，开挖半径14.5m，深度32m，连续墙厚度1m，内衬厚0.6m，圈梁截面1m×2m。潜水层是③2-1、③2-2的粉性土。承压水层分为两层，其一为⑦1的砂质粉土，埋深约27.0m，平均厚度2.5m；其二为⑨1、⑨2的粉细砂和中粗砂，埋深约55.0m，是坑底产生失稳的隐患。其水头水头较高，在含水层顶板⑧2层底以上47m左右，地下连续墙穿越潜水层和上部的承水层，连续墙的初步设计深度为53m，根据目前国内施工机具的能力以及工程的经济性，有必要对合理的入土深度进行试验研究，为设计和施工提供参考。本工程基坑的特点是小面积超深开挖，基坑四周空旷平坦，因而工程条件较宽松，对地表沉降量及连续墙位移的要求可适当放宽。基坑围护结构平面图见图1，剖面图见图2。

图1 基坑围护结构截面图

图2 基坑剖面图

3 基坑开挖步骤

先施工地下连续墙，其中的衬砌结构采用逆作法施工，以尽早形成复合结构，提高结构的整体性和结构环向刚度，确保结构稳定。基坑分6次开挖，前5次每次挖深6m，第6次开挖至坑底。每次开挖后及时施工内衬砌至开挖面上1m处，第三次开挖结束开始降⑧3层承压水。第6次开挖至坑底后，迅速施工垫层和底板。

4 数字模拟分析

4.1 开挖空间模型计算

4.1.1 建立模型

圆形基坑开挖受力空间效应明显，首先选用三维的空间模型。采用空间八节点单元模型模拟土体，用壳单元模拟围护墙体及衬砌。根据经验来确定计算范围，将开挖的影响范围尽量包含，同时考虑统筹好计算精度和速度。荷载模型采用地应力释放模型，设定原状土体中存在的地应力在基坑土体开挖后释放了出来，在荷载方面就是在开挖面上施加与地应力等值反向的荷载（拉应力）。空间模型有限元网格划分见图3。

图3 空间模型有限元网格划分图

4.1.2 计算结果分析

每次挖土坑底隆起曲线如图4所示，围护墙体位移曲线如图5所示。基坑开挖过程中连续墙略有上升趋势，极值约3.2cm，坑外距连续墙5m至8m处，地表有沉降，沉降量较小。计算结果反映地下连续墙水平位移最大值在墙顶以下，且随着挖深的增加而下移。

图4 基坑底隆起图（单位: m）

图5 围护墙体位移曲线（单位: m）

4.2 开挖平面应变模型计算

为了与空间计算进行比较，运用平面应变模型对圆形基坑开挖进行模拟计算。圆形基坑问题空间效应明显，采用平面应变模型是不合适的，但现在国家和地方规范中针对基坑的一些要求和规定都是用于条形形状的基坑[3]。这里试图通过平面应变模型来研究圆形基坑的开挖，分析这些要求和规定是否适用。用二节点梁单元模拟连续墙，四节点平面应变单元模型模拟土体，内衬按刚度等效换算为横支撑，用杆单元模拟，基坑计算参数、开挖工序如前所述。

4.3 两种模型计算结果对比分析

为了便于比较，两种模型计算结果合并列表，详见表1。

表1 两种模型计算对比

从表1来看，采用空间模型计算值要比平面应变模型计算值小的多，从以往的工程实践和监测数据分析来看，采用空间模型计算数据比较符合实际情况。

为了考证基坑开挖深度与两种模型计算结果墙体水平位移（S）比值、坑底隆起（δ）比值的关系，通过回归分析进行研究。回归曲线分别见见图5、图6.

4.4 不同入土系数时开挖空间模型计算分析

为了进一步研究圆形基坑开挖变形的规律，考虑不同连续墙入土深度、不同直径墙体及坑底的变形，采用三维有限元进行了大量计算，分别考虑入土系数为0.6、0.45和0.3时不同直径圆形基坑变形情况，以上数值模拟的地质情况、开挖过程及围护结构厚度同前面。通过计算分析，不同入土系数计算隆起值比较列于表2，不同入土系数计算连续墙位移比较列于表3。