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摘要：结合珠江三角洲水资源配置工程盾构始发工作井超深圆形工作井工程案例，通过数值模拟与现场实测相结合的方法，对超深圆形工作井施工方案进行优化。研究结果表明：岩土交界处地连墙变形较大，且应力集中更容易发生塑性破坏，在开挖方案拟定时要偏安全考虑；建议采用“逆-顺结合”的开挖方式，在上部采用逆作法，在下部采用顺作法，兼顾施工安全性的同时提高施工便利性。
关键词：逆-顺结合；施工优化；变形分析
1.引言
现阶段工作井工程的施工方案按照其开挖顺序可分为顺作法和逆作法，其各有利弊，而如何合理地把顺作与逆作相结合已成为目前研究的重点。针对“顺逆作”工作井开挖，国内外已有大量的研究。例如，宋林等采用有限元软件建立三维数值模型，对工作井明挖顺作法和盖挖逆作法两种施工方案以及不同土方开挖顺序进行动态研究，分析比较得出不同施工方案对工作井变形的影响规律[1]。杨博维、程泽海等运用有限差分软件3D FLAC模拟了工作井在不同支护方案下开挖过程，对不同方案开挖过程所引起的工作井坡顶和坡底的位移、坑壁水平方向的位移进行了分析[2]。程明进、向俊宇等采用主楼顺作与裙房逆作相结合的总体施工方案，介绍了地下室顺逆结合后浇带部位关键节点处理措施[3-4]。虽然国内外学者已开展了大量的研究工作，但对于大多数研究仍集中于矩形工作井，对于超深圆形工作井研究很少。因此，本文结合珠江三角洲水资源配置工程土建施工A6标段盾构始发工作井的工程案例，通过数值模拟的手段，研究大直径超深盾构工作井施工力学特性，而后采用“逆顺结合”的思路，对原有开挖方案进行优化设计，最终通过计算比选出合适的开挖方案，以更好的指导设计与施工。
2.工程概况
珠江三角洲水资源配置工程施工A6标段位于广州市南沙区境内，为珠江三角洲水资源配置工程广州段输水工程的一段。工作井开挖采用地下连续墙垂直支护，地下连续墙厚1.2m，嵌入井底，根据本工程的原始设计资料，该盾构始发工作井内衬墙采用逆作法施工，每4.5m为一段，共计15段，逆作法内衬墙厚1.2～1.5m，衬砌后直径分别为31.1m和30.5m。
3.盾构工作井顺作法施工模拟
为优化工作开挖方案，需研究工作井开挖过程中的力学变形特性。为此，首先以明挖顺作法作为基准施工方案进行分析，根据该方案的研究结果，再对开挖方案进行针对性调整，从而优化出具有更合理的施工方案。
3.1模型建立
土体采用三维实体单元模拟，本构模型采用修正Mohr-Coulomb。在该盾构始发工作井主体结构施工中，地连墙及主体结构内衬浇筑混凝土设计强度等级均为C35，地连墙与内衬墙均来用弹性本构模型的二维板单元进行模拟。综合考虑盾构工作井施工对周边的影响范围，取模型范围为长200m、宽200m、深度120 m。模型边界条件为侧面和底面设置位移边界，模型四周设置法向水平位移约束，底部设置X、Y、Z方向的位移约束，顶部边界为自由表面。模型荷载为地面超载，在工作井周边场地范围内施加20kPa的场地超载。
3.2结果分析
（1）竖向位移
本次模拟中盾构工作井开挖及主体结构施工完成后土体竖向位移如图1所示。可以看出，在工作井内土体全开挖完成后，工作井周围土体会出现沉降现象，而在工作井底部会出现隆起现象。最大沉降发生在地表面处，约为3.77 mm，最大隆起发生在工作井底部，约为15.35 mm。
（2）水平位移
工作井开挖及主体结构施工完成后所引起的土体水平方向位移如图1所示。可以看出，在开挖深度47 m以上时，地连墙水平位移均匀增加，增速较小且侧向位移较小；在开挖47 m~65 m深度附近时，挡墙变形速率呈增大趋势；而在开挖深度65 m以下时，地连墙侧向位移基本不变。此外，挡墙出现较大变形主要是在开挖至57 m深度之后。因此，在57m深度以上可考虑采用逆作法，而57 m深度以下宜采用顺作法以保证施工安全。
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图1 工作井模拟施工完成后土体竖向及水平位移变化图
（3）塑性区分布
根据工作井开挖过程模拟土体的竖向及水平位移结果，对工作井开挖及主体结构施工完成后所引起的土体塑性区分布进行模拟分析。模拟结果显示，工作井在开挖完成后，在土、岩交界面深度处的工作井周边土体中存在局部塑性区，且在开挖面之，上的土体亦有一倒锥形的塑性区形成，与水平面近似成45° +φ/2，该倒锥面随着工作井开挖而逐渐向下移动，并相应增大。因此，在岩土交界面附近施工时应注意采取控制措施，防止土体整体剪切破坏。
3.3开挖方案拟定
基于上述对盾构工作井施工模拟过程力学特性的分析，可知对于圆形工作井，其地连墙变形较小，最大值仅有16.0 mm，远低于一级基坑围护结构要求值，这说明圆形围护结构环向受压作用明显，基坑施工安全性较高。因此兼顾施工技术及类似工程经验，现初步提出以下4种方案，用以对比分析。综上所述，考虑到施工工期及下部围岩性质，即在危险段采用逆作法、在非危险段采用顺作法，即程地表以下0~57 m深度范围内采用明挖逆作法施工，在57 m~65m深度范围内采用顺作法施工。
4.结论
根据本次主体开挖施工模拟效果，对于超深大直径盾构工作井，工作井施工过程中地连墙变形很小，数值模拟结果显示变形最大值仅有4.84mm，远低于一级基坑围护结构要求值139.1 mm，且剪力弯矩均较小。这说明圆形围护结构环向受压作用明显，变形小，基坑施工安全性较高，在飞危险区域采用顺作法施工代替逆作法施工是可行的。对于后续类似超深大直径盾构工作井采用“逆顺结合”的开挖方式，在兼顾施工安全性的同时也能获的良好的施工效果。
参考文献：
[1] 宋林，李昌宁，范恒秀.紧邻既有线地铁车站深基坑.施工开挖方案研究[J].现代隧道技术，2016，53（5）：154-160.
[2] 杨博维.基于FLAC3D的深基坑开挖变形数值模拟研究[J].水资源与水工程学报，2014，25（2）：24-28.
[3] 程明进.复杂环境下的超深基坑工程顺逆作结合设计与实践[J].绿色建筑，2017，9（4）：87-89.
[4]向俊宇，胡栋良，宋凯迪，等.长沙国金中心项目基坑工程顺作改顺逆结合施工调整优劣性分析[J].建筑技术，2018，49（10）：12-15.