考慮地連墻槽段接縫影響的豎井應力和變形規律研究

吳國誠 周躍峰

摘 要：由地下連續墻（簡稱“地連墻”）筑成的圓形圍護結構徑向變形小，在豎井工程中得到廣泛應用，但在計算中如何合理考慮其環向效應是亟待解決的科學問題。為揭示地連墻槽段接縫泥皮對圓形超深豎井應力變形的影響，在某輸水隧洞超深豎井數值分析中，采用實體單元模擬地連墻Ⅰ、Ⅱ槽段接縫泥皮，并在地連墻-巖土、混凝土襯砌-地連墻、地連墻-縫間填充物之間均設置接觸面，對泥皮縫寬、材料特性進行了參數敏感性研究，獲得了豎井支護結構的受力特征。結果表明：地連墻受力以豎向應力與豎向彎矩為主，隨縫寬的減小或者縫模量的提高，地連墻的徑向位移、豎向彎矩與豎向壓力均減小，而環向壓力增大；在開挖至土巖交界面時地連墻徑向位移與豎向彎矩最大，開挖至坑底時環向彎矩最大。圓形襯砌受力以環向為主，其與地連墻受力方向互補，彌補了地連墻槽段接縫泥皮的環向削弱作用。研究成果可為豎井的設計優化與施工提供技術支撐。

關鍵詞：地連墻；槽段接縫泥皮；超深豎井；環向效應；接縫非線性

中圖分類號：TU473 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引 言

豎井支護是為了保證地下結構施工及基坑周邊環境的安全，對豎井側壁及周邊環境所采取的支護措施，支護方法有很多種，如地下連續墻、排樁、土釘墻、水泥土墻等。針對豎井施工過程中各類支護結構與巖土體的共同作用機制，學者們開展了廣泛的研究[1-7]。Kirkbride等[2]采用巖土彈塑性理論分析了豎井側壁圍巖的應力分布狀態。Guz[3]采用理論分析與試驗驗證相結合的方法，分析了豎井施工過程中的圍巖變形機制，提出了豎井圍巖穩定性評價方法。陳恩瑜等[4]針對陡傾不良地質條件下大型調壓豎井開挖支護問題，進行了方案比選與優化設計。李孟等[5]采用連續體板單元模擬地下連續墻，通過數值分析方法研究了不良地質條件下豎井的圍巖穩定性、支護結構的變形與受力規律，提出了對圍巖變形進行有效控制的措施。鮑利發等[6]通過數值分析方法研究了抽水蓄能電站深厚覆蓋層中大斷面土質豎井的圍巖穩定性，從支護設計和開挖方案兩方面綜合采取措施，對圍巖變形進行有效控制。過江等[7]針對冰磧土層中豎井采取的錨噴聯合支護結構進行了受力變形分析，對比分析了不同施工方法的實施效果。

地下連續墻作為豎井的一種常見支護結構，是在地面上采用挖槽機械，在泥漿護壁條件下，開挖出一條狹長的深槽，在槽內吊放鋼筋籠，然后用導管法灌筑水下混凝土筑成一個單元槽段，如此逐段筑成一道連續的鋼筋混凝土墻壁[8]。由地連墻筑成的環形圍護結構拱效應強烈，可以有效控制徑向變形，采用環形地連墻的豎井支護案例不斷增多[9]。地連墻的槽段混凝土常采用分期澆注，由于采用泥漿護壁，Ⅱ期槽段澆注時，在Ⅰ、Ⅱ期槽段間必然存在一定厚度的接縫泥皮[10]（見圖1）。根據其受力特性可分為不抗彎不抗剪柔性接縫、抗剪不抗彎半剛性接縫以及抗剪又抗彎剛性接縫3種[11]。地下連續墻應力和變形的空間效應與槽段接頭的力學特性緊密相關，在數值計算中合理考慮接縫作用是亟待解決的科學問題[12]。

環形地連墻環向剛度受槽段接縫剛度[13]、接縫數量和半徑大小有關[14]，目前工程中尚無成熟的確定方法。早期將地連墻簡化為單根梁，得到的墻體內力與實際相差較大。目前采用考慮圓形拱效應的平面豎向彈性地基梁法，在計算墻體的等效分布彈性支撐系數時引入了考慮槽段接頭效應的環向剛度修正系數a，并建議a取0.4～0.7[15]，但a值與地連墻接縫的接頭類型、施工工藝水平密切相關，如何定量取值并無定論，僅憑經驗確定。裴穎潔等[16]采用二維有限元模型建立了地下連續墻與接縫的簡化模型，研究了墻體水平位移以及支護體系受力特征受連續墻接頭型式的影響規律。陳富強等[17]采用彈性理論的方法研究了地下連續墻接頭的數量、槽段夾泥和三種接頭作用效應的具體差異。當前，關于環形地連墻的接縫對于豎井支護體系影響的研究成果仍鮮有報道。

1 圓形超深豎井地連墻接縫設計

某輸水隧洞超深豎井采用地連墻、內襯砌、冠梁等相結合的支護形式，該豎井深度83.5 m，直徑31.6 m，地連墻厚1.2 m，內襯采用變截面厚度，在-7.5 m高程以上厚度為1.2 m，-7.5m高程以下厚度為1.5 m。冠梁尺寸為2.7 m×3.0 m，位于豎井頂部。工作井地連墻一期槽段長6.8 m，二期槽段長2.8 m（一、二期搭接0.4 m），一期槽、二期槽均為13幅，槽段設計見圖2。

為探討地連墻槽段接縫泥皮對豎井應力變形的影響，采用實體單元模擬地連墻Ⅰ、Ⅱ槽段接縫泥皮，設定0、2、4 cm三種縫寬，考慮縫間填充物軟硬程度，并在地連墻-巖土、混凝土襯砌-地連墻、地連墻-縫間填充物之間均設置接觸面，獲得多個方案豎井支護結構的受力特征，為豎井的優化設計與施工提供技術支撐。

2 數值分析模型及計算步驟

有限差分數值模型如圖3所示。模型包括108 328個單元、101 641個節點。模型的水平方向設定為X向與Y向，豎直向為Z向。模型長度、寬度均為150 m，超過豎井直徑4.5倍；模型總高度140 m，底部邊界距離豎井底部約60 m。模型四個側向邊界上施加法向約束，模型底邊界施加三向固定約束。

施工期的豎井地下水位施加于模型頂面，土體范圍內采用土水分算考慮地下水的靜水壓力作用。在地下水位以下的巖土層與地連墻交界處施加水壓力，以模擬地下水對于基坑施工的環境影響。土體材料模型選取摩爾-庫倫模型，襯砌混凝土結構采用彈性模型，計算參數見表1。

根據施工流程（見表2）模擬豎井開挖的全過程及其對周邊環境的影響。利用軟件中單元的“生死”功能模擬豎井工程地連墻施工、各層土體的開挖以及冠梁和襯砌的施工過程，計算得到地連墻、襯砌結構的應力變形以及豎井外側地表的變形情況。計算方案見表3。其中，縫間填充物為“軟”時填充材料按砂土考慮，性能參數參考文獻[18]取值；填充物為“硬”時填充材料按水泥砂漿考慮，性能參數參考文獻[19]取值；填充物為“中”時填充材料按砂土和水泥砂漿混合考慮，參數取值按照前兩者的數量級取中值。各接觸面按照摩爾-庫倫準則進行簡化，地連墻-縫間填充物之間摩擦系數參考同類計算實例取值為0.3。

3 豎井支護結構內力與變形統計

表4、表5分別為地連墻、襯砌與冠梁各方案內力與變形統計值。以強風化層底部為土巖交界面進行分析，距地表深度約為31 m。各方案的地層水平變形差異小于5 mm，沉降變形差異小于20 mm，縫寬4 cm軟縫，開挖分節5 m時最不利，豎井沉降如圖4所示。開挖至土巖交界面，地層水平變形最大值18.0 mm，地層沉降量最大值65.7 mm。開挖至坑底，地層水平變形最大值22.0 mm，地層沉降量最大值81.5 mm。

4 地連墻內力與變形分析

根據材料力學方法，將地連墻應力換算成對應的彎矩與軸力[20]。

由于地連墻Ⅰ、Ⅱ期槽段之間有縫，其受力以豎向壓力與豎向彎矩為主，圖5與圖6分別為地連墻典型豎向壓力與豎向彎矩曲線。地連墻最大豎向拉應力發生在開挖至土巖交界面時，為2.6MPa，分布在土巖交界范圍地連墻外側；地連墻最大水平向壓應力為-10.3MPa（圖5）。換算得到的各方案地連墻最大豎向彎矩為1 687 kN·m（圖6），發生在開挖至土巖交界面時；最大環向彎矩為697 kN·m，發生在開挖至坑底時。地連墻開挖至坑底時最大豎向壓力為-10 864 kN，最大環向壓力為-14 493 kN（硬縫時）。

對比不同方案計算結果可知，隨著縫寬的減小，地連墻的徑向位移、豎向彎矩與豎向壓力均減小，而環向壓力增大。隨著接縫彈性模量的提高地連墻的徑向位移、豎向彎矩與豎向壓力均減小，而環向壓力增大。開挖分節對主要影響地連墻的徑向變形，開挖到土巖交界面時，開挖分節3 m與分節5 m地連墻徑向位移分別為7.2 mm與8.2 mm，而開挖到坑底時地連墻徑向位移分別為17.7 mm與21.7 mm。分節5 m時地連墻的彎矩與壓力相對較大，但與分節3 m時相比無明顯差異性。

5 襯砌內力與變形分析

襯砌采用結構單元模擬，各方案襯砌徑向位移開挖至土巖交界面時最大值為1.0 mm，開挖到坑底時最大值為7.6 mm，均小于地連墻徑向位移。各方案環向彎矩、豎向彎矩、豎向壓力、環向壓力最大值均出現在開挖至坑底時。

對比不同方案計算結果可知，隨著縫寬度的減小，襯砌的徑向位移、環向彎矩、豎向彎矩、豎向軸力、環向軸力均減小。隨著縫模量的提高，襯砌的徑向位移、環向彎矩、豎向彎矩、豎向軸力、環向軸力均減小。開挖分節對襯砌的變形影響不大，但對襯砌的環向彎矩、環向軸力影響較大。

6 冠梁內力與變形分析

冠梁的受力與縫寬緊密相關，縫寬4 cm時冠梁為拉力，縫寬0 cm時冠梁為壓力。開挖至坑底后，各方案冠梁徑向位移最大值約0.9 mm，軸向拉力最大值為2 245 kN，軸向壓力最大值為-441 kN。最大豎向彎矩為1 241 kN·m，最大環向彎矩為

846 kN·m。

對比不同方案計算結果結果可知，隨接縫寬度的減小，冠梁的徑向位移、豎向彎矩、環向彎矩均減小。隨著接縫彈性模量的提高，冠梁的拉力、徑向位移、豎向彎矩、環向彎矩均減小。開挖分節對冠梁受力沒有明顯的影響。

7 與規范計算結果對比

取單位寬度的墻體作為豎向彈性地基梁，根據《港口工程地下連續墻結構設計與施工規程》

（JTJ 303—2003）[21]附錄C及《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363—2019）[22]附錄T，墻體環向效應及內襯的作用以等效支撐彈簧來替代計算（見圖7）?？紤]施工過程，采用基坑支護設計計算軟件“理正深基坑”進行計算。

采用規范計算得到的正常運行工況地連墻彎矩最大值為2 256 kN·m，剪力最大值為1 150 kN；襯砌結構規范算法[20]彎矩最大值為1 864 kN·m，軸力最大值為9 810 kN。與數值計算得到的表4與表5對比，可知數值計算與規范法得到的地連墻與襯砌內力最大值大小基本相當，說明本文提出的計算方法能夠反映地連墻槽段接縫對內力的影響。

8 結 論

針對某輸水隧洞超深豎井，結合實際設計的地連墻、襯砌、冠梁等支護體系，建立三維數值模型，開展地連墻槽段接縫泥皮參數敏感性分析研究，得到如下結論。

（1）由于地連墻Ⅰ、Ⅱ期槽段之間有接縫泥皮，其受力以豎向應力與豎向彎矩為主。隨接縫寬度的減小或者隨著縫模量的提高，地連墻的徑向位移、豎向彎矩與豎向壓力均減小，而環向壓力增大。

（2）地連墻最大豎向彎矩發生在開挖至土巖交界面時，最大環向彎矩發生于開挖至坑底。

（3）襯砌作為一個環向的整體，其受力以環向為主，其與地連墻受力方向互補，彌補了地連墻槽段接縫泥皮的環向削弱作用。

（4）冠梁的受力與接縫寬度緊密相關，縫寬4 cm時冠梁為拉力，縫寬0 cm為壓力。

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Stress and Deformation Patterns of Vertical Shafts Considering the Effect of Grooved Section Joints of Diaphragm Walls

WU Guocheng1，ZHOU Yuefeng2，3

（1. Shenzhen Water Engineering Construction Management Center，Shenzhen 518036，China；2. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；3. National Dam Safety Engineering Technology Research Center，Wuhan 430010，China）

Abstract：Circular enclosure structures made of diaphragm walls are widely used in shaft construction due to their low radial deformation. However，it remains an urgent scientific problem to reasonably consider its loop effects in calculations. This study aims to reveal the influence of the joint skin of the groove section of the diaphragm wall on the stress and deformation of circular ultra-deep shaft. A solid unit was employed to simulate the joint skin of Ⅰ and Ⅱ groove sections of the diaphragm wall in the numerical analysis of an ultra-deep shaft in a water conveyance tunnel. Moreover，contact surfaces were established between diaphragm wall and rock and soil，concrete lining and diaphragm wall，and also? between diaphragm wall and interseam fill. A parametric sensitivity study was conducted to investigate the width of mudskin seams and material properties. Numerical modeling results show that the stress and bending moment of the diaphragm wall are mainly in vertical direction. As excavation progresses to the soil-rock interface，the diaphragm wall experiences the largest radial displacement and vertical bending moment. At the pit bottom，the circumferential bending moment reaches peak value. The load direction of circular lining in the top-down method is in the circumferential direction，which is complementary to the stress direction of the diaphragm wall，compensating for the circumferential weakening effect caused by the joint mud skin in the trench section of the diaphragm wall. The research results provide technical support for optimizing the design and construction of ultra deep shafts.

Key words：diaphragm wall；joint mud skin of trench section；ultra deep shaft；circumferential effect；nonlinearity of slot joint

收稿日期：2023-06-05

基金項目：國家自然科學基金項目（51979010）

作者簡介：吳國誠，男，高級工程師，碩士，主要從事城市水網工程研究及建設管理工作。E-mail：158597438@qq.com

通信作者：周躍峰，男，正高級工程師，博士，主要從事水工巖土力學與工程研究。E-mail：zhou.yuefeng@163.com