輸氣干線工程珠江穿越豎井?dāng)?shù)值模擬分析

段凱，廖亞新

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010)

1 工程概況

某輸氣干線工程，管道總長(zhǎng)365.96 km，分兩次穿越珠江，第一次穿越珠江水道到江心洲，第二次穿越珠江主航道，穿越總長(zhǎng)度為2.7 km。盾構(gòu)隧道二次穿越珠江的始末分別設(shè)置始發(fā)井和接收井，即1#~4#豎井，1#豎井位于珠江北岸，2#豎井和3#豎井均處于江心洲中，4#豎井位于珠江南岸。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

2.1 場(chǎng)地條件

珠江穿越場(chǎng)地原始地貌為河流及沖積平原，兩岸與江心洲地勢(shì)平坦。北岸地面標(biāo)高3.0~3.5 m；南岸和江心洲地面標(biāo)高1.4~1.8 m。

2.2 工程地質(zhì)

根據(jù)場(chǎng)地巖土工程勘察報(bào)告，場(chǎng)區(qū)地層自上而下可劃分為10層，1#~4#豎井各鉆孔揭露的地層情況不盡相同，以1#豎井為例，其巖（土）層分布如下：耕填土厚2.36 m，粉質(zhì)黏土厚2.03 m，淤泥厚6.13 m，缺少粉砂、中粗砂、礫砂層，砂礫質(zhì)黏性土厚9.85 m，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖厚7.62 m，中風(fēng)化花崗巖厚4.13 m，微風(fēng)化花崗巖厚度大于20 m。

2.3 水文地質(zhì)

珠江南北兩岸地下水埋深為0.6~0.8 m，江心洲的地下水埋深為1.2~1.3 m。地下水主要賦存在第四系覆蓋層中的砂土之中，其類型主要為潛水和上層滯水。兩岸及江心洲河床中地下水主要接受江水的垂直滲入補(bǔ)給。地下水主要來源于大氣降水，具有就地補(bǔ)給和就地排泄的特點(diǎn)。

3 豎井設(shè)計(jì)要點(diǎn)

豎井采用圓形地下連續(xù)墻內(nèi)加環(huán)向水平內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)形式，按盾構(gòu)施工及設(shè)備安裝要求，1#、4#豎井內(nèi)徑為12.1 m，環(huán)板厚度0.6~0.75 m，豎井深度分別為31.8 m和28.5 m；2#、3#豎井內(nèi)徑為9.3 m，環(huán)板厚度0.6 m，豎井深度分別為31.6 m和28.9 m。在地下連續(xù)墻頂設(shè)置鎖口梁，地下連續(xù)墻豎向鋼筋插入鎖口梁內(nèi)，以增加豎井結(jié)構(gòu)的整體性。地下連續(xù)墻施工完成后，豎井內(nèi)襯采用逆作法施工[1]，由上至下逐層開挖土體，并逐層澆筑鋼筋混凝土內(nèi)襯作為豎井結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)[2-3]。

4 豎井?dāng)?shù)值計(jì)算

為了確保輸氣干線工程珠江穿越1#~4#豎井結(jié)構(gòu)既經(jīng)濟(jì)合理又安全可靠，采用了3種方法進(jìn)行對(duì)比計(jì)算：（1）方法1為彈性地基梁計(jì)算方法；（2）方法2為平面有限元計(jì)算方法；（3）方法3為空間三維有限元計(jì)算方法。

各計(jì)算方法的計(jì)算模型、計(jì)算過程、計(jì)算結(jié)果如下。

4.1 彈性地基梁計(jì)算方法

4.1.1 計(jì)算模型

豎井結(jié)構(gòu)中地下連續(xù)墻按豎向彈性地基梁法計(jì)算，取單位寬度地下連續(xù)墻作為計(jì)算單元，圓形鋼筋混凝土內(nèi)支撐作為彈性支撐，彈性支撐的剛度是通過比較單位荷載下圓形鋼筋混凝土內(nèi)支撐和鋼筋混凝土矩形梁的變形一致性推導(dǎo)出來的，計(jì)算中考慮了支撐點(diǎn)的位移、施工荷載步對(duì)地下連續(xù)墻內(nèi)力和變形的影響。

4.1.2 計(jì)算過程

計(jì)算過程主要根據(jù)豎井施工開挖步驟和運(yùn)行過程的最不利荷載組合確定，以1#豎井為例，首先是施工鋼筋混凝土帽梁，然后是分層開挖，每開挖一層后施工一道內(nèi)襯，共有11個(gè)施工步驟，包括1道帽梁和9道內(nèi)襯，以及最后封底成功，澆筑鋼筋混凝土底板。

4.1.3 計(jì)算結(jié)果

圖1是1#豎井計(jì)算結(jié)果，反映了豎井在施工過程中及完工后，地下連續(xù)墻各部位承受的彎矩、剪力的最大值和內(nèi)支撐提供的支反力的最大值。由于是將圓形地下連續(xù)墻和內(nèi)襯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為平面計(jì)算，圓形結(jié)構(gòu)將外側(cè)水平荷載轉(zhuǎn)換為環(huán)向內(nèi)力的優(yōu)勢(shì)在本模型中體現(xiàn)不出來，此計(jì)算應(yīng)當(dāng)是偏于保守的。豎井地下連續(xù)墻的最大剪力分別為-455 kN和662 kN，最大彎矩分別為-1 129 kN·m和553 kN·m，內(nèi)支撐承受的最大支反力為877.7 kN/m，位于第8道內(nèi)襯。

4.2 平面有限元計(jì)算方法

4.2.1 計(jì)算模型

對(duì)豎井結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行平面有限元分析，取單位長(zhǎng)度的地下連續(xù)墻作為計(jì)算梁?jiǎn)卧h(huán)形內(nèi)支撐作用轉(zhuǎn)換為水平內(nèi)支撐，通過施工步模擬基坑開挖、澆筑內(nèi)支撐、封底全過程，計(jì)算模型見圖2。

4.2.2 計(jì)算過程

同樣以1#豎井為例，根據(jù)豎井開挖、澆筑內(nèi)支撐和封底的施工步序，計(jì)算中共考慮11個(gè)荷載步，前10步為分層開挖、澆筑內(nèi)支撐，第11步為開挖、澆筑封底混凝土。

圖1 1#豎井地下連續(xù)墻內(nèi)力包絡(luò)圖

圖2 平面有限元計(jì)算模型

4.2.3 計(jì)算結(jié)果

圖3是1#豎井第11荷載步地下連續(xù)墻的內(nèi)力，根據(jù)所有荷載步地下連續(xù)墻的內(nèi)力結(jié)果反映，地下連續(xù)墻的縱向最大剪力為-478.7 kN，縱向最大彎矩為-632.7 kN·m，均出現(xiàn)在第11荷載步，位于底板上方。

4.3 空間三維有限元計(jì)算方法

4.3.1 計(jì)算模型

在空間三維有限元模型中，施工步的實(shí)施是通過對(duì)模型單元的“生”“死”控制來實(shí)現(xiàn)的[4]，但對(duì)于大型模型來說施工步十分復(fù)雜，所以本工程僅對(duì)豎井的最后一個(gè)荷載步，即開挖并澆筑底板后，按空間三維有限元模型進(jìn)行豎井結(jié)構(gòu)受力分析。分析計(jì)算前，按照J(rèn)GJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》要求計(jì)算其水、土壓力[5]，并將其作為初始面荷載作用在地下連續(xù)墻的外側(cè)，1#豎井的三維模型見圖4，整個(gè)計(jì)算模型共建有182 806個(gè)單元，48 017個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型中未考慮地下連續(xù)墻槽段間接縫，地下連續(xù)墻與鋼筋混凝土內(nèi)支撐間的接觸考慮為整體共同受力。

4.3.2 計(jì)算結(jié)果

1#豎井地下連續(xù)墻內(nèi)力見表1，可以分析出地下連續(xù)墻其控制彎矩為My，最大值為-455.93 kN·m，位于底板上方；控制剪力應(yīng)為Fx和Fy的矢量和，最大值為598.4 kN，位置處于第8道內(nèi)支撐附近；第8道內(nèi)支撐的控制彎矩為-882.83 kN·m，軸力為446.41 kN。

三維有限元模型較彈性地基梁、平面有限元模型可以更加真實(shí)地反映復(fù)雜結(jié)構(gòu)受力，直觀表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)受力變形情況，易于發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的薄弱點(diǎn)，豎井下部地下連續(xù)墻供盾構(gòu)穿越的水平孔洞第一主應(yīng)力見圖5，最大第一主應(yīng)力為1.07×107Pa。

圖3 第11荷載步地下連續(xù)墻的內(nèi)力

5 豎井計(jì)算結(jié)果比較分析

5.1 地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力比較分析

根據(jù)上述3種方法對(duì)于1#豎井的計(jì)算，彈性地基梁方法地下連續(xù)墻承受的最大彎矩為-1 129 kN·m，平面有限元方法最大彎矩為-632.7 kN·m，空間三維有限元方法的最大彎矩為-455.93 kN·m。彎矩值出現(xiàn)如此差異的原因主要有兩點(diǎn)：

1）對(duì)于圓形地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，空間方法與平面方法最大的不同是，空間方法可以考慮圓形的環(huán)箍效應(yīng)，將水平荷載轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)向的軸力，而平面方法卻將水平荷載轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q向彎矩，故空間方法計(jì)算出的彎矩較小，只有方法1的40%和方法2的72%。

2）對(duì)于平面計(jì)算，有限元方法與彈性地基梁方法最大的不同是內(nèi)支撐的假定不一樣，在平面有限元方法中內(nèi)支撐假設(shè)為一根對(duì)撐梁，而彈性地基梁方法內(nèi)支撐僅假設(shè)為一支點(diǎn)，支撐的內(nèi)力和變形對(duì)地下連續(xù)墻的內(nèi)力有著較大的影響。

圖4 空間三維有限元計(jì)算模型

表1 1#豎井地下連續(xù)墻內(nèi)力表

圖5 地下連續(xù)墻供盾構(gòu)穿越的水平孔洞處第一主應(yīng)力

5.2 內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力比較分析

彈性地基梁方法計(jì)算出的內(nèi)支撐承受的最大支反力為877.7 kN/m，利用常規(guī)設(shè)計(jì)方法可以得到內(nèi)支撐的設(shè)計(jì)彎矩2 176.44 kN·m和設(shè)計(jì)軸力3 532.83 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空間三維有限元方法計(jì)算出的設(shè)計(jì)內(nèi)力。主要原因是三維有限元方法體現(xiàn)圓形地下連續(xù)墻與內(nèi)支撐的共同承擔(dān)荷載能力，而彈性地基梁方法人為將地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐分成兩個(gè)結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)語

對(duì)于豎井結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算，空間三維有限元模型與實(shí)際更加接近，更能體現(xiàn)圓形地下連續(xù)墻與內(nèi)支撐的變形協(xié)調(diào)和共同承擔(dān)荷載能力，較平面有限元及彈性地基梁方法節(jié)省投資，但由于三維有限元單元本構(gòu)模型參數(shù)的確定以及施工步驟的模擬比較復(fù)雜，還有待于大量工程實(shí)例和試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，在工程中通常是采用彈性地基梁方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，空間三維有限元計(jì)算分析作為優(yōu)化參考。