圆形竖井在空间约束下的抗基底隆起与嵌固深度改进设计方法

《Buildings》：An Improved Design Method for Basal Heave Resistance and Embedded Depth of Circular Shafts Under Spatial Confinement

　　

圆形竖井广泛应用于盾构始发与接收、地铁通风、市政公用设施及地下能源设施中。在实际竖井施工中，嵌固深度设计直接影响基底隆起安全性、材料消耗、施工成本与工期。然而，常规基底隆起稳定计算方法多源于宽基坑假定，直接套用于圆形竖井时易导致保守设计。科学难点在于：圆形竖井基底隆起机制不仅受开挖卸荷与土体强度控制，还受封闭环形支护体系诱发的空间约束与环向拱效应支配。针对该问题，研究人员基于实际圆形竖井工程，建立FLAC3D二维平面应变等效模型与三维全尺度数值模型，系统考察基底隆起、支护墙变形、支撑内力及塑性区发展的空间演化规律。在此基础上，将空间约束与拱效应作为定量修正系数引入窄基坑理论，结合地基承载力破坏模式与圆弧滑动破坏模式，提出抗基底隆起与临界嵌固深度的改进设计方法。结果表明：宽深比0.3–1.0的圆形竖井呈现典型窄开挖特征；相较二维平面应变等效模型，三维模型因封闭圆结构可调动环向受压与空间荷载传递，变形更小、支撑内力更低、塑性区更局部化。在所研究条件下，该方法较常规规范法使基底隆起安全系数提高约15–40%，所需嵌固深度减少约15–30%。研究为圆形竖井基底隆起稳定评估与嵌固深度优化提供了改进的理论与实践途径，有助于更安全、经济、可持续的竖井建设。

研究背景方面，随着城市地下空间向深、集约、立体化发展，圆形竖井因其力学性能优、占地少、抗变形强，被广泛用于盾构始发接收、地铁通风、市政及地下储能等工程。现行国内规范（如JGJ 120-2012、GB 50007-2011）及地方标准多采用地基承载力法与圆弧滑动法评价基底隆起，均建立在宽基坑假定之上，即滑动面不受对侧支护限制。圆形竖井直径远小于挖深，宽深比B/H常处0.3–1.0，属典型窄坑；封闭环形地下连续墙与环梁可把侧向土压转化为环向压应力（hoop compressive stress），产生空间约束与环向拱效应（arching effect），使实际稳定度高于宽坑理论值。直接套用宽坑公式会过度加大嵌固深度，造成材料浪费与工期延长。此外，地下水扬压、渗流、孔隙水压力重分布亦参与基底失稳机制，但既有修正多面向矩形或平面应变窄坑，未显式量化圆井封闭几何与环向作用。因此，研究人员以某输气管道工程始发竖井（内径16 m、结构深42.005 m、地下连续墙厚1.0 m、挖深约34.01 m、嵌固8.0 m）为依托，开展数值与解析融合研究。

主要关键技术方法上，研究人员采用FLAC3D并行建立二维平面应变等效模型（X–Z剖面、单位厚度、径向宽140 m、高60 m、墙侧0.5 m局部加密网格）与三维全尺度六面体网格模型（边界距井心两倍挖深、高三倍挖深），土体对软黏层取总应力不排水指标（φ=0、c_u），砾石与风化泥岩层保留分层强度参数，地下连续墙与底板用弹性实体单元（E=32 GPa、ν=0.20），顶梁与环梁用C40梁单元；软土采用Plastic Hardening本构以刻画卸荷硬化与非线性塑性区渐进发展，初始地应力由g=10 m/s2与K?=0.35生成，分8步开挖并及时安装水平支撑；另用强度折减法（SRF逐步降c′、φ′）判据潜在破坏模式，并以参数敏感分析（B/H=0.3–1.5、c_u=15–30 kPa、D/H=0.15–0.30）校准空间约束系数η_space与拱效应系数η_arch。

研究结果部分，小节“数值模拟分析竖井三维空间效应与拱效应”下，研究人员通过2.2节模型建立发现：三维模型最大基底隆起EX7为13 mm，二维为14–15 mm；EX8封底后均回落至2–3 mm；三维地表沉降槽更浅（墙边最大竖向位移1.0–1.5 mm vs 二维3.0–3.5 mm）。地下连续墙水平位移二维最大值6.9 mm、合位移7.41 mm，三维Y向位移仅±0.46 mm、合位移1.34–1.45 mm，证明环向约束显著降低变形。环梁内力上，二维弯矩峰值287.4 kN·m，三维仅10.68 kN·m，轴压主导；强度折减下二维最大剪应变增量5.94%且塑性区连续，三维3.84%且局限于井底与墙趾。由此在2.4节提取：η_space=1.15–1.30（抗隆起提升15–30%）、η_arch=1.05–1.20（结构抗力提升5–20%）、综合系数ψ_circle=0.75–0.90（安全系数升15–40%、嵌固深降15–30%）。

小节“嵌固深度与嵌入方法”中，研究人员以B/H≤1.5且滑动面截断对侧墙判据界定窄坑，将η_space、η_arch引入Terzaghi承载力模式（N_c=5.14）与Wang-Xia圆弧滑动模式（含墙身极限弯矩M_p），推得修正安全系数F_s′=η_spaceη_archF_s及临界嵌固深D_c=max(D₁,D₂)·ψ_circle。以H=10 m、B=8 m、c_u=20 kPa、γ=18 kN/m3、F_s=1.8算例：常规宽坑法D=6.1 m，改进法D_c=4.9 m（降20%）；对42 m原型工程，常规规范算得12.4–12.9 m，改进法10.1 m，与实际采用10.2 m偏差<1%。

讨论部分，研究人员指出该方法理论贡献在于把空间约束（对侧边界限滑）与环向拱（侧压转环压）定量为修正系数，统一承载力与圆弧滑动双破坏模式，形成圆井嵌固设计框架；工程上可削去近20%冗余嵌固、省材缩短工期。但Plastic Hardening模型未含各向异性、蠕变、应变软化及小应变刚度，结论限于短期不排水响应；系数源自本研究土层（塑状粉质黏土、中密卵石、流塑粉质黏土、全/强风化泥岩）与封闭圆几何，遇砾砂、承压水、强渗流或椭圆/开口井需重新标定；地下水扬压控制时需耦合渗流–应力分析。结论节翻译如下：

（1）宽深比0.3–1.0圆形竖井呈典型窄开挖；封闭环形支护限制潜在滑面发展，环向拱将部分侧压转为环向压，提升抗基底隆起能力。（2）二维与三维对比证认空间效应显著：二维平面应变等效模型给出更大隆起、墙变位、支撑内力与塑性区，三维因环向约束与环形传荷变形更小、破坏更局部。（3）空间约束系数η_space=1.15–1.30、拱效应系数η_arch=1.05–1.20、综合圆井系数ψ_circle=0.75–0.90被引入基底隆起稳定计算；建立兼顾地基承载力破坏与圆弧滑动破坏的改进法。（4）提出五步嵌固深设计流程，在所研条件下较宽坑法嵌固深降约15–30%且保安全。研究人员强调修正系数非通用经验常数，仅适用于本研究土类、几何、支护、地下水与数值假定范围，推广须以工程专属数值、室内试验与现场监测反演再标定。论文发表于《Buildings》。