王立宏 郭 銳

(中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

1 概述

隨著城市化進程的發(fā)展，長大的穿江越海隧道建設(shè)日趨增多，盾構(gòu)法為主流的施工工法。根據(jù)通風需要，一般需在兩岸建設(shè)大型的盾構(gòu)始發(fā)井(接收井)兼做風井。風井一般采用明挖法施工，采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的圍護系統(tǒng)居多。盾構(gòu)工作井支撐受力情況能直接反映工作井結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，在基坑設(shè)計中也將支撐軸力作為基坑施工的一個必測項目來保證基坑整體安全狀態(tài)處于安全可控的范圍，因此本文以支撐軸力分析作為出發(fā)點，對臨江工作井在施工過程中受力變化進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果給出設(shè)計與施工中應(yīng)特別關(guān)注的工序及節(jié)點，指導(dǎo)設(shè)計與施工。深大基坑的數(shù)值分析理論已經(jīng)越來越成熟，張永昌在深基坑工程流固耦合分析中對深基坑流固分析的關(guān)鍵問題進行了研究，詳細分析了基坑全過程的受力與變形，為基坑設(shè)計與施工提供了指導(dǎo)。梁冰基于Biot固結(jié)理論，采用非線性彈性的Duncan-chang模型建立有限元流—固耦合模型對基坑開挖全過程進行了模擬分析，計算得到的地層及圍護結(jié)構(gòu)變形與實測值更加吻合，分析結(jié)果表明采用流固耦合模型進行基坑計算更加準確。

2 計算模型

揚子江通道江北盾構(gòu)工作井位于江北定向河北側(cè)，緊接大興十字河，明挖段開挖深度范圍內(nèi)地層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粉細沙以及中粗砂。為了反映基坑開挖過程中滲流場的變化情況，在基坑的左右各取100 m，深度方向取100 m。為了綜合模擬盾構(gòu)開挖過程，計算模型還考慮了20 m的盾構(gòu)段開挖過程，結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計相同，結(jié)構(gòu)接頭按照半剛性接頭進行分析。有限元模型如圖1所示，整個模型尺寸為長225 m，寬245 m，高120 m。細部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

盾構(gòu)工作井采用明挖法施工，工作井開挖范圍內(nèi)以軟土及粉細砂為主，粉細砂層中承壓水豐富，工作井長47.32 m，寬25 m，深25.64 m，施工期支護體系采用地下連續(xù)墻、環(huán)梁、斜撐等，并對地下水進行降水控制。工程采用分層開挖方案，同時采用持續(xù)性降水的方式降低基坑底部承壓水層水頭，確保工程穩(wěn)定。

由于工作井開挖范圍及深度大，粉細砂層中承壓水豐富。根據(jù)工作井防突涌要求，各開挖步滲流場邊界條件設(shè)置見表1。

表1 基坑開挖滲流邊界 m

同時，為模擬地下水的補給，模型側(cè)面及底面設(shè)置為透水邊界，孔隙水壓力保持不變。模型頂面設(shè)置為透水邊界。

工作井支撐布置與工程實際相同，共六道支撐，除第六道支撐為φ609×16鋼支撐外，其余五道支撐均為鋼筋混凝土支撐，支撐的布置及編號見圖3。

3 支撐軸力計算值與實測值對比

土體開挖過程中，對支撐軸力進行了現(xiàn)場監(jiān)測，計算值與對比值情況見圖4，從現(xiàn)場監(jiān)測資料與實際計算值對比可以發(fā)現(xiàn)，兩者吻合較好，從而說明本次計算分析模型合理，計算結(jié)果可靠。

4 施工全過程支撐軸力分析

各道支撐施工全過程中的軸力大小變化情況如圖5～圖8所示。

根據(jù)計算結(jié)果分析可知第一道支撐的軸力隨著開挖逐漸減小。這是因為隨著第一道支撐下部土體的開挖，下部墻體向坑內(nèi)的位移增加，墻體頂部相對于下部有向外的位移，使得軸力逐漸減小。第9步由于停止降水，孔隙水壓力升高墻外水土壓力增加導(dǎo)致軸力大幅增加。第13步拆除了第二道支撐，第二道支撐拆除后，原由第二道支撐所承擔的水土壓力部分轉(zhuǎn)移到第一道支撐上，導(dǎo)致第一道支撐軸力大幅增加，最大值達到3 625 kN。因此，停止降水后及拆撐過程中應(yīng)加強軸力監(jiān)測。

第二道支撐軸力隨施工步的變化規(guī)律與第一道基本相同，施加完第二道支撐進行第二層土體開挖時支撐軸力大幅增加。在后續(xù)的開挖過程中，軸力變化相對較小。在停止降水澆筑底板及拆撐過程中軸力迅速增加，在拆除第三道支撐時，由于第四道支撐所承擔的水土壓力轉(zhuǎn)移至第二道支撐使其達到最大值，最大值約為4 929 kN。

第三道支撐軸力隨施工步的變化規(guī)律與前兩道相同，施加完第三道支撐進行第三層土體開挖時支撐軸力大幅增加。在后續(xù)的開挖過程中，軸力變化相對較小。在停止降水澆筑底板及拆撐過程中軸力迅速增加，在拆除第四道支撐時，由于第四道支撐所承擔的水土壓力轉(zhuǎn)移至第三道支撐使其達到最大值，最大值約為6 201 kN。

第四道支撐軸力隨施工步的變化規(guī)律與前幾道相同，施加完第四道支撐進行第四層土體開挖時支撐軸力大幅增加。在后續(xù)的開挖過程中，軸力變化相對較小。在停止降水澆筑底板及拆撐過程中軸力迅速增加，在拆除第五道支撐時，由于第五道支撐所承擔的水土壓力轉(zhuǎn)移至第四道支撐使其達到最大值，最大值約為5 022 kN。

第五道支撐軸力隨施工步的變化規(guī)律與前幾道相同，施加完第五道支撐進行第五層土體開挖時支撐軸力大幅增加。在停止降水澆筑底板及拆撐過程中軸力迅速增加，在拆除第六道支撐時，由于第六道支撐所承擔的水土壓力轉(zhuǎn)移至第五道支撐使其達到最大值，最大值約為3 736 kN。

第六道支撐由于加撐與拆撐時間間隔相對較短，從圖8可以看出，其軸力是一直增加的，最大值約為2 585 kN。

根據(jù)以上分析可知，支撐軸力在封底停止降水和相鄰支撐拆除后發(fā)生大幅的增加，設(shè)計和施工應(yīng)充分考慮地下水位恢復(fù)以及支撐拆除造成的支撐軸力增加，支撐軸力的設(shè)計不應(yīng)考慮地下水位降低的有利作用，按最不利水位考慮支撐軸力的設(shè)計，以確?；又ёo體系的安全。

沿豎向各道支撐的軸力對比情況如圖9所示。

可見豎向各道支撐軸力的大小與連續(xù)墻墻體位移曲線相似，呈現(xiàn)中間大兩端小的規(guī)律，第三道支撐最大，其他支撐基本呈線性減小。表明支撐軸力取決于支撐兩端點處連續(xù)墻相對位移，從另一個角度講，可以通過增加斜撐尺寸及力學(xué)參數(shù)來控制連續(xù)墻變形。

5 結(jié)語

通過建立流固耦合的三維分析模型對臨江工作井基坑的全過程進行模擬，取其中的軸力進行分析研究，計算值與實測值表明，該計算模型準確可靠，計算值與實測值基本一致。支撐軸力的全過程施工模擬計算結(jié)果表明支撐軸力在封底停止降水和相鄰支撐拆除后發(fā)生大幅的增加，設(shè)計和施工應(yīng)充分考慮地下水位恢復(fù)以及支撐拆除造成的支撐軸力增加，支撐軸力的設(shè)計不宜考慮地下水位降低的有利作用，按最不利水位進行支撐軸力的設(shè)計，以確?；又ёo體系的安全。同時豎向支撐軸力對比表明豎向各道支撐軸力的大小與連續(xù)墻墻體位移曲線相似，呈現(xiàn)中間大兩端小的規(guī)律。

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