上海某圆形基坑设计计算方法研究

赵迪

（宏润建设集团股份有限公司，上海 200235）

0 引言

圆形基坑的空间效应非常明显，在水土压力作用下，围护结构将产生竖向受弯和环向受压的特性，可充分发挥混凝土的抗压特性，具有较好的经济性和安全性，在城市建设中得到广泛的应用，而目前建筑基坑支护技术规程［1］尚未提出此类基坑的计算方法。上海基坑规范［2］对于圆形地下连续墙仅给出了一种竖向计算思路，采用三维弹性板方法，运用有限元程序进行分步求解，而环向计算，接头折减，嵌固深度等均没有明确。《公路桥涵地基与基础设计规范》［3］中介绍了圆形地下连续墙竖向及环向计算方法，此规范一般应用于悬索桥锚碇基坑工程中。国内学者针对圆形基坑进行了一定的研究［4-7］，常用的计算方法有：圆拱效应的平面弹性地基梁法、三维弹性地基板法和考虑围护结构-土体共同作用的三维弹塑性有限元法。总体情况来看，考虑圆拱效应的平面弹性地基梁法较为实用，而三维有限元计算复杂，一般工程设计应用不够方便，实际工程设计应用不多。文中结合上海某一圆形基坑，详细而全面的介绍了基坑结构设计，包括平面布置，嵌固深度，支护结构变形及内力计算。

1 工程概况

上海某污水处理厂初期雨水调蓄工程其一供水盾构竖井，圆形盾构井内径16m，外径17.6m，深35.87m。采用1.2m 地下连续墙+0.8m 内衬相结合的叠合墙。平面布置呈28边形。基坑采用明挖逆作法施工。

根据勘察资料，场地地基土在75.0m 深度范围内均为第四系松散沉积物，属滨海平原相，主要由饱和粘性土，粉性土以及砂土组成，土层主要物理力学指标见表1。

表1 土层物理力学参数

坑底位于⑦2粉砂层。根据勘察，⑦2、⑧2-1、⑧2-3、⑨1层为承压水含水层。据上海地区工程经验，⑦2、⑧2-1、⑧2-3、⑨1层承压含水层水位埋深约3～12m。

2 设计方案

2.1 地墙分幅

考虑到工程地下连续墙深度较大（墙长80.5m），故地墙施工采用铣槽机成槽，接头形式为铣接头。铣槽机斗宽2800mm，因其工作原理，铣槽机两侧切削应为同一硬度物质，故一期槽段由三刀成槽；二期槽段由一刀成槽，切削一期槽段接头处的新浇筑混凝土100～200mm，如图1所示。

图1 圆形基坑一期铣接头平面布置（单位：mm）

图2为文中地下连续墙平面布置，圆形基坑化圆为直，由正28边形组成，A、B二期地墙交替布置，B型地墙由三边组成，一期施工；A型地墙仅为一刀，二期施工；从而可知圆形基坑的分幅边长为四边形倍数，因此根据基坑圆形周长及接头切削厚度，可快速进行分幅。

图2 圆形基坑铣接头平面布置

2.2 竖向入土深度

地墙的入土深度由基坑稳定性控制，在上海软土地区，大都由坑底抗隆起稳定性控制，王卫东［8］认为圆形基坑中土体因环向挤压而使其抗隆起稳定性系数要大于二维平面应变基坑，圆形基坑在入土深度较小的情况下，也可以获得较大的稳定性系数，这也是圆形基坑经济性的另一方面体现。针对工程，采用工程类比法，强度折减法及规范法对嵌固深度进行设计。

（1） 工程类比法。在搜集圆形基坑文献［9］，［10］的基础上，筛选出与工程直径及开挖深度相似的一些设计案例，其设计参数如表2所示。

表2 上海圆形基坑地下连续墙设计参数

工程地下连续墙内直径为17.6m，开挖深度35.87m，地墙连续墙厚度1.2m，由上表可知，地下连续墙入土系数在0.5～0.7左右，小于直线型基坑中地下连续墙的入土系数（上海地区一般为0.8～1）。

（2） 强度折减法。强度折减法常用于基坑及边坡的稳定性计计算中，而在新加坡，Plaxis有限元软件也被广泛应用于基坑设计，同时上海基坑规范也根据室内实验给出了上海典型土层的HS-Small 模型主要参数。在此基础上，运用Plaxis有限元软件，建立二维轴对称模型，对工程基坑进行强度折减法计算，具体模型尺寸如图3所示。

图3 有限元分析模型（单位：m）

计算结果表明，插入比为0.6、0.7时，墙底位于⑧2-3砂质粉土夹粉质粘土，基坑安全系数均为3.6，满足基坑稳定性要求。

（3） 规范法。采用启明星软件对不同入土系数的基坑进行稳定性计算，结果如表3所示。

表3 不同入土系数基坑稳定性系数

由表3 可见，入土系数0.7 时，各稳定性系数可满足规范要求。入土系数0.6 时，抗倾覆及坑底抗隆起稳定性安全系数不满足。

综合上述计算方法，基坑竖向入土深度排序为：强度折减法＜工程类比＜规范方法。然而工程地墙实际入土深度还需考虑承压水抗突涌稳定性。故综合安全及经济性，工程采用0.7的入土系数，根据抗突涌稳定性计算所确定的地墙入土段采用构造配筋。

2.3 突涌稳定性

基坑坑底位于⑦2层，开挖深度下有⑧2-1、⑧2-3、⑨1三层承压水，如图4所示，经计算⑧2-1、⑧2-3、⑨1（微）承压含水层不满足突涌稳定性。

图4 基坑坑底以下承压水层分布（单位：mm）

工程地下连续墙隔断⑦2、⑧2-1、⑧2-3，进入⑨1层17.73m。坑底⑨1承压水层内采用改良型RJP 加固封底措施，增加⑨1层承压水顶面至基坑底的深度，从而封底以下承压水层抗突涌安全系数满足规范要求。

3 内力计算

3.1 竖向分析

圆形基坑围护结构以环向受压为主，但实际工程中受定位偏差、垂直度、不均匀超载、不均匀开挖、墙缝夹泥或均布缺陷等不利因素，不能忽视竖向受弯的安全稳定。围护结构的竖向内力及变形与支撑竖向间距有着密不可分的关系，支撑够密，超挖较小，围护结构水平受力就会很小。圆形基坑正有着这样的优点，地下连续墙不仅是围护结构，同时因存在环向刚度起到支撑作用，且此支撑在基坑开挖前就已存在。

采用启明星计算软件，不考虑逆作法内衬墙的刚度，仅将内衬墙作为增加地墙整体刚度的一种措施来考虑；基坑开挖面以上地墙环向刚度采用先开挖后支撑的施工工况近似模拟，开挖面以下，弹簧刚度由地基弹簧加上地墙环向刚度所得。文献［4］、［11］采用密集加撑的方式，即弹簧的竖向计算高度及间距均取1m，但对于开挖深度的采用有所不同，文中采用3 种不同的开挖深度进行计算比较。第1 种：根据逆作法施工工序，逐步施工开挖范围内的水平弹簧，开挖步骤见图5；第2 种：采用每开挖2m，逐步施工开挖范围内的水平弹簧；第3种：采用每开挖1m，立即施加开挖面处水平弹簧。3种不同开挖深度所得计算结果如表4 所示。工程地墙每米等效支撑弹簧刚度=0.5×31.5×1×1.2/9.4≈210kPa/m。

图5 基坑竖向布置（单位：mm）

表4 不同开挖工况地下连续墙内力及位移

从表4可以看出，水平位移方面，圆形基坑较直线型基坑要小很多，为基坑开挖深度的0.02%。3 种工况所得剪力均无需配置抗剪钢筋。从相对比例上看，3种开挖工况的弯矩差异在15%～35%之间，但从绝对数值上看，3种工况的最大的弯矩仅有1105.5kN·m，最后根据强度选取配筋也仅差一档，作为设计保守考虑，工程采用方法1所得结果进行配筋。

3.2 环向分析

环向采用平面内刚架环梁计算，计算位置取基坑底-水土压力最大处。针对影响圆形围护墙环形受力的不利因素，采用施加偏载的方式进行模拟，荷载作用的不均匀系数取1.1～1.2，文中采用经验土压力，偏载取经验水土压力的10%。圆环周边设置水平单向受压土弹簧。构件厚度考虑垂直度偏差1/500［12］和定位偏差20mm。计算模型如图6所示。

图6 环向计算模型

经计算，环向刚架内力分别：

上述计算表明，采用偏载模式、考虑1/500的垂直度偏差后的地墙环向有效搭接厚度，可以满足圆环受力要求。

4 结语

圆形基坑是在力学上较合理的围护形式，近年来在地下工程中得到了广泛的应用。文中结合具体的圆形基坑，对其设计思路及分析方法进行了详细的阐述，对于圆形基坑的设计具有一定参考价值。

目前总的情况来看，平面地基梁理论普遍被工程界所认可，市场基于此理论研发了一大批成熟的软件，可以很方便地对常规基坑进行计算分析，而圆形基坑的设计还处于发展阶段，还有很多工作要做：

（1） 荷载的不均性对圆形基坑环向的内力和变形影响很大，应充分研究荷载的不均匀系数的取值。

（2） 不同接头形式力学性能研究，对环向刚度及受力的影响，需要我们进一步的研究。