代 昂 （武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430015）

0 前言

武漢市大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程主隧2#豎井原設(shè)計(jì)位置位于園林路與沙湖港交叉處東側(cè)100m，因原井位于現(xiàn)狀道路上，無法施工，現(xiàn)擬將井位向大里程方向移動(dòng)。根據(jù)補(bǔ)勘結(jié)果，新井位下部存在18m厚淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，該土層強(qiáng)度低，設(shè)計(jì)擬在被動(dòng)區(qū)對(duì)該土層進(jìn)行加固處理以保證豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)安全。同時(shí)，豎井圍巖范圍內(nèi)存在多層物理力學(xué)性質(zhì)差異較大的復(fù)雜巖土分布，因此，為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的有效性，通過建立三維彈塑性有限元模型進(jìn)行豎井開挖施工過程的模擬計(jì)算，可全面分析復(fù)雜巖土條件下豎井圍巖的力學(xué)行為，以便更好地指導(dǎo)豎井開挖安全施工[1-6]。

1 模型建立及參數(shù)確定

模擬使用大型巖土有限元分析軟件Midas-GTS進(jìn)行，圖1(a)是2#豎井?dāng)M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(gòu)成右手坐標(biāo)系，計(jì)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(qū)外側(cè)，開挖區(qū)直徑12m。

根據(jù)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(zhì)粉質(zhì)黏土、（3-3a）粉質(zhì)黏土、（15a-1）強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)細(xì)粉砂巖、（15a-2）中風(fēng)化泥質(zhì)細(xì)粉砂巖、（15a-1）強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)細(xì)粉砂巖，（15a-2）中風(fēng)化泥質(zhì)細(xì)粉砂巖，圖中用不同顏色顯示上述土層，因（3-3）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土強(qiáng)度較低，土層較厚，方案擬在被動(dòng)區(qū)對(duì)此土層進(jìn)行加固處理，各巖土層的相關(guān)彈塑性力學(xué)計(jì)算參數(shù)見表1，分析中采用的計(jì)算參數(shù)主要根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙文件、初勘報(bào)告、相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范。取對(duì)稱剖面模型，豎井土體、樁和環(huán)梁相互作用模型示意見圖1（b）。

模型中用實(shí)體單元模擬彈塑性土體，從上到下用梁單元模擬環(huán)梁結(jié)構(gòu)，用板單元模擬環(huán)向分布樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，共計(jì)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(xù)墻進(jìn)行計(jì)算?？紤]模型的復(fù)雜性，模型使用以六面體為主的混合網(wǎng)格劃分，模型由101877個(gè)實(shí)體單元、3680個(gè)板單元，640個(gè)梁單元，共59439個(gè)節(jié)點(diǎn)，106197個(gè)單元構(gòu)成。巖土體的彈塑性采用經(jīng)典的Mohr-Coulomb本構(gòu)。為精確模擬豎井周圍圍巖力學(xué)行為，這部分實(shí)體單元尺寸取1m，同時(shí)為控制模型求解規(guī)模，邊界部位巖土體實(shí)體單元尺寸控制在5m范圍內(nèi)。

圖1 大東湖主隧2#豎井開挖三維有限元模型

2 相關(guān)計(jì)算工況

整個(gè)開挖過程的具體計(jì)算工況如下：

①加固軟土層，在巖土體自重作用下，初始地應(yīng)力分布，位移計(jì)算結(jié)果清零；

②施工地下連續(xù)墻，在基坑外側(cè)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(jié)構(gòu)起作用，共8道；

計(jì)算參數(shù) 表1

④開挖至設(shè)計(jì)基底標(biāo)高12.773m。

3 豎井開挖施工過程模擬

3.1 初始地應(yīng)力

圖2 初始地應(yīng)力

圖3 等效塑性應(yīng)變

如圖2，豎向初始地應(yīng)力沿豎向連續(xù)變化，在第8層土頂部位置(標(biāo)高 -21m)，豎向地應(yīng)力值達(dá)-0.843MPa。

3.2 巖土體等效塑性應(yīng)變

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

分析表明，在完成被動(dòng)區(qū)加固和地連墻施工后，塑性區(qū)范圍和等效塑性應(yīng)變大小沒有明顯的變化，塑性區(qū)主要分布于圓形豎井邊緣松動(dòng)區(qū)。開挖施工過程中，最大等效塑性應(yīng)變0.1245發(fā)生在支撐6起作用工況，出現(xiàn)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(qiáng)度較高，基本未出現(xiàn)塑性區(qū)。開挖施工全過程中，塑性區(qū)主要分布于圓形豎井邊緣松動(dòng)區(qū)并呈片狀，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)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(xù)板，圖4所示為相應(yīng)施工工況樁體每延米等效彎矩分布云圖，圖中標(biāo)出了各工況樁體最大等效彎矩。相關(guān)結(jié)果列于表2。圖5所示為相應(yīng)施工工況樁體每延米等效剪力分布云圖，圖中標(biāo)出了各工況樁體最大等效剪力。相關(guān)結(jié)果列于表2。

圖4 樁等效彎矩

圖5 樁等效剪力

3.4 環(huán)梁軸力

單樁最大彎矩、剪力及軸力 表2

圖6所示為相應(yīng)施工工況環(huán)梁支撐截面軸力分布云圖，圖中標(biāo)出了各工況各環(huán)梁支撐截面軸力大小。相關(guān)結(jié)果列于表2。

圖6 環(huán)梁軸力分布

從表2可以看出，相應(yīng)環(huán)梁產(chǎn)生最大軸力的工況有延后現(xiàn)象，這也反映了各道環(huán)梁組成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)按剛度分配側(cè)向主動(dòng)土壓力的過程。

3.5 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形及坑底隆起變形

如圖7，開挖至設(shè)計(jì)基坑底標(biāo)高時(shí)，樁頂最大水平側(cè)移30.83mm，基本滿足基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求。如圖8，開挖至設(shè)計(jì)基坑底標(biāo)高時(shí)，基坑底隆起變形值約49.2mm。

圖7 樁頂水平側(cè)移

圖8 坑底隆起變形

4 結(jié)論

分析結(jié)果表明，開挖施工過程中，豎井支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)單樁最大彎矩1753.51kN·m，最大剪力97.56kN，其中第8道環(huán)梁承受的軸力最大，最大軸力2125.77kN。開挖至設(shè)計(jì)基坑底標(biāo)高時(shí)，基坑底隆起變形值約49.2mm；樁頂最大水平側(cè)移30.83mm，基本滿足基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求。開挖施工過程中，最大等效塑性應(yīng)變0.1245發(fā)生在支撐6起作用的工況，出現(xiàn)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(qiáng)度較高，基本未出現(xiàn)塑性區(qū)。開挖施工全過程中，塑性區(qū)主要分布于圓形豎井邊緣松動(dòng)區(qū)并呈片狀，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的阻擋，未形成連通的破壞滑面，因此，從豎井圍巖整體力學(xué)行為變化規(guī)律來看，在對(duì)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層進(jìn)行被動(dòng)區(qū)加固后豎井開挖施工過程相對(duì)安全。