臨江工作井施工過程支撐軸力分析

王立宏 郭 銳

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

1 概述

隨著城市化進(jìn)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(fēng)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(fēng)井。風(fēng)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(hù)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(jì)中也將支撐軸力作為基坑施工的一個(gè)必測(cè)項(xiàng)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(diǎn)，對(duì)臨江工作井在施工過程中受力變化進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果給出設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)特別關(guān)注的工序及節(jié)點(diǎn)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)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(duì)深基坑流固分析的關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究，詳細(xì)分析了基坑全過程的受力與變形，為基坑設(shè)計(jì)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(duì)基坑開挖全過程進(jìn)行了模擬分析，計(jì)算得到的地層及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形與實(shí)測(cè)值更加吻合，分析結(jié)果表明采用流固耦合模型進(jìn)行基坑計(jì)算更加準(zhǔn)確。

2 計(jì)算模型

揚(yáng)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(xì)沙以及中粗砂。為了反映基坑開挖過程中滲流場(chǎng)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(jì)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(jì)相同，結(jié)構(gòu)接頭按照半剛性接頭進(jìn)行分析。有限元模型如圖1所示，整個(gè)模型尺寸為長225 m，寬245 m，高120 m。細(xì)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(xì)砂為主，粉細(xì)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(hù)體系采用地下連續(xù)墻、環(huán)梁、斜撐等，并對(duì)地下水進(jìn)行降水控制。工程采用分層開挖方案，同時(shí)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(xì)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(chǎng)邊界條件設(shè)置見表1。

表1 基坑開挖滲流邊界 m

同時(shí)，為模擬地下水的補(bǔ)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(shí)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(hào)見圖3。

3 支撐軸力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

土體開挖過程中，對(duì)支撐軸力進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，計(jì)算值與對(duì)比值情況見圖4，從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料與實(shí)際計(jì)算值對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，兩者吻合較好，從而說明本次計(jì)算分析模型合理，計(jì)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(jì)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?yàn)殡S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(duì)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(dān)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(dá)到3 625 kN。因此，停止降水后及拆撐過程中應(yīng)加強(qiáng)軸力監(jiān)測(cè)。

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(jìn)行第二層土體開挖時(shí)支撐軸力大幅增加。在后續(xù)的開挖過程中，軸力變化相對(duì)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(shí)，由于第四道支撐所承擔(dān)的水土壓力轉(zhuǎn)移至第二道支撐使其達(dá)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(jìn)行第三層土體開挖時(shí)支撐軸力大幅增加。在后續(xù)的開挖過程中，軸力變化相對(duì)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(shí)，由于第四道支撐所承擔(dān)的水土壓力轉(zhuǎn)移至第三道支撐使其達(dá)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(jìn)行第四層土體開挖時(shí)支撐軸力大幅增加。在后續(xù)的開挖過程中，軸力變化相對(duì)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(shí)，由于第五道支撐所承擔(dān)的水土壓力轉(zhuǎn)移至第四道支撐使其達(dá)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(jìn)行第五層土體開挖時(shí)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(shí)，由于第六道支撐所承擔(dān)的水土壓力轉(zhuǎn)移至第五道支撐使其達(dá)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(shí)間間隔相對(duì)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(jì)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(jì)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(jì)，以確保基坑支護(hù)體系的安全。

沿豎向各道支撐的軸力對(duì)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(diǎn)處連續(xù)墻相對(duì)位移，從另一個(gè)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(duì)臨江工作井基坑的全過程進(jìn)行模擬，取其中的軸力進(jìn)行分析研究，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值表明，該計(jì)算模型準(zhǔn)確可靠，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本一致。支撐軸力的全過程施工模擬計(jì)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(jì)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(jì)不宜考慮地下水位降低的有利作用，按最不利水位進(jìn)行支撐軸力的設(shè)計(jì)，以確保基坑支護(hù)體系的安全。同時(shí)豎向支撐軸力對(duì)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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