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ABAQUS在软土大型盾构工作井稳定性分析中的应用

田洪铭王辉

（1中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北，武汉，430071）

摘要：基于地下连续墙分幅施工的工程实际状况，建立了连续墙不抗弯不抗剪柔性接头、抗剪不抗弯半刚

性接头以及抗剪又抗弯刚性接头的力学模型。结合南京纬三路过江隧道盾构工作井地下连续墙的设计，采

用ABAQUS软件进行数值模拟，研究了连续墙接头型式对于墙体水平位移以及支护体系受力的影响规律。

研究成果表明，ABAQUS中的HINGE接头单元可以很好的模拟连续墙分幅之间半刚性接头的作用，

ABAUQS中的硬接触关系可以很好的模拟土体与连续墙之间的接触关系，其模拟结果对基坑的施工具有重

要的指导意义。

1引言

地下连续墙是目前应用较为广泛的一种地下围护结构，其特别适用于施工环境差、对变形控制要求较

高的深基坑工程[1-2]。地下连续墙的接头是墙体横向力传递的关键，如设计不合理容易出现裂缝，影响到整个墙体和基坑的稳定性[3-5]。早期的地下连续墙设计过程中，一般基于弹性地基梁理论，按照平面问题假定，将地下连续墙简化一根梁进行计算[6-7]，但是实际工程中墙段间通过接头相互制约，不符合理想的平面应变假设，计算得到的墙体内力与实际结果相差较大，不能用于指导连续墙的配筋设计。近年来随着计算机技术的发展，使得对连续墙的受力进行三维分析成为可能，通过将连续墙接头简化为墙体不同边界条件的分析表明，对于长、宽、高相近三维效应明显的维护结构计算过程中必须考虑接头效应的影响[8-9]。即将开工建设的南京纬三路过江隧道江北工作井，采用逆作法施工，要满足两台直径为14.5m的盾构机同时吊装和进洞，开挖深度和跨度大、施工工序复杂，开挖过程中三维效应明显，而且工作井所经土层以淤泥质粘土和粉质粘土为主，开挖过程中土体很容易出现失稳破坏，必须选择合理的地下连续墙施工接头才能保证工作井施工的安全。本文基于目前常用连续墙接头横向力传递特点建立了柔性、半刚性和刚性3种形式的接头力学模型，分析了其对支护结构受力和变形的影响，为大型盾构工作井围护结构接头型式的选取提供参考。

2连续墙的接头型式及其计算模型

2.１地下连续墙施工接头型式

目前地下连续墙常用的槽端连接接头构造型式主要有：（１）锁口管接头，按照其形状不同可以分为，

圆形锁口管接头、半圆形锁口管接头以及波形管接头，此类接头型式构造简单，施工方便，其连接效果与

接头管拔出时机密切相关，拔出过早则混凝土仍处于流动状态，拔出过晚则已损坏墙体，从施工的效果来

看此类接头力的传递效果很差，受力后很容易变形，基本没有抗剪和抗弯能力。（２）十字钢板接头，是

以开孔钢板作为相邻槽端的连接构件，开孔钢板与两槽端混凝土形成嵌固咬合作用，可以承受地下连续墙

垂直于接缝上的剪力，但是由于缺乏水平向钢筋的连接，其抗弯能力较差。（３）钢筋搭接接头，采用槽

端内水平钢筋凹凸搭接，工字钢接头设置接头钢筋深入到接头的拼接钢板区，因此这两种接头中均不存在

无筋区，其不仅具有抗剪能力，而且可以有效的抵抗横向弯矩。

2.2连续墙施工接头力学模型

对于锁口管接头而言，接缝处没有钢筋连接，其横向力的传递效果较差，相邻墙体之间即可以发生相

互错动变形又可以发生扭转变形，墙体的边界基本处于自由状态，建模过程中通过相邻槽段之间不共用节

点，来模拟柔性接头。

对于十字钢板接头而言，接缝处有十字形钢板连接，因此较好的抗剪能力，但是抗弯内力较差，采用

ABAQUS中的HINGE接头单元来模拟。

对于钢筋搭接接头的刚性接头，由于槽段接头处，没有无筋区，没有抗剪和抗弯能力的弱化，通过相

邻槽段的连续墙节点公用来模拟。

3盾构工作井概况

3.1基本情况

南京纬三路过江隧道，位于长江大桥和纬七路长江隧道之间，直接连接南京主城区与浦口规划新市区

中心。隧道拟采用双层盾构施工，设计为双层双向八车道，盾构直径达到14.5m。其始发井位于江北定向

河北侧，紧接大兴十字河，设计里程为SUK3+528-SUK3+553，按照设计要求本工作井为左右线公用，需

要为两台盾构机的吊装预留足够空间

，其外包尺寸为47.32m×25.0m，底板埋深为26.35m。

4数值模拟

4.1计算模型及边界条件

整个计算模型为矩形型式，长225m，宽245m，高120m，为了反映明挖段和盾构开挖对工作井的影

响，计算模型中建立了30m的明段，以及30m的盾构开挖段。计算过程中土体共分为6层，其分层情况

如图1所示。

②2

③1

④1

④3

⑤1

⑥

a）工作井支护体系b）破墙面连续墙分幅

图1工作井土体分层模型图2工作井支护结构模型

工作井支护结构如图2所示，地下连续