地下工程坑中坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法及影響

洪曉龍

（沈陽鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，沈陽 110013）

1 工程概況

深圳某地下3層雙島4線車站同臺同向換乘地鐵車站，與既有3號線、規(guī)劃33號線換乘，是所在地鐵網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點(diǎn)?？辈旖Y(jié)果顯示，現(xiàn)狀地塊標(biāo)高44.77～55.51 m，基坑施工為重點(diǎn)內(nèi)容，需要考慮到主體施工安全及質(zhì)量、周邊設(shè)施的穩(wěn)定性等要求。

2 施工現(xiàn)場地質(zhì)水文條件

勘察結(jié)果顯示，基坑開挖深度范圍內(nèi)的地質(zhì)組成為（自上而下）：淤泥、黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉土夾粉砂、粉質(zhì)黏土、粉土夾粉砂、粉質(zhì)黏土。水文條件方面，現(xiàn)場地下水以潛水為主。

3 坑中坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算方法

3.1 坑中坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1）內(nèi)、外坑的影響。外坑在爬升方向逐步向主線中心靠近，而內(nèi)坑則有逐步下降的變化，因此，隨著施工進(jìn)程的推進(jìn)，內(nèi)、外坑的水平距離減小，且內(nèi)坑開挖的擾動(dòng)作用較強(qiáng)，會(huì)破壞外坑的正常施工狀態(tài)。當(dāng)然，在內(nèi)坑開挖過程中會(huì)受到外坑超載的影響。此時(shí)，如何減小內(nèi)、外坑之間的相互影響、增強(qiáng)各自的獨(dú)立性為重點(diǎn)內(nèi)容。

2）內(nèi)坑首道支撐的施工。根據(jù)隧道開挖施工規(guī)劃可知，先澆筑外坑底板，再于該結(jié)構(gòu)上設(shè)置內(nèi)坑的首道支撐。由于內(nèi)坑的開挖深度和寬度均有增加，因此，需要充分考慮到內(nèi)坑首道支撐的結(jié)構(gòu)形式以及在該部分開挖產(chǎn)生回彈時(shí)的剛度，必須在設(shè)計(jì)階段正確模擬、合理控制，此方面也是工程的難點(diǎn)。

3.1.2 坑中坑典型斷面圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

取2個(gè)典型斷面對比分析，斷面圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，斷面圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，表1中H1、H2分別為外坑、內(nèi)坑的開挖深度，m；D1為內(nèi)外坑的水平距離，m。

表1 斷面圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)m

圖1 斷面圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式

通過分析，可得出以下結(jié)論：（1）斷面A，外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為30 m地下連續(xù)墻和11 m鉆孔灌注樁，內(nèi)坑為10 m止水帷幕；（2）斷面B，外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為29.5 m地下連續(xù)墻和20.5 m鉆孔灌注樁，內(nèi)坑為19.5 m止水帷幕。

3.2 坑中坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算的2種方法

對A、B 2個(gè)斷面開挖回筑工況加以模擬，以便更有效地探尋內(nèi)、外坑在施工期間所產(chǎn)生的影響機(jī)制，可運(yùn)用兩種方法：（1）分離法。分開計(jì)算外坑和內(nèi)坑。根據(jù)內(nèi)、外坑的基礎(chǔ)信息，構(gòu)建各自對應(yīng)的獨(dú)立模型，用于模擬分析開挖回筑工況。其中，內(nèi)坑開挖時(shí)會(huì)受到外坑的影響，為便于分析，此處等效為超載作用于內(nèi)坑坑外；對于外坑，根據(jù)施工順序可知，該部分開挖時(shí)內(nèi)坑尚未施工，因此，不會(huì)受到內(nèi)坑的影響，故不考慮[1]。（2）整體計(jì)算法。將內(nèi)、外坑視為整體。外坑與內(nèi)坑間存在作用，對內(nèi)、外坑的開挖回筑工況做整體模擬與分析。

3.2.1 分離法的應(yīng)用

外坑影響的超載計(jì)算屬于重難點(diǎn)內(nèi)容，具體受到內(nèi)、外坑水平距離和內(nèi)坑開挖深度兩方面的影響。取內(nèi)坑最下一道支撐與圍護(hù)樁交點(diǎn)處，將其視為圓心，以此為基準(zhǔn)做圓（半徑考慮的是支撐至內(nèi)坑圍護(hù)樁的距離），由此得到特定范圍的圓，將其模擬成超載的外坑影響范圍。

基于所掌握參數(shù)，可計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)外坑等效面積矩M1：

式中，R1為圓半徑，m。

根據(jù)前述結(jié)果，可進(jìn)一步用式（2）確定外坑等效作用超載的高度h，用式（3）確定等效超載量F：

式中，q為地面超載，kPa。

各項(xiàng)典型斷面外坑等效超載計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 典型斷面外坑等效超載計(jì)算結(jié)果

分析發(fā)現(xiàn)，D1/H2＞1.5時(shí)，無須考慮外坑對內(nèi)坑開挖的超載作用，即此時(shí)彼此的獨(dú)立性相對較好；反之，該比值≤1.5時(shí)，則需充分考慮外坑的超載問題。

3.2.2 整體計(jì)算法的應(yīng)用

開挖回填工況的模擬為重點(diǎn)內(nèi)容。外坑底板澆筑成型后，在該處架設(shè)內(nèi)坑第1道支撐，此時(shí)需模擬的內(nèi)容有兩方面，即內(nèi)坑第1道支撐的架設(shè)以及外坑底板的澆筑，但外坑底板的尺寸有限（并非無限大的結(jié)構(gòu)板），因此，不具備將剛度模擬為無限大的條件，為順利完成分析，內(nèi)坑第1道支撐的剛度用串聯(lián)剛度的方法加以模擬[2]。

以斷面A為例，模擬后得到基坑開挖回筑工況（見表3）。

表3 斷面A工況 m

此處著重考慮工況5，其支撐剛度K的計(jì)算方法見式（4）：

式中，K1為單位寬度底板板帶支撐剛度，取7000 MN/m2；K2是內(nèi)坑第1道支撐的剛度，取196 MN/m2。依據(jù)前述公式將數(shù)據(jù)代入，計(jì)算得到K=190 MN/m2。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形分析

經(jīng)計(jì)算，得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移量，具體內(nèi)容見表4。

表4 位移包絡(luò)計(jì)算結(jié)果mm

分析發(fā)現(xiàn)，對于斷面A（內(nèi)外坑距離較大），兩種方法的計(jì)算結(jié)果無明顯差距，內(nèi)外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平計(jì)算結(jié)果差值在5 mm內(nèi)。對于斷面B（內(nèi)外坑間距較?。?，此時(shí)兩種方法取得的外坑計(jì)算結(jié)果相近，但較為特殊的是內(nèi)坑的計(jì)算結(jié)果，兩者的差值達(dá)到8 mm，偏大。由此看來，采用整體計(jì)算的方法時(shí)，外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對內(nèi)坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移有較強(qiáng)的限制作用，在已成型的外坑底板上設(shè)置內(nèi)坑第1道支撐，此方法在抑制外坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移時(shí)有較為突出的效果。此外，若內(nèi)外坑的距離較大，彼此間雖然存在影響，但程度輕微，可認(rèn)為此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移基本不受影響[3]。

4.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析

圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果kN·m

分析發(fā)現(xiàn)：（1）內(nèi)、外坑的距離較大時(shí)，兩種方法的計(jì)算結(jié)果相似，雖然此時(shí)兩坑間存在相互作用，但其程度較為輕微，幾乎不會(huì)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力造成明顯的影響。（2）內(nèi)、外坑的距離較小時(shí)，兩種方法的計(jì)算結(jié)果與內(nèi)坑的計(jì)算結(jié)果相似。

從前述計(jì)算結(jié)果看，兩種方法的外坑計(jì)算結(jié)果存在較明顯的差異，原因在于分離法采取的是分離計(jì)算的思路，盡管考慮到外坑對內(nèi)坑的影響并且就此方面的情況加以模擬，但并不能模擬內(nèi)坑開挖對外坑的影響。在整體計(jì)算法中，采取的是整體模擬的思路，模擬的是內(nèi)外坑間的支撐連接，并且引入土彈簧的概念，用于模擬兩坑間土體的作用（即土體在內(nèi)坑圍護(hù)、外坑圍護(hù)兩部分結(jié)構(gòu)上的作用）。因此，若內(nèi)外坑的距離較小，在內(nèi)坑發(fā)生開挖卸載行為后，則會(huì)明顯作用于外坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致該部分出現(xiàn)位移且形成較強(qiáng)烈的內(nèi)力?？梢?，若內(nèi)外坑的距離較小，此條件下較為合適的模擬方法應(yīng)當(dāng)是整體模擬計(jì)算法，得到的結(jié)果更為可靠。

5 結(jié)語

坑中坑是地鐵基坑施工中的特殊形式，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬與計(jì)算是重點(diǎn)內(nèi)容。現(xiàn)階段，分離法和整體法是兩種較為常見的模擬方法，其中，分離法在內(nèi)、外坑距離較大時(shí)具有可行性，尤其是兩者的水平距離與內(nèi)坑開挖深度的比值＞1.5時(shí)，更有必要應(yīng)用分離法。整體法則適用于內(nèi)外坑距離較小的情況，此時(shí)的模擬結(jié)果可靠，具有重要的參考價(jià)值。在具體工程計(jì)算中，需要視實(shí)際情況做出合理選擇。