沉井施工與鄰近岸坡相互影響數值模擬分析

周 亮，陳華雷，周谷城

(上海市水利工程設計研究院有限公司，上海 200061)

在城鎮建設過程中，基坑工程不斷涌現，傳統理論和計算方法很難準確計算基坑與周邊環境之間的相互影響關系，因此，數值模擬方法廣泛用于基坑環境影響分析中[1- 3]。對于基坑開挖施工對鄰近環境的影響目前已有不少相關研究，但是主要集中在靜荷載下的變形研究，張新東[4]研究了鄰近鐵路深基坑施工對周邊環境的影響規律；詹濤等[5]通過有限元模擬，分析了基坑開挖對臨近運營鐵路的變形影響及鐵路加固方案的可靠性；李明廣等[6]通過三維數值模擬，分析了鐵路荷載對基坑圍護結構變形的影響及基坑開挖對鐵路路基沉降的影響。沉井施工工藝與一般基坑不同[7]，目前國內外對沉井的研究主要集中在結構穩定性、應力控制及施工措施等問題[8- 10]，王廣森[8]研究了圓形沉井結構的井壁強度、刃腳強度及底板強度計算方法；朱曉文等[9]利用有限單元法對北錨地基基礎的受力進行三維仿真分析；孫冬海[10]分析了沉井施工技術及施工要點；麻杰[11]對沉井的施工工藝、下沉控制措施以及糾偏方法等內容進行了詳細研究。目前針對沉井施工對周邊環境影響的研究相對較少[12]，本文以上海臨港產業區重大項目配套給水管線工程中日新河頂管接收井沉井為研究對象，通過建立三維有限元分析模型，分析了在考慮鐵路列車移動荷載情況下沉井施工對鄰近鐵路岸坡的變形影響及相應的邊坡穩定性，并分析了列車荷載對沉井的變形影響，為今后類似工程的設計和施工提供參考。

1 工程概況

上海臨港產業區重大項目配套給水管線工程位于上海臨港產業區，以滿足特斯拉、新晟半導體、積塔半導體和大白魚項目的用水需求為基礎，結合臨港未來發展，統籌考慮供水系統布局，配套敷設DN1000、DN800的給水管線與擴容1#水庫增壓泵站供水規模。

工程管線在穿越日新河(鐵路段)河道時采用頂管工藝，頂管定向鉆進時需在起點與終點各設一處工作槽坑。其中終點處接收井采用沉井，沉井均采用C35鋼筋砼結構，外壁厚800m，封底厚600mm，深度7.8m。沉井外邊線與岸坡坡頂水平凈距約20.0m，岸坡坡頂寬約6.2m，其上為蘆潮港鐵路Z2線、蘆潮港鐵路Z4線，沉井斷面如圖1所示，平面如圖2所示。

2 沉井施工數值模擬

2.1 三維有限元模型建立

采用PLAXIS 3D進行沉井基坑三維數值模擬分析，根據以往類似工程經驗及計算精度的要求，基坑開挖影響寬度可取開挖深度的3～5倍，故有限元模型尺寸定為80m×60m×25m。在土層模擬時，創建了18個鉆孔以模擬現狀場地。模型底部邊界條件采用完全固定，頂部邊界條件自由，各立面邊界條件采用法向固定，即限制其水平方向的位移。對沉井外壁與封底采用板單元模擬，并添加界面單元以模擬板與土的相互作用。在岸坡坡頂采用面荷載模擬鐵軌均布荷載，移動線荷載模擬列車移動荷載。計算模型中共生成1.81萬個單元，2.99萬個節點，計算模型如圖3所示。

圖1 沉井斷面圖

圖2 沉井平面圖

圖3 三維數值模擬計算模型

2.2 模型參數

土體本構模型采用等向硬化彈塑性模型(HS模型)，各土層計算參數根據勘察報告及王衛東等[13]的研究成果，取值見表1。沉井外壁與封底混凝土強度等級均為C35，按經驗考慮剛度折減后，取混凝土彈性模量為26GPa,泊松比取0.20，重度取25KN/m3。參考TB 10002.1—2017《鐵路橋涵設計基本規范》[14]中設計荷載的相關規定，本次模擬中鐵路軌道采用面荷載模擬，取值為5KN/m2；列車荷載采用移動線荷載模擬，一輛列車總移動荷載為80KN/m，采用2×40KN/m的移動線荷載模擬，荷載移動速度為60m/s，加速度0m/s2。模擬時，鐵路Z2線移動方向為Y正方向，鐵路Z4線移動方向為Y反方向，即兩輛列車相向而行。列車移動方向模型尺寸為60m，列車速度60m/s，故模擬時間為1s，兩輛列車在0.5s時相遇。

2.3 模擬步驟

(1)計算工程初始應力場(地下水位取地表下0.5m，河道水位取設計高水位3.70m，施加5KN/m2面荷載)；

(2)對步驟(1)產生位移歸0；

(3)激活沉井外壁板單元及相應界面單元，坑內降水并開挖土體；

(4)激活沉井封底板單元及相應界面單元；

(5)激活移動線荷載，動力時間間隔設置為1s。

表1 HS模型參數表

圖4 岸坡坡頂水平位移曲線

3 計算結果與分析

3.1 沉井施工后岸坡坡頂變形分析

沉井基坑影響范圍內岸坡坡頂共有蘆潮港鐵路Z2線、蘆潮港鐵路Z4線，本次計算模擬了僅有Z2線經過時，基坑開挖對岸坡坡頂變形的影響，以及當Z2線、Z4線同時經過時，基坑開挖對岸坡坡頂變形的影響。為分析基坑開挖后列車移動下岸頂的增量變形，需分別計算基坑開挖后、基坑開挖前列車移動下岸頂變形，兩者差值為沉井基坑開挖帶來的附加影響。本文計算了基坑施工前、基坑施工后單輛列車移動下岸坡坡頂的水平變形、豎直變形，以及基坑施工前、基坑施工后兩輛列車相向移動下岸坡坡頂的水平變形(與岸坡走向垂直方向)、豎直變形，計算成果如圖4—5所示。

由坡頂水平位移曲線可知，在單輛列車移動下，基坑開挖產生的最大附加水平位移約1.434mm；在兩輛列車移動下，基坑開挖產生的最大附加水平位移約1.569mm，方向均指向基坑方向。

由坡頂豎直位移曲線可知，在單輛列車移動下，基坑開挖產生的最大附加豎直位移約1.933mm，方向向下；在兩輛列車移動下，基坑開挖產生的最大附加豎直位移約2.283mm，方向向下。

3.2 沉井施工后岸坡邊坡穩定分析

PLAXIS進行安全系數求解采用的是有限元強度折減法，該分析方法是對土的內摩擦角和粘聚力不斷折減，直至計算模型發生破壞。程序中系數ΣMsf即強度折減系數，表達式如下：

∑Msf=(tanφinput)/(tanφreduced)=cinput/creduced

式中，tanφinput、cinput—表1中輸入的內摩擦角正切值、粘聚力；tanφreduced、creduced—經過折減后的內摩擦角正切值、粘聚力。

系數ΣMsf默認值為0.10，然后ΣMsf在計算中不斷遞增至模型發生破壞，此時對應的ΣMsf即模型的安全系數值。

采用該方法無需對滑動面位置及形狀做假定，也無需進行條分，并且可以考慮土體的非線性彈塑性本構關系，以及變形對應力的影響[15- 16]，計算結果具有較高的準確性。

根據有限元模擬結果，基坑施工前，在無列車、單輛列車荷載、兩輛列車荷載情況下邊坡的位移—安全系數曲線如圖6所示；基坑施工后，在無列車、單輛列車荷載、兩輛列車荷載情況下邊坡的位移—安全系數曲線如圖7所示。

圖5 岸坡坡頂豎直位移曲線

對各種情況下邊坡穩定安全系數進行統計，見表2。

表2 邊坡穩定安全系數表

由數值模擬分析成果可知，沉井基坑施工前后邊坡穩定安全系數變化不大，基本無影響，安全系數在無列車移動時最大，單輛列車荷載時次之，兩輛列車荷載時最小。

3.3 沉井變形分析

以沉井外壁為研究對象，分析列車移動荷載對其變形的影響，在無列車移動、單列車移動、雙列車移動情況下其變形分布如圖8所示。

對各種情況下外壁水平變形數值進行統計，重點分析鄰近岸坡側沉井外壁及遠岸坡側沉井外壁，見表3。

表3 沉井外壁水平變形統計表 單位：mm

注：表中負值表示位移方向背離岸坡側

由數值模擬分析成果可知，在考慮列車移動荷載后，沉井外壁水位位移數值顯著增大，且方向為背離岸坡側。

4 結論

本文結合工程實例，通過三維有限元數值模擬分析方法，研究了考慮移動荷載情況下沉井施工對岸坡變形、邊坡穩定的影響，得出以下結論：

(1)在考慮移動荷載情況下，沉井施工引起的岸坡最大水平位移、豎直位移分別為1.569、2.283mm，均未達到報警值，無需采取加固措施，施工中注意監測即可。

圖7 沉井基坑施工后邊坡位移—安全系數曲線

圖8 沉井外壁水平變形網格圖

(2)沉井施工對邊坡穩定安全影響不大，在各運行工況下，無列車時邊坡穩定安全系數最大，兩輛列車荷載時安全系數最小。列車荷載對邊坡安全有一定影響，與無列車工況相比，單輛列車荷載時安全系數平均下降12.59%，兩輛列車荷載時安全系數平均下降12.84%。

(3)列車荷載對沉井變形有較大影響，加大了沉井外壁的水平位移，與無列車工況相比，單輛列車荷載時水平變形平均增大約158%，兩輛列車荷載時水平變形平均增大約182%。