小凈距機(jī)械法豎井施工引起周邊地層及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形分析

何順心HE Shun-xin；王亞磊WANG Ya-lei；陳建CHEN Jian（廣州地鐵建設(shè)管理有限公司，廣州 510000；中鐵十五局集團(tuán)城市軌道交通有限公司，廣州 510000；廣州大學(xué)，廣州 510000）

0 引言

近年來(lái)，隨著地下空間施工技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)地下空間的開(kāi)發(fā)利用，產(chǎn)生了諸多的地下建筑形式。其中，豎井作為一種傳統(tǒng)的地下建筑，工程上大型豎井的建造工藝主要是沉井法，但沉井工法在其下沉過(guò)程對(duì)周?chē)馏w造成的較大且不可控的擾動(dòng)破壞[1]。戴根寶[2]以南京長(zhǎng)江第四大橋北錨碇基坑為例，根據(jù)基坑降水過(guò)程中有效應(yīng)力和孔隙水壓力的轉(zhuǎn)化關(guān)系，建立了深基坑降水三維滲流與地面沉降的耦合模型，對(duì)地下水復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)及其地面沉降特征進(jìn)行了模擬。張玉生等人[3-5]采用數(shù)值模擬、理論解析等方法對(duì)沉井井周的土層變形量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。鄧友生等人根據(jù)武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋北錨碇大型圓形沉井結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工程地質(zhì)條件，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用大型有限元計(jì)算程序ADINA 建立了三維計(jì)算模型，對(duì)沉井結(jié)構(gòu)及其周?chē)牡叵逻B續(xù)防護(hù)墻進(jìn)行了有限元分析，分析了沉井在下沉與封底過(guò)程中其結(jié)構(gòu)自身的應(yīng)力分布與變形情況，該計(jì)算模型對(duì)錨碇沉井下沉過(guò)程的沉降控制具有重要參考作用。馮兆祥等采用ABAQUS，潘輝等采用Midas/GTS，朱建民等利用ADINA，Li 等采用Plaxis3D，Lai等采用歐拉-拉格朗日耦合法，Sun 等采用Mohr-Coulomb模型，Wang 等基于離散單元法、采用顆粒流程序進(jìn)行變形預(yù)測(cè)。

隨著工程設(shè)備更新迭代，豎井的機(jī)械法施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)采用不排水開(kāi)挖、沉井整體懸吊下沉、機(jī)械臂搭配銑筒切削地層、井筒預(yù)制裝配式拼裝等新型施工工藝，對(duì)于諸多軟弱或擾動(dòng)易失穩(wěn)的工況具有極強(qiáng)的適應(yīng)性，可以極大程度地減少豎井施工對(duì)周邊地層的影響，同時(shí)縮短工期，節(jié)約成本。在這樣的背景下，本文以廣州某城際地鐵區(qū)間隧道工程的垂直機(jī)械法施工為例，采用有限元軟件建立數(shù)值模型，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析小凈距機(jī)械法豎井掘進(jìn)技術(shù)對(duì)周邊地層的影響，為后續(xù)采取相應(yīng)的控制措施提供技術(shù)支持。

1 工程概況

廣州某城際地鐵區(qū)間隧道工程，長(zhǎng)度約為8600m，包含2 個(gè)盾構(gòu)井及3 個(gè)盾構(gòu)區(qū)間，垂直機(jī)械法豎井位于2#盾構(gòu)井，如圖1。該盾構(gòu)井共有2 個(gè)豎井，圓心間距18m。豎井開(kāi)挖直徑14m，深度27m，內(nèi)徑13m，外徑14m。管片厚度500mm，管片環(huán)寬1.5m，采用C50 預(yù)制混凝土管片，采用1 臺(tái)直徑14.2m 的沉井式豎井掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)。

圖1 垂直機(jī)械法豎井示意圖

由于施工區(qū)域內(nèi)有中風(fēng)化、微風(fēng)化花崗巖，基巖裂隙水發(fā)育、巖石強(qiáng)度高，開(kāi)挖難度大、施工風(fēng)險(xiǎn)高。此外，施工區(qū)域周邊臨近密集房屋建筑群和交通繁忙的市政道路，對(duì)施工控制提出了極高的要求。按照先左后右的順序施工。

2 有限元模型建立

本文利用ABAQUS 建立圓形沉井基礎(chǔ)三維模型。豎井結(jié)構(gòu)按照實(shí)際尺寸建模，模型尺寸取為：96m×78m×50m（長(zhǎng)×寬×高）。

土體模型按照地勘資料分層實(shí)際建模，均采用Mohr-Coulomd 模型，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用線(xiàn)彈性材料模型；模擬過(guò)程中不考慮土體的固結(jié)以及受潮汐而發(fā)生地下水位的變化。土體及材料參數(shù)和見(jiàn)表1 和表2。

表1 土層參數(shù)表

表2 襯砌參數(shù)表

模型網(wǎng)格選用八節(jié)點(diǎn)線(xiàn)性六面體非協(xié)調(diào)單元（C3D8R單元）。共劃分網(wǎng)格12660 個(gè)，模型如圖2 所示。

圖2 數(shù)值模擬模型圖

3 結(jié)果分析

3.1 地層變形分析

開(kāi)挖完成后，地層豎向沉降數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。根據(jù)圖3 可以發(fā)現(xiàn)，地面沉降主要集中在豎井周邊，且表現(xiàn)為隆起，這是由于開(kāi)挖卸荷作用引起的。

圖3 地層豎向沉降模擬結(jié)果圖

圖4 和圖5 分別為Path-1、Path-2 以及Path-3 在開(kāi)挖完成后的豎向變形曲線(xiàn)，根據(jù)曲線(xiàn)可知，地表變形表現(xiàn)為隆起，變形曲線(xiàn)類(lèi)似于高斯分布曲線(xiàn)，且path-2 的隆起值較Path-1 大。

圖4 Path-1 和Path-2 豎向沉降結(jié)果圖

圖5 Path-3 豎向沉降結(jié)果圖

圖6 為Point-1、Point-2 以及Point-3 在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中的豎向變形曲線(xiàn)，根據(jù)曲線(xiàn)可知，左洞開(kāi)挖時(shí)，會(huì)引起右洞周邊的地層變形，在左右洞開(kāi)挖間隔處，存在明顯的變形分界。但最終Point-1 和Point-3 的變形相等，這符合對(duì)稱(chēng)性要求。

圖6 Point-1、Point-2 及Point-3 開(kāi)挖過(guò)程中豎向沉降結(jié)果

3.2 管片受力分析

圖7 為開(kāi)挖完成后，管片應(yīng)力分布云圖，可以發(fā)現(xiàn)，開(kāi)挖完成后，隨著深度增大，管片受力逐漸增大，在管片底部的外側(cè)存在應(yīng)力集中區(qū)域。

圖7 管片mises 應(yīng)力云圖

圖8 為開(kāi)挖完成后Path-4、Path-5 和Path-6 管片mises 應(yīng)力圖，可得越靠近內(nèi)測(cè)，管受力越大；隨著深度增加，管片內(nèi)力逐漸增大，在z=-23m 處，管片內(nèi)力急劇增大。

圖8 Path-4、Path-5 和Path-6 管片mises 應(yīng)力圖

4 結(jié)論

本文以廣州某城際地鐵隧道項(xiàng)目小凈距機(jī)械法豎井為例，采用ABAQUS 建立數(shù)值模型，分析了小凈距機(jī)械法豎井施工引起的地層變形和管片內(nèi)力分布規(guī)律。得到如下結(jié)論：

①地面沉降主要集中在豎井周邊，且由于開(kāi)挖卸荷作用，變形表現(xiàn)為隆起，變形曲線(xiàn)類(lèi)似于高斯分布曲線(xiàn)。

②左洞開(kāi)挖時(shí)，會(huì)引起右洞周邊的地層變形，在左右洞開(kāi)挖間隔處，存在明顯的變形分界。

③隨著深度增大，管片受力逐漸增大，在管片底部的外側(cè)存在應(yīng)力集中區(qū)域，在管片底部外側(cè)，將會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域。