姚广亮,李支令

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

1 概述

随着城市建设的高速发展，要求更多地对地下空间进行开发与利用，同时由于地铁、地下综合管廊、高层建筑[1]、大型船坞[2-3]等地下建筑物的建设，要求基坑的开挖越来越深，在已有的水利枢纽上扩建船闸[4]、引水隧洞不良地质段开挖[5]也对支护结构有特殊的要求，常规的支撑体系已经不适用于地下工程，从而产生了大量的新型支护结构，其中格栅型地连墙就是其中之一。

格栅型地连墙由前墙、中隔墙及后墙3部分组成，属于依靠自身重量来抵抗外侧水土压力的半重力式悬臂结构。目前格栅型地连墙的研究主要有竖向承载机理与灌注桩区别研究[6-7]、空间变形三维分析[8-9]、格式地连墙槽壁稳定方法[10]、地连墙土压力、前后墙内力计算方法[11]、中隔墙间距及宽度影响[12]等方面，而针对中隔墙深度影响的研究还很少。实际设计及施工中，为便于控制，往往取中隔墙的深度(或长度)与前、后地连墙深度一致，而当中隔墙的深度与前、后地连墙深度不一致时，格栅型地连墙整体结构受力变化情况目前少有研究。本文主要利用有限元数值模拟的方法，研究分析中隔墙位于不同的深度情况下，连续墙的变形及内力变化情况，为进一步优化格栅型地连墙设计提供了依据。

2 工程概况

2.1 格栅连续墙设计

某建筑基坑采用格栅连续墙支护，基坑开挖深度为14 m。设计采用的地连墙壁厚为1.2 m，每6 m 1个槽段，地连墙进入中风化岩层深度按不少于3 m控制，前、后地连墙全长为24.5 m。双排地连墙之间采用2块中隔墙连接，每块中隔墙长度为6 m，壁厚为1.2 m，前、后地连墙中心间距为17. 2 m。为提高整体刚度，地连墙顶部采用2 m厚的钢筋混凝土板通长连接，连接板长度为18.4 m。格栅连续墙支护结构平面及剖面见图1所示。

图1 格栅连续墙平面及剖面示意(单位：高程mm;尺寸mm)

2.2 场区地层条件

场地地层分布总体稳定，经归类主要为以下4层：表层为素填土层，主要为褐黄～土黄色黏土、含砂砾粉质黏土组成，局部含有少量淤质粉质黏土，土质不均，较松软，地基承载力一般，渗透性中等～强，开挖界面以上稳定性较差；2号土层为砂性土层，灰白色为主，含砾较多，砂质不均，局部夹泥，稍～中密，为河流相冲积，中密-密实，承载力一般，渗透性中等～强，全部位于开挖界面以上，稳定性一般；3号土层为全风化岩层，呈粉质黏土、砂质黏土状，局部风化不均，局部夹强～弱风化岩块，因此,归类为全/强风化岩层；底部为中风化岩层，岩芯呈块状、短柱状，碎屑结构，块状构造，铁质胶结，岩质较硬，锤击易碎，锤击声较清脆。根据地质勘察资料及结合工程经验，各岩土层物理参数见表1所示。

2.3 地连墙施工

地连墙成槽采用成槽效率较高、壁面平整度较好、质量易于控制的导向抓斗成槽法或液压铣槽机。槽段施工按先转角、后直线槽段的顺序进行。地连墙施工按成槽、清槽，施放与定位钢筋笼，然后浇筑混凝土墙身等工序进行。

地连墙挖槽之前修筑导墙，导墙接头应与地连墙接头错开，为防止导墙位移和变形，在导墙内侧加设上、下2道木支撑。护壁用泥浆，护壁泥浆密度要根据施工时的地面荷载、槽深以及具体槽段的土力学指标等确定。在转弯处和卵石层等易发生坍塌的地方，增加泥浆密度或在泥浆中添加增粘剂。地连墙槽段接头采用“工字形钢板接头”。

表1 岩土体物理参数

3 支护结构分析

3.1 分析思路

工程上对于格栅地连墙的中隔墙深度一般都取与前、后地连墙一样的深度。取一致深度虽然可以保证格栅连续墙的整体刚度，但地连墙底部一般都需要进入岩层一定的深度(通常入岩深度不少于3 m)，若中隔墙也与前、后墙保证相同的入岩深度，则增加施工难度，同时需耗费较长的工期。本文通过模拟中隔墙进入基坑坑底以下不同的深度h(见图2所示)，分析前、后墙的变位情况及内力变化情况，得出中隔墙较优的深度位置，以研究中隔墙入岩深度优化的可能性。

图2 中隔墙深度h示意

3.2 有限元模型建立

由于地连墙结构形式类似，可只选取一个槽段即6 m进行模拟计算，建立有限元计算模型(见图3)。模型主要约束为：底部节点固定；前、后节点约束前后方向的位移；左、右节点约束左右方向的位移。土层材料参数采用表1参数，地连墙及隔墙采用C30混凝土，弹性模量取值为3.00×104MPa，整体模型单元数量为69 700。地连墙与中隔墙均采用实体单元进行模拟，两者之间采用界面单元模拟接触，界面单元法向刚度模量按经验C30混凝土弹性模量的1/10，考虑泥浆护壁残余泥皮的影响，偏安全考虑切向刚度模量取0(见图4)。

基坑开挖前

基坑开挖后

图4 地连墙与隔墙实体模型示意

3.3 支护结构整体变形特性

计算基坑开挖整体变形云示意如图5所示,由于卸荷，基坑开挖底部会有一定的回弹及隆起，符合一般规律。

由于根据实际施工情况，考虑了前、后墙与隔墙间、隔墙与隔墙间的泥皮接缝影响，中隔墙与前、后地连墙接触面、中隔墙间接触面位置采用界面模拟，中隔墙的变形会产生一定的错位(见图6所示)，与实际情况是相符的。

图5 基坑开挖整体变形示意

图6 格栅连续墙变形示意

3.4 中隔墙不同深度情况下支护结构变形分析

对中隔墙的深度取不同的值(以位于地基底面以下3 m开始，不断往下增加中隔墙的深度，直至进入岩层3 m，此时基本与前、后地连墙底高程持平)，分析格栅连续墙变形情况(见表2所示)，其中前墙的位移变形见图7所示。

表2 格栅连续墙变形结果 mm

图7 格栅连续墙前墙变形示意

由表2可以看出：前、后墙以及中隔墙变形值基本相同，体现了格栅连续墙整体变形受力特性；当中隔墙未入岩时，前、后墙的最大变形差值约为0.1 mm，当中隔墙入岩时，前、后墙的最大变形差值约为0.01 mm，说明中隔墙入岩，有利于确保格栅连续墙的整体协同变形特性。同时由于顶部连接板的作用，前、后墙变形差异较小。

由图7可以看出：前墙随深度的变形体现出了悬臂梁特性，即支护结构顶部变形最大，底部变形最小(入岩部分可视为固定端)；随深度增加，而地连墙的变形减少，嵌岩部分变形基本为0；随着中隔墙的深度不断增加，地连墙不同位置的变形均在不断减少；当中隔墙进入岩面时，位移值发生突变，说明中隔墙进入岩层，对提高格栅连续墙整体刚度以及控制地连墙的变形是有利的；当中隔墙进入岩层1～3 m时，地连墙的整体变形趋于稳定。

3.5 中隔墙不同深度情况下支护结构内力分析

对中隔墙的深度取不同的值，分析前、后地连墙的内力最值结果(见表3所示)，提取前、后墙的弯矩与剪力图如图8～图9所示(弯矩以基坑侧受拉为负值)。

由表3可以看出：当中隔墙未进入岩层时，前、后墙的内力极值变化较小；中隔墙进入岩层后，内力极值变化较大，且产生极值的位置发生变化(体现在数值正负的变化)。

由图8～图9可以看出：随着中隔墙的深度不断增加，前、后墙不同高程的弯矩、剪力值均在不断减少；当中隔墙未进入岩层时，随着中隔墙的深度的不同，但前、后墙位于同一高程的内力差异小；当中隔墙进入岩面时，内力值发生突变，内力值减少较大；当中隔墙进入岩层1～3 m时，地连墙的内力趋于稳定。

表3 前、后地连墙内力最值结果

4 结语

根据中隔墙位于基坑底部以下不同深度，分析格栅连续墙的位移及内力变化情况，论证了中隔墙深度可对地连墙整体结构刚度的影响以及中隔墙深度可优化的空间。

1) 随着中隔墙的深度不断增加，地连墙整体变形以及内力均在不断减少。

2) 当中隔墙进入岩面时，位移值及内力值均发生突变，说明中隔墙进入岩层，对格栅连续墙整体刚度的提高以及控制地连墙的变形是有利的。

3) 当中隔墙进入岩层1～3 m时，地连墙的整体变形趋于稳定，而内力值也基本稳定，且入岩厚度的不同，变形与内力的区别较小。

4) 相比于前、后墙，中隔墙的深度可进行一定的优化，深度并不一定要与前、后墙保持一致；中隔墙嵌岩深度的优化在一定程序上可节省投资，减少工期。