復雜巖土條件下豎井圍巖力學行為數值分析

代 昂 （武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430015）

0 前言

武漢市大東湖核心區污水傳輸系統工程主隧2#豎井原設計位置位于園林路與沙湖港交叉處東側100m，因原井位于現狀道路上，無法施工，現擬將井位向大里程方向移動。根據補勘結果，新井位下部存在18m厚淤泥質粉質黏土層，該土層強度低，設計擬在被動區對該土層進行加固處理以保證豎井支護結構安全。同時，豎井圍巖范圍內存在多層物理力學性質差異較大的復雜巖土分布，因此，為驗證設計方案的有效性，通過建立三維彈塑性有限元模型進行豎井開挖施工過程的模擬計算，可全面分析復雜巖土條件下豎井圍巖的力學行為，以便更好地指導豎井開挖安全施工[1-6]。

1 模型建立及參數確定

模擬使用大型巖土有限元分析軟件Midas-GTS進行，圖1(a)是2#豎井擬開挖土體三維彈塑性有限元模型，圖中選取水平地表為xy平面，z軸鉛直向上，x、y和z軸構成右手坐標系，計算模型尺寸大小為128×128×100m。圖中綠色箭頭顯示的是施工過程附加超載，附加超載等效均布荷載值為30kPa，作用于基坑開挖區外側，開挖區直徑12m。

根據地勘資料，巖土體地層共分成8層，土層從上而下依次為：（1-1）雜填土、（3-1）黏土、（3-3）淤泥質粉質黏土、（3-3a）粉質黏土、（15a-1）強風化泥質細粉砂巖、（15a-2）中風化泥質細粉砂巖、（15a-1）強風化泥質細粉砂巖，（15a-2）中風化泥質細粉砂巖，圖中用不同顏色顯示上述土層，因（3-3）淤泥質粉質黏土強度較低，土層較厚，方案擬在被動區對此土層進行加固處理，各巖土層的相關彈塑性力學計算參數見表1，分析中采用的計算參數主要根據設計圖紙文件、初勘報告、相關設計規范。取對稱剖面模型，豎井土體、樁和環梁相互作用模型示意見圖1（b）。

模型中用實體單元模擬彈塑性土體，從上到下用梁單元模擬環梁結構，用板單元模擬環向分布樁支護結構，共計24根1.6m直徑樁，按剛度等效的原則簡化為1.2943m厚地下連續墻進行計算。考慮模型的復雜性，模型使用以六面體為主的混合網格劃分，模型由101877個實體單元、3680個板單元，640個梁單元，共59439個節點，106197個單元構成。巖土體的彈塑性采用經典的Mohr-Coulomb本構。為精確模擬豎井周圍圍巖力學行為，這部分實體單元尺寸取1m，同時為控制模型求解規模，邊界部位巖土體實體單元尺寸控制在5m范圍內。

圖1 大東湖主隧2#豎井開挖三維有限元模型

2 相關計算工況

整個開挖過程的具體計算工況如下：

①加固軟土層，在巖土體自重作用下，初始地應力分布，位移計算結果清零；

②施工地下連續墻，在基坑外側施加施工附加超載30kPa；

③開挖至每1道支撐下1m，則該道支撐結構起作用，共8道；

計算參數 表1

④開挖至設計基底標高12.773m。

3 豎井開挖施工過程模擬

3.1 初始地應力

圖2 初始地應力

圖3 等效塑性應變

如圖2，豎向初始地應力沿豎向連續變化，在第8層土頂部位置(標高 -21m)，豎向地應力值達-0.843MPa。

3.2 巖土體等效塑性應變

由于模型的對稱性，取如圖3所示剖面實體，考察開挖過程中巖土體等效塑性應變分布變化情況，以便了解巖土體塑性破壞集中區和可能的破壞滑移面，更好地指導豎井開挖安全施工。

分析表明，在完成被動區加固和地連墻施工后，塑性區范圍和等效塑性應變大小沒有明顯的變化，塑性區主要分布于圓形豎井邊緣松動區。開挖施工過程中，最大等效塑性應變0.1245發生在支撐6起作用工況，出現在圓形豎井邊緣第2、3土層交界部位。由于下部幾層巖土體強度較高，基本未出現塑性區。開挖施工全過程中，塑性區主要分布于圓形豎井邊緣松動區并呈片狀，由于支護結構的阻擋，未形成連通的破壞滑面，豎井開挖施工過程安全。

3.3 樁體等效彎矩及剪力

如前所述，按剛度等效原則將樁體等效為連續板，圖4所示為相應施工工況樁體每延米等效彎矩分布云圖，圖中標出了各工況樁體最大等效彎矩。相關結果列于表2。圖5所示為相應施工工況樁體每延米等效剪力分布云圖，圖中標出了各工況樁體最大等效剪力。相關結果列于表2。

圖4 樁等效彎矩

圖5 樁等效剪力

3.4 環梁軸力

單樁最大彎矩、剪力及軸力 表2

圖6所示為相應施工工況環梁支撐截面軸力分布云圖，圖中標出了各工況各環梁支撐截面軸力大小。相關結果列于表2。

圖6 環梁軸力分布

從表2可以看出，相應環梁產生最大軸力的工況有延后現象，這也反映了各道環梁組成的結構系統按剛度分配側向主動土壓力的過程。

3.5 支護結構最大側向變形及坑底隆起變形

如圖7，開挖至設計基坑底標高時，樁頂最大水平側移30.83mm，基本滿足基坑支護結構水平變形控制標準要求。如圖8，開挖至設計基坑底標高時，基坑底隆起變形值約49.2mm。

圖7 樁頂水平側移

圖8 坑底隆起變形

4 結論

分析結果表明，開挖施工過程中，豎井支護結構系統單樁最大彎矩1753.51kN·m，最大剪力97.56kN，其中第8道環梁承受的軸力最大，最大軸力2125.77kN。開挖至設計基坑底標高時，基坑底隆起變形值約49.2mm；樁頂最大水平側移30.83mm，基本滿足基坑支護結構水平變形控制標準要求。開挖施工過程中，最大等效塑性應變0.1245發生在支撐6起作用的工況，出現在圓形豎井邊緣第2、3土層交界部位。由于下部幾層巖土體強度較高，基本未出現塑性區。開挖施工全過程中，塑性區主要分布于圓形豎井邊緣松動區并呈片狀，由于支護結構的阻擋，未形成連通的破壞滑面，因此，從豎井圍巖整體力學行為變化規律來看，在對淤泥質粉質黏土層進行被動區加固后豎井開挖施工過程相對安全。