基于ANSYS的超深異形沉井取土穩態分析

楊 瀛

廣州市第三市政工程有限公司 廣東 廣州 510000

沉井施工是一種能避免土方大開挖的施工方法，區域限制較小。傳統的矩形或圓形沉井為規則形狀，在土質基本均勻的情況下，采用抓斗挖掘井底中央部分的土，使其形成凹底，一般當凹底比刃腳低1～1.5m時，沉井即可依靠自重下沉，且將刃腳下的土擠向中央凹底，然后再由抓斗繼續取土，重復以上工序下沉至標高。

對于不規則形狀的沉井，無法像矩形或圓形沉井可形成規則凹底，糾偏控制極為困難，一旦開挖順序不當，極易造成沉井傾斜，此時若進行超挖糾偏將導致沉井漂移，因此其開挖取土順序至關重要，本文擬研究不同的開挖取土順序和刃腳切土對異形沉井下造成的影響，進而分析出沉降規律，得到取土經驗數據，供類似工程參考[1]。

1 示例工程概況

以某電力管廊項目為示例工程，其中一個頂管工作井為五邊形異形沉井，平面內徑為12.7m×11.38m×4.52m×12.2m×8.7m，壁厚度為650mm和950mm兩段設計，基坑開挖深度約14.5m，開挖面積181.12㎡。根據地勘揭示，開挖范圍由上而下分別為素填土、可塑狀粉質粘土(稍密狀粉土)、硬塑狀粉質粘土、基坑底位于硬塑狀粉質粘土。

2 異形沉井下沉取土方式

該異形沉井無論在面積還是深度上均屬于超大型沉井，如果按常規方式從中部向四周輻射開挖，在不排水下沉的施工方式下，一是中部大開挖形成的凹底土體缺失較多，土體浸泡后松散滑動形成聯動效應，容易產生沉井部分區域下沉過快導致偏斜，給糾偏控制造成困難；二是周邊土體向中部凹底垮臺滑落形成土層位移，導致周邊地表沉降，隨著下沉深度增加，土壓力上升，將加劇這一過程。

為避免超挖造成周邊土體位移和不合理的開挖順序導致沉井偏移，本文結合現場實際施工情況及施工經驗，擬采取預留核心土分塊開挖的方式，做法如下：

1）先按一定的分塊開挖順序，開挖刃腳沉井內側土體，形成連貫的四周凹底，見圖1所示；

圖1 先開挖外側土體形成下沉凹底

2）待形成的凹底達到一定深度，沉井切土下沉至單次控制高度后，再開挖中部預留核心土區域，見圖2所示，并重復這兩個過程。

為控制單次開挖量及開挖范圍，作為預留核心土分塊開挖方式的指導順序，將沉井內部區域劃分為10個區域，預留核心土面積約40㎡，外側區域單次開挖面積控制在9～12㎡左右[2]。按分塊對稱的方式開挖，擬定的開挖順序為1～10，分為兩種：一種為先開挖角部后開挖邊部，形成下沉前的四邊支撐，見圖3；一種為先開挖邊部再開挖角部，形成下沉前的四角支撐，見圖4。

圖3 先開挖角部后開挖邊部

圖4 先開挖邊部后開挖角部

3 基于ANSYS的沉井取土穩態分析

為研究前述兩種分塊開挖順序在沉井下沉中的偏移情況，對比沉降差優劣，分析對下沉穩態控制的影響，以得到理論依據，本文使用有限元分析工具ANSYS進行模擬。

假定開挖土層為均質土，取沉井一定范圍內的土層以及沉井作為計算對象，沉井計算高度取至首節變截面處。沉井初始狀態為刃腳部分已切入土中，不考慮沉井自身的受力變形情況，即將沉井定義成剛性體，采用生死單元法，控制沉井跨中或角部的土單元的生死來實現不同的挖土施工順序。為真實的模擬土對沉井作用，計算模型中土層底部作豎向位移約束，土層周邊作水平位移約束，井內土體按1㎡劃分[3]。

1）按圖3順序先開挖沉井角部土層，沉井結構主體在水平方向傾斜位移1.2mm，但豎向位移偏差較大，為14.87mm，合并位移為23.90mm，表現為不規則五邊形尖角處發生先行下沉現象。沉井的整體位移和豎向位移見圖5和圖6所示。

圖5 先開挖角部沉井整體位移

圖6 先開挖角部沉井豎向位移

2）按圖4順序先開挖沉井邊部土層，沉井結構主體在水平方向傾斜位移最大1.3mm，豎向位移偏差7.55mm，合并位移為21.93mm，表現為右上部先行下沉現象，但較先開挖角部的下沉量小。沉井的整體位移和豎向位移見圖7和圖8所示。

圖7 先開挖邊部沉井整體位移

圖8 先開挖邊部沉井豎向位移

由上述分析過程可見，第一階段先開挖沉井角部后，角部達到可切土下沉狀態，此時沉井中部土體對沉井結構形成支撐作用，但因其作用線形成的支撐中心與沉井幾何質心并不重合，形成蹺蹺板效應，造成離質心較遠的沉井尖部先行下沉，比先行開挖沉井邊部的穩態較差。因此，綜合考慮到現場施工及地質條件的復雜性，宜選擇先開挖邊部后開挖角部的順序進行開挖取土。

4 超深異形沉井下沉控制

1）開挖

根據前述工藝研究及穩態分析結果，采取“先邊部后角部，預留核心土”的方式，使用SK350伸縮臂挖機分層分塊開挖，單次開挖深度應控制在0.5m～1m左右，防止開挖過深周邊土體涌入，且隨著開挖深度增加，地下水位與土窩底部高差逐漸加大，滲水現象亦不斷加大，開挖深度應相應減少。

2）糾偏

沉井的下沉其速度與測量和高差測量是確保沉井平穩下沉的關鍵之一，是沉井取土下沉順序安排，終沉標高及軸線控制的依據，在下沉過程中，由專業測量員觀測測量。每班必須測量二至三次，在關鍵時必須連續觀測，并進行檢查，每班必須做好測量記錄。

當沉井離設計標高約2m時，對下沉與控土情況應加強觀測，并進行數據分析，以防超沉。當沉井離設計標高1m左右時，稱之為壓密階段下沉，緊密觀察24h，測算下沉趨勢并降慢下沉速度，沉井應逐漸形成擠土下沉的情況，形成中心向四周近似梯度受力情況，使沉井安全下沉到設計標高，達到規范規定允許范圍內。

沉井下沉過程大多是以略微傾斜的形態下沉，但需防止大幅度的傾斜、位移、扭轉等情況，必須加強觀測，及時發現并及時采取措施糾正，當傾斜角度較大時，應采取下沉糾偏而不能采用為糾偏而糾偏的方針。

5 實施效果驗證

示例工程的頂管工作井施工工期約25天，施工中嚴格按施工方案及規范的要求的項目和頻率進行了沉降與位移監測，統計施工期間的累計沉降數據，見圖9所示。

圖9 地面累計沉降曲線

根據監測沉降數據分析，其數值累計變化最大值為13.49mm，遠低于設計控制值30mm，說明基于有限元分析的開挖取土及下沉控制技術在超深異形沉井的下沉施工中取得了良好效果，有效降低了地面沉降，提高了施工效率。

6 結語

通過使用有限元工具分析了分塊開挖和不同開挖順序對超大型異形沉井取土下沉過程的穩態影響，篩選出了先邊部后角部、預留核心土的開挖取土方式，嚴格控制開挖順序和單次開挖量，施工過程中沉降最大值13.49mm，遠低于設計值，達到了預期要求，提高了施工控制精度，保護了周邊建構筑物。在同類型工程的實際施工中，應具體分析異形沉井的結構形式，結合現場情況及周邊環境和地質條件，以控制沉井下沉穩態為目的，制定針對本工程較為合理的施工方法。