王立宏 郭 锐

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

1 概述

随着城市化进程的发展，长大的穿江越海隧道建设日趋增多，盾构法为主流的施工工法。根据通风需要，一般需在两岸建设大型的盾构始发井(接收井)兼做风井。风井一般采用明挖法施工，采用地下连续墙+内支撑的围护系统居多。盾构工作井支撑受力情况能直接反映工作井结构的受力状态，在基坑设计中也将支撑轴力作为基坑施工的一个必测项目来保证基坑整体安全状态处于安全可控的范围，因此本文以支撑轴力分析作为出发点，对临江工作井在施工过程中受力变化进行分析，并根据分析结果给出设计与施工中应特别关注的工序及节点，指导设计与施工。深大基坑的数值分析理论已经越来越成熟，张永昌在深基坑工程流固耦合分析中对深基坑流固分析的关键问题进行了研究，详细分析了基坑全过程的受力与变形，为基坑设计与施工提供了指导。梁冰基于Biot固结理论，采用非线性弹性的Duncan-chang模型建立有限元流—固耦合模型对基坑开挖全过程进行了模拟分析，计算得到的地层及围护结构变形与实测值更加吻合，分析结果表明采用流固耦合模型进行基坑计算更加准确。

2 计算模型

扬子江通道江北盾构工作井位于江北定向河北侧，紧接大兴十字河，明挖段开挖深度范围内地层主要为淤泥质粉质粘土、粉质粘土、粉细沙以及中粗砂。为了反映基坑开挖过程中渗流场的变化情况，在基坑的左右各取100 m，深度方向取100 m。为了综合模拟盾构开挖过程，计算模型还考虑了20 m的盾构段开挖过程，结构尺寸与设计相同，结构接头按照半刚性接头进行分析。有限元模型如图1所示，整个模型尺寸为长225 m，宽245 m，高120 m。细部结构如图2所示。

盾构工作井采用明挖法施工，工作井开挖范围内以软土及粉细砂为主，粉细砂层中承压水丰富，工作井长47.32 m，宽25 m，深25.64 m，施工期支护体系采用地下连续墙、环梁、斜撑等，并对地下水进行降水控制。工程采用分层开挖方案，同时采用持续性降水的方式降低基坑底部承压水层水头，确保工程稳定。

由于工作井开挖范围及深度大，粉细砂层中承压水丰富。根据工作井防突涌要求，各开挖步渗流场边界条件设置见表1。

表1 基坑开挖渗流边界 m

同时，为模拟地下水的补给，模型侧面及底面设置为透水边界，孔隙水压力保持不变。模型顶面设置为透水边界。

工作井支撑布置与工程实际相同，共六道支撑，除第六道支撑为φ609×16钢支撑外，其余五道支撑均为钢筋混凝土支撑，支撑的布置及编号见图3。

3 支撑轴力计算值与实测值对比

土体开挖过程中，对支撑轴力进行了现场监测，计算值与对比值情况见图4，从现场监测资料与实际计算值对比可以发现，两者吻合较好，从而说明本次计算分析模型合理，计算结果可靠。

4 施工全过程支撑轴力分析

各道支撑施工全过程中的轴力大小变化情况如图5～图8所示。

根据计算结果分析可知第一道支撑的轴力随着开挖逐渐减小。这是因为随着第一道支撑下部土体的开挖，下部墙体向坑内的位移增加，墙体顶部相对于下部有向外的位移，使得轴力逐渐减小。第9步由于停止降水，孔隙水压力升高墙外水土压力增加导致轴力大幅增加。第13步拆除了第二道支撑，第二道支撑拆除后，原由第二道支撑所承担的水土压力部分转移到第一道支撑上，导致第一道支撑轴力大幅增加，最大值达到3 625 kN。因此，停止降水后及拆撑过程中应加强轴力监测。

第二道支撑轴力随施工步的变化规律与第一道基本相同，施加完第二道支撑进行第二层土体开挖时支撑轴力大幅增加。在后续的开挖过程中，轴力变化相对较小。在停止降水浇筑底板及拆撑过程中轴力迅速增加，在拆除第三道支撑时，由于第四道支撑所承担的水土压力转移至第二道支撑使其达到最大值，最大值约为4 929 kN。

第三道支撑轴力随施工步的变化规律与前两道相同，施加完第三道支撑进行第三层土体开挖时支撑轴力大幅增加。在后续的开挖过程中，轴力变化相对较小。在停止降水浇筑底板及拆撑过程中轴力迅速增加，在拆除第四道支撑时，由于第四道支撑所承担的水土压力转移至第三道支撑使其达到最大值，最大值约为6 201 kN。

第四道支撑轴力随施工步的变化规律与前几道相同，施加完第四道支撑进行第四层土体开挖时支撑轴力大幅增加。在后续的开挖过程中，轴力变化相对较小。在停止降水浇筑底板及拆撑过程中轴力迅速增加，在拆除第五道支撑时，由于第五道支撑所承担的水土压力转移至第四道支撑使其达到最大值，最大值约为5 022 kN。

第五道支撑轴力随施工步的变化规律与前几道相同，施加完第五道支撑进行第五层土体开挖时支撑轴力大幅增加。在停止降水浇筑底板及拆撑过程中轴力迅速增加，在拆除第六道支撑时，由于第六道支撑所承担的水土压力转移至第五道支撑使其达到最大值，最大值约为3 736 kN。

第六道支撑由于加撑与拆撑时间间隔相对较短，从图8可以看出，其轴力是一直增加的，最大值约为2 585 kN。

根据以上分析可知，支撑轴力在封底停止降水和相邻支撑拆除后发生大幅的增加，设计和施工应充分考虑地下水位恢复以及支撑拆除造成的支撑轴力增加，支撑轴力的设计不应考虑地下水位降低的有利作用，按最不利水位考虑支撑轴力的设计，以确保基坑支护体系的安全。

沿竖向各道支撑的轴力对比情况如图9所示。

可见竖向各道支撑轴力的大小与连续墙墙体位移曲线相似，呈现中间大两端小的规律，第三道支撑最大，其他支撑基本呈线性减小。表明支撑轴力取决于支撑两端点处连续墙相对位移，从另一个角度讲，可以通过增加斜撑尺寸及力学参数来控制连续墙变形。

5 结语

通过建立流固耦合的三维分析模型对临江工作井基坑的全过程进行模拟，取其中的轴力进行分析研究，计算值与实测值表明，该计算模型准确可靠，计算值与实测值基本一致。支撑轴力的全过程施工模拟计算结果表明支撑轴力在封底停止降水和相邻支撑拆除后发生大幅的增加，设计和施工应充分考虑地下水位恢复以及支撑拆除造成的支撑轴力增加，支撑轴力的设计不宜考虑地下水位降低的有利作用，按最不利水位进行支撑轴力的设计，以确保基坑支护体系的安全。同时竖向支撑轴力对比表明竖向各道支撑轴力的大小与连续墙墙体位移曲线相似，呈现中间大两端小的规律。

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