李遵豪，张高海，陈俊伟，何 钦

（1、珠海大横琴城市新中心发展有限公司 珠海 519030；2、中国铁建投资集团有限公司 北京 100855；3、中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430061；4、广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州 510500）

0 引言

随着城市的不断发展，地面建筑的密集度不断增加，而可利用的空间越发变少。因此，近年来，地下空间的开发利用受到了更多的关注。盾构施工是主要的地下施工技术之一，而与其密切相关的盾构工作井的开挖支护亦越来越受到人们的重视［1-3］。

工作井的开挖会影响基坑周边的稳定性，若变形过大会导致基坑塌陷，对基坑以及人员安全产生较大威胁。因此，在基坑开挖前需提前对基坑变形进行预估，而有限元建模是一种研究基坑开挖变形的有效手段。

目前国内学者针对盾构工作井开挖变形的数值模拟已经做了较多的研究。王浩［4］通过有限元模拟了地下连续墙+内撑支护结构在短时荷载作用下的力学响应规律。王健等人［5］通过FLAC 3D 建模研究地铁下穿高速公路的变形情况，并提出了相应的施工建议。曹颖等人［6］通过模拟加固情况下始发井的变形情况发现其模拟的变形值与现场实际监测值的变化趋势基本吻合。王建学等人［7］通过FLAC 3D 模拟盾构井在不同施工工况下的变形情况，发现小尺寸深基坑地下连续墙主要受压应力，而拉应力与剪切力都比较小。魏宇红等人［8-10］通过有限元模拟探讨了基坑墙体变形规律，进而合理配置了支护结构的刚度。

本文所依托的杧洲隧道工程位于珠海横琴地区，地质条件较差，淤泥土层深厚。目前软土地区盾构工作井的开挖仍存在一定难度，施工前进行数值模拟十分必要。为保证基坑安全，本文通过有限元模拟盾构工作井在不同工况下的变形情况，为基坑施工提供建议。

1 工程概况

杧洲隧道工程位于横琴粤澳深度合作区和珠海洪湾片区，整体上呈南北走向，隧道穿越马骝洲水道，北岸接环港东路与洪湾大道交叉口，南岸接厚朴道。道路等级为城市次干道，设计速度50 km∕h，路线全长约3.0 km，隧道全长1 695 m，其中盾构段全长约915.4 m，两端各设1座工作井，桩号里程LK1+142.800和LK2+058.200，工作井长约24.6 m，北岸暗埋段长173.2 m，敞开段长205 m；南岸暗埋段长172.197 m，敞开段长180 m。

北岸工作井围护结构采用1.2 m 厚地下连续墙，支撑采用5道钢筋混凝土支撑。

2 计算模型的建立

根据北岸工作井的实际尺寸（41.7 m×23.6 m×25.9 m），模型在不同方向进行了一定延伸，最终模型尺寸为248 m×125 m×100 m，如图1所示。

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

2.1 土体与支护结构的本构参数

该计算模型土体采用摩尔库伦本构模型，土体采用实体单元，模型参数根据杧洲隧道初步设计及经验取值，如表1所示。

表1 土层本构参数Tab.1 Constitutive Parameters of Soil Layer

混凝土、钢材均采用弹性模型，参数如表2 所示，支护结构模型如图2所示。

表2 支护结构本构参数Tab.2 Constitutive Parameters of Supporting Structure

图2 支护结构有限元模型Fig.2 Finite Element Model of Supporting Structure

2.2 开挖工况设置

因工作井采用连续墙加5道混凝土支撑的支护结构，因此，本次开挖工况按照实际设计，设置8种工况，6个开挖步骤，逐步开挖并设置支撑，直至开挖至工作井设计标高，具体工况设置如下：［工况1］地应力平衡；［工况2］施工地连墙搅拌桩；［工况3］第一步开挖；［工况4］第二步开挖+施作第一道支撑；［工况5］第三步开挖+施作第二道支撑；［工况6］第四步开挖+施作第三道支撑；［工况7］第五步开挖+施作第四道支撑；［工况8］第六步开挖+施作第五道支撑。

3 数值模拟结果分析

建模过程中，工况1 为初始化，变形为0，不再考虑，再计算后续工况的变形情况。为分析基坑在不同开挖工况下的形变情况，本文选取了x和y方向在8个工况下形变最大的断面进行对比分析。

图4 不同工况下基坑右侧x方向最大变形情况Fig.4 Maximum Deformation in x-direction on the Right Side of the Foundation Pit under Different Working Conditions

不同工况下，x和y方向最大变形点所在断面的变形对比如图3～图5 所示。可以看出，随着开挖深度的增加，基坑各个方向的变形逐步增大，且其开挖最大变形值亦随着开挖深度的增加而逐步增大。在工况2、3、4 中，基坑的侧向变形整体较小，第三步开挖与施作第二道支撑开始，基坑变形变化量明显增大，且在开挖到底部时，基坑变形达到最大。在工况2，3，4 时，x与y方向最大变形基本一致，但在开挖至底部时，y方向变形要明显大于x方向，其可能原因是基坑长宽不同，造成其受力特性发生变化，由于y方向边长较长，支撑结构不到位，造成其受力较大，变形较大。而在左右两侧x方向的变形最大值存在差异，其原因还有待进一步研究。因此在实际施工时需严格控制施工质量，及时进行支撑。

图3 不同工况下y方向最大变形情况Fig.3 Maximum Deformation in y-direction under Different Working Conditions

图5 不同工况下基坑左侧x方向最大变形情况Fig.5 Maximum Deformation in x-direction on the Left Side of Foundation Pit under Different Working Conditions

在开挖到底部时，其x与y方向的变形云图如图6所示。可以看出，基坑在y方向的最大变形为145 mm，基坑右侧的最大变形为111 mm，基坑左侧最大变形为125 mm。从模型计算结果可以看出，基坑侧向变形较大，且两侧变形最大值存在差异。这主要是由于基坑地处珠海横琴地区，地质条件较差，根据前期地质勘察结果，淤泥土层总厚度达30 m，除淤泥土外，粉质黏土厚度为14 m。深厚的淤泥层将会导致基坑在开挖的过程中有较大的变形，根据不同工况的模拟结果，从施作第二道支撑开始，基坑将产生较大的变形。

图6 基坑开挖到底支护结构的变形云图Fig.6 Deformation Cloud Map of Support Structure at the Bottom of Foundation Pit Excavation

4 结语

本文以杧洲隧道工程北岸工作井为研究对象，通过有限元建模，模拟基坑开挖在各个工况下的变形情况。根据模拟的结果，发现随着开挖深度的增大，基坑在各个方向的变形亦随之增大，基坑最大位移出现在当前开挖步。项目地质条件较差，淤泥层总厚度达30 m，根据模拟的结果，基坑在y方向的最大变形为145 mm，基坑右侧的最大变形为111 mm，基坑左侧最大变形为125 mm，因此在实际施工时需严格控制施工质量，及时进行支撑。

本文根据前期地质勘探的结果，通过建模预测基坑的整体变形情况，在项目正式施工后，可将现场实际监测值与模拟结果进行对比，在对模型进一步修正后，更好地预测后续施工的变形情况。该有限元模拟手段也可在其它地质条件和项目情况类似的隧道工程中实施，具有广泛的应用价值。