李遵豪，張高海，陳俊偉，何 欽

（1、珠海大橫琴城市新中心發(fā)展有限公司 珠海 519030；2、中國鐵建投資集團有限公司 北京 100855；3、中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430061；4、廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司 廣州 510500）

0 引言

隨著城市的不斷發(fā)展，地面建筑的密集度不斷增加，而可利用的空間越發(fā)變少。因此，近年來，地下空間的開發(fā)利用受到了更多的關注。盾構施工是主要的地下施工技術之一，而與其密切相關的盾構工作井的開挖支護亦越來越受到人們的重視［1-3］。

工作井的開挖會影響基坑周邊的穩(wěn)定性，若變形過大會導致基坑塌陷，對基坑以及人員安全產生較大威脅。因此，在基坑開挖前需提前對基坑變形進行預估，而有限元建模是一種研究基坑開挖變形的有效手段。

目前國內學者針對盾構工作井開挖變形的數(shù)值模擬已經做了較多的研究。王浩［4］通過有限元模擬了地下連續(xù)墻+內撐支護結構在短時荷載作用下的力學響應規(guī)律。王健等人［5］通過FLAC 3D 建模研究地鐵下穿高速公路的變形情況，并提出了相應的施工建議。曹穎等人［6］通過模擬加固情況下始發(fā)井的變形情況發(fā)現(xiàn)其模擬的變形值與現(xiàn)場實際監(jiān)測值的變化趨勢基本吻合。王建學等人［7］通過FLAC 3D 模擬盾構井在不同施工工況下的變形情況，發(fā)現(xiàn)小尺寸深基坑地下連續(xù)墻主要受壓應力，而拉應力與剪切力都比較小。魏宇紅等人［8-10］通過有限元模擬探討了基坑墻體變形規(guī)律，進而合理配置了支護結構的剛度。

本文所依托的杧洲隧道工程位于珠海橫琴地區(qū)，地質條件較差，淤泥土層深厚。目前軟土地區(qū)盾構工作井的開挖仍存在一定難度，施工前進行數(shù)值模擬十分必要。為保證基坑安全，本文通過有限元模擬盾構工作井在不同工況下的變形情況，為基坑施工提供建議。

1 工程概況

杧洲隧道工程位于橫琴粵澳深度合作區(qū)和珠海洪灣片區(qū)，整體上呈南北走向，隧道穿越馬騮洲水道，北岸接環(huán)港東路與洪灣大道交叉口，南岸接厚樸道。道路等級為城市次干道，設計速度50 km∕h，路線全長約3.0 km，隧道全長1 695 m，其中盾構段全長約915.4 m，兩端各設1座工作井，樁號里程LK1+142.800和LK2+058.200，工作井長約24.6 m，北岸暗埋段長173.2 m，敞開段長205 m；南岸暗埋段長172.197 m，敞開段長180 m。

北岸工作井圍護結構采用1.2 m 厚地下連續(xù)墻，支撐采用5道鋼筋混凝土支撐。

2 計算模型的建立

根據(jù)北岸工作井的實際尺寸（41.7 m×23.6 m×25.9 m），模型在不同方向進行了一定延伸，最終模型尺寸為248 m×125 m×100 m，如圖1所示。

圖1 北岸工作井有限元模型Fig.1 Finite Element Model of North Shore Working Well

2.1 土體與支護結構的本構參數(shù)

該計算模型土體采用摩爾庫倫本構模型，土體采用實體單元，模型參數(shù)根據(jù)杧洲隧道初步設計及經驗取值，如表1所示。

表1 土層本構參數(shù)Tab.1 Constitutive Parameters of Soil Layer

混凝土、鋼材均采用彈性模型，參數(shù)如表2 所示，支護結構模型如圖2所示。

表2 支護結構本構參數(shù)Tab.2 Constitutive Parameters of Supporting Structure

圖2 支護結構有限元模型Fig.2 Finite Element Model of Supporting Structure

2.2 開挖工況設置

因工作井采用連續(xù)墻加5道混凝土支撐的支護結構，因此，本次開挖工況按照實際設計，設置8種工況，6個開挖步驟，逐步開挖并設置支撐，直至開挖至工作井設計標高，具體工況設置如下：［工況1］地應力平衡；［工況2］施工地連墻攪拌樁；［工況3］第一步開挖；［工況4］第二步開挖+施作第一道支撐；［工況5］第三步開挖+施作第二道支撐；［工況6］第四步開挖+施作第三道支撐；［工況7］第五步開挖+施作第四道支撐；［工況8］第六步開挖+施作第五道支撐。

3 數(shù)值模擬結果分析

建模過程中，工況1 為初始化，變形為0，不再考慮，再計算后續(xù)工況的變形情況。為分析基坑在不同開挖工況下的形變情況，本文選取了x和y方向在8個工況下形變最大的斷面進行對比分析。

圖4 不同工況下基坑右側x方向最大變形情況Fig.4 Maximum Deformation in x-direction on the Right Side of the Foundation Pit under Different Working Conditions

不同工況下，x和y方向最大變形點所在斷面的變形對比如圖3～圖5 所示?？梢钥闯?，隨著開挖深度的增加，基坑各個方向的變形逐步增大，且其開挖最大變形值亦隨著開挖深度的增加而逐步增大。在工況2、3、4 中，基坑的側向變形整體較小，第三步開挖與施作第二道支撐開始，基坑變形變化量明顯增大，且在開挖到底部時，基坑變形達到最大。在工況2，3，4 時，x與y方向最大變形基本一致，但在開挖至底部時，y方向變形要明顯大于x方向，其可能原因是基坑長寬不同，造成其受力特性發(fā)生變化，由于y方向邊長較長，支撐結構不到位，造成其受力較大，變形較大。而在左右兩側x方向的變形最大值存在差異，其原因還有待進一步研究。因此在實際施工時需嚴格控制施工質量，及時進行支撐。

圖3 不同工況下y方向最大變形情況Fig.3 Maximum Deformation in y-direction under Different Working Conditions

圖5 不同工況下基坑左側x方向最大變形情況Fig.5 Maximum Deformation in x-direction on the Left Side of Foundation Pit under Different Working Conditions

在開挖到底部時，其x與y方向的變形云圖如圖6所示?？梢钥闯?，基坑在y方向的最大變形為145 mm，基坑右側的最大變形為111 mm，基坑左側最大變形為125 mm。從模型計算結果可以看出，基坑側向變形較大，且兩側變形最大值存在差異。這主要是由于基坑地處珠海橫琴地區(qū)，地質條件較差，根據(jù)前期地質勘察結果，淤泥土層總厚度達30 m，除淤泥土外，粉質黏土厚度為14 m。深厚的淤泥層將會導致基坑在開挖的過程中有較大的變形，根據(jù)不同工況的模擬結果，從施作第二道支撐開始，基坑將產生較大的變形。

圖6 基坑開挖到底支護結構的變形云圖Fig.6 Deformation Cloud Map of Support Structure at the Bottom of Foundation Pit Excavation

4 結語

本文以杧洲隧道工程北岸工作井為研究對象，通過有限元建模，模擬基坑開挖在各個工況下的變形情況。根據(jù)模擬的結果，發(fā)現(xiàn)隨著開挖深度的增大，基坑在各個方向的變形亦隨之增大，基坑最大位移出現(xiàn)在當前開挖步。項目地質條件較差，淤泥層總厚度達30 m，根據(jù)模擬的結果，基坑在y方向的最大變形為145 mm，基坑右側的最大變形為111 mm，基坑左側最大變形為125 mm，因此在實際施工時需嚴格控制施工質量，及時進行支撐。

本文根據(jù)前期地質勘探的結果，通過建模預測基坑的整體變形情況，在項目正式施工后，可將現(xiàn)場實際監(jiān)測值與模擬結果進行對比，在對模型進一步修正后，更好地預測后續(xù)施工的變形情況。該有限元模擬手段也可在其它地質條件和項目情況類似的隧道工程中實施，具有廣泛的應用價值。