天津海河隧道岸壁保護有限元分析

王艷寧，史慶春，袁有為，邱長林

（1.天津市市政工程設(shè)計研究院 濱海分院，天津 300051；2.天津大學(xué)，天津 300072）

1 概述

中央大道海河隧道工程位于天津市濱海新區(qū)于家堡中心商務(wù)區(qū)和東西沽地區(qū)，是溝通濱海新區(qū)中心商業(yè)商務(wù)區(qū)海河南北兩岸的重要通道。工程建設(shè)主要內(nèi)容包括南、北岸壁保護、南岸干塢、基槽浚挖、管段制作、沉放、對接；隧道支護、主體結(jié)構(gòu)；津沽公路立交橋、道路工程等主要土建部分。

在岸邊段結(jié)構(gòu)施工尤其是近岸基槽浚挖時，勢必對原兩岸建筑物造成影響。設(shè)計采用地下墻構(gòu)筑的格構(gòu)式重力擋土墻作為施工期間沿岸建筑物的保護結(jié)構(gòu)，稱為岸壁保護結(jié)構(gòu)。格構(gòu)式擋墻根據(jù)基槽挖深墻深度也相應(yīng)變化。其中海河北側(cè)挖深8.5～24.0 m，采用 23.2～31.8 m、31.8～43.6 m、43.6～54.5 m深地下墻構(gòu)筑的格構(gòu)式擋墻結(jié)構(gòu)。為增加格構(gòu)式擋墻的整體剛度，在格構(gòu)式重力墻內(nèi)基槽浚挖面上、下3～5 m范圍內(nèi)采用旋噴樁進行加固，且在格構(gòu)內(nèi)、地面下3 m處設(shè)置一塊厚1 m的鋼筋混凝土板。為了保證隧道工程的順利實施，必須對岸壁保護結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定安全性分析。

2 計算模型

本文在確定了有地下連續(xù)墻時基坑開挖的三維非線性彈性有限元分析方法的基礎(chǔ)上，在Abaqus平臺上實現(xiàn)了Duncan－Chang本構(gòu)模型及基坑開挖反應(yīng)分析方法。

基坑的開挖范圍為深度12.4 m，平面約為250 m×240 m。在模型中，為了減小邊界條件選取對計算結(jié)果的影響，高程范圍為2.5～－100 m，岸上部分范圍取為320 m×600 m。河道寬度為250 m，河底標(biāo)高為－7.5 m，計算水位為2.5 m。

地基土體為三維4節(jié)點四面體實體單元，攪拌樁重力式擋墻也為三維4節(jié)點四面體實體單元。水泥土攪拌樁止水帷幕、岸壁保護結(jié)構(gòu)中的格構(gòu)和鋼管樁區(qū)域簡化殼單元，和地基土之間固結(jié)，即相互之間不能相互移動。劃分的單元如圖1所示。

圖1 基坑土體和岸壁保護結(jié)構(gòu)橫型

邊界條件為：底部為三個方向固結(jié)，無法變形；四周水平方向固結(jié)，但豎向自由，即只可以產(chǎn)生豎向變形。

模擬的開挖過程包括干塢的開挖、暗埋段的開挖和河道的開挖三個部分。

3 計算步驟

（1）施加地基重力、岸上邊載（20 kPa），模擬地應(yīng)力；

（2）水泥土攪拌樁止水帷幕、岸壁保護地下連續(xù)墻和鋼管樁施工，施加河流中的靜水壓力，同時基坑開挖到底標(biāo)高為－1.70 m；

（3）基坑開挖到底標(biāo)高為－5.80 m；

（4）基坑開挖到底標(biāo)高為－9.90 m；

（5）基坑內(nèi)暗埋段開挖至－22.8 m；

（6）河道開挖至-22 m。

開挖完成以后，地基的模型如圖2所示。

圖2 開挖完成后的地基模型

水泥土攪拌樁為線彈性模型，E=120 MPa，μ=0.3，厚度為1.2 m。岸壁保護結(jié)構(gòu)中的格構(gòu)墻為線彈性模型，E=2.1×104 MPa，μ=0.25，厚度為 2 m。鋼管樁為線彈性模型，E=2.1×104 MPa，μ=0.25，厚度為1 m。

土體為Duncan-Chang模型，其參數(shù)如表1所列。水泥土攪拌樁重力式擋土墻及岸壁保護結(jié)構(gòu)中的加固土體為線彈性模型，E=120 MPa，μ=0.3。

表1 土體的計算參數(shù)表

4 計算結(jié)果

4.1 岸壁保護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力

河道開挖后的應(yīng)力分布如圖3所示。圖3的結(jié)果表明，岸壁保護結(jié)構(gòu)在荷載作用下主要受拉應(yīng)力，僅在岸壁保護的底部有少部分的壓應(yīng)力，而且壓應(yīng)力的值比較小，最大值在10 MPa以下，因此可以認為岸壁保護結(jié)構(gòu)的變形基本上為拉伸變形。

圖3結(jié)果還表明，在平行河道方向的岸壁保護結(jié)構(gòu)中，最大的拉應(yīng)力約為30 MPa，位于岸壁保護的中間部分。由于岸壁保護內(nèi)土體加固區(qū)位置簡化為該位置，因此可以認為最大拉應(yīng)力位置在加固區(qū)位置附近。

圖3 應(yīng)力等值線圖

4.2 格構(gòu)岸壁保護結(jié)構(gòu)變形特性

4.2.1 水平向變形

河道開挖后岸壁保護結(jié)構(gòu)的水平向變形等值線如圖4所示，矢量如圖5所示。從圖4a.中可以看出，在干塢開挖和河道開挖的雙重作用下，岸壁保護結(jié)構(gòu)向干塢方向產(chǎn)生位移。這主要的原因是干塢的開挖范圍大于河道的開挖范圍，而且干塢的開挖范圍為一個近似的四邊形，長度和寬度基本相同，而河道的開挖橫斷面和岸壁保護結(jié)構(gòu)相平行，因此河道側(cè)的抵抗變形的剛度要遠大于干塢側(cè)的剛度，這導(dǎo)致了岸壁保護結(jié)構(gòu)向干塢方向變形；另一方面，由于干塢抽水，干塢內(nèi)的水壓力小于河中的水壓力，使岸壁保護結(jié)構(gòu)在河一側(cè)受到了向干塢方向的水平向水壓力，這也導(dǎo)致岸壁保護結(jié)構(gòu)向干塢內(nèi)產(chǎn)生變形。

b.沿河道方向位移圖4 岸壁保護結(jié)構(gòu)的水平向位移等值線圖

圖5 岸壁保護結(jié)構(gòu)的水平向位移矢量圖

從圖4a.還可以看出，岸壁保護結(jié)構(gòu)垂直河道方向的變形是上部大、下部小，即越上部向基坑內(nèi)的變形越大，50余米高的岸壁保護結(jié)構(gòu)的最大變形量為6.4 cm，彎曲度比較小，而且由于格構(gòu)岸壁保護結(jié)構(gòu)的剛度非常大，其垂直河道方向的變形沿深度變化基本上為線性關(guān)系，如圖6所示。

圖6 岸壁保護結(jié)構(gòu)垂直河道變形沿高程變化圖

圖4b.表明，岸壁保護結(jié)構(gòu)干塢側(cè)在沿河道方向的位移是向兩側(cè)分開的，僅在底部有一定的相向位移，而河道側(cè)在沿河道方向的位移是向中間移動的。這是因為岸壁保護結(jié)構(gòu)變形是由于岸壁保護結(jié)構(gòu)向干塢內(nèi)變形，而且中間變形大、兩側(cè)變形小，導(dǎo)致了岸壁保護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的繞豎向的轉(zhuǎn)動。圖5矢量圖也說明了該現(xiàn)象。

4.2.2 豎向變形

岸壁保護結(jié)構(gòu)的豎向變形如圖7所示。圖7表明，岸壁保護結(jié)構(gòu)在干塢側(cè)為沉降，而在河側(cè)為彈起變形，即該結(jié)構(gòu)向干塢方向傾斜。這和岸壁保護結(jié)構(gòu)的水平向變形趨勢是一致的。

4.3 河道開挖對變形影響

基坑和暗埋段開挖后，岸壁保護結(jié)構(gòu)的水平向位移如圖8所示。從圖8a.中可以看出，干塢開挖后，岸壁保護結(jié)構(gòu)向干塢方向產(chǎn)生位移，且岸壁保護結(jié)構(gòu)垂直河道方向的變形是上部大、下部小，即越上部向干塢內(nèi)的變形越大。

圖7 岸壁保護結(jié)構(gòu)的豎向變形等直線圖

b.沿河道方向位移圖8岸壁保護結(jié)構(gòu)的水平向位移等值線圖

通過對比圖8和圖4可以發(fā)現(xiàn)，由于河道的開挖，導(dǎo)致了岸壁保護結(jié)構(gòu)變形更加傾斜，即開挖完河道后，岸壁保護結(jié)構(gòu)上部朝干塢內(nèi)的變形增大，而底部朝干塢內(nèi)部的變形減小。這主要的原因是開挖基坑后，岸壁保護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性主要依靠河道側(cè)地基土體的穩(wěn)定性提供的，開挖河道后，這一部分土體被開挖移走，導(dǎo)致岸壁保護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低，傾斜程度加大，如圖9所示。因此，在河道開挖時應(yīng)注意岸壁保護結(jié)構(gòu)的安全性。

4.4 格構(gòu)岸壁保護結(jié)構(gòu)附近的破壞區(qū)

由于Duncan-Chang模型為非線性彈性模型，其無法通過塑性區(qū)來辨別其破壞區(qū)域。但是該模型中有一參數(shù)為應(yīng)力比，該參數(shù)的意義為剪應(yīng)力和抗剪強度之比，因此可以通過該參數(shù)近似判斷土體的破壞區(qū)域。在此可以認為當(dāng)應(yīng)力水平達到0.95以上時，土體剪切破壞。

圖9 岸壁保護結(jié)構(gòu)垂直河道變形比較圖

圖10為應(yīng)力水平等值線圖域。從圖10可以看出，破壞區(qū)域集中在河道開挖的底部靠近岸壁保護結(jié)構(gòu)的地基區(qū)域，而在其它區(qū)域，特別是岸壁保護結(jié)構(gòu)的干塢側(cè)地基土體破壞區(qū)域比較小。圖形說明，對于格構(gòu)岸壁保護結(jié)構(gòu)來說，地基中并未出現(xiàn)一塊完全貫通的破壞區(qū)，即岸壁保護結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生失穩(wěn)的整體滑動，這表明，格構(gòu)岸壁保護結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性是有保證的。

圖10 應(yīng)力水平等值線圖

5 結(jié)論

該項研究對格構(gòu)岸壁保護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行了基坑開挖的三維非線性彈性有限元分析。通過計算分析得到如下結(jié)論：

（1）海河隧道岸壁保護結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)力為拉應(yīng)力，在與河道平行岸壁保護結(jié)構(gòu)面上的最大拉應(yīng)力可為30 MPa以上，壓應(yīng)力在10 MPa以下。說明岸壁保護結(jié)構(gòu)主要為拉伸變形。

（2）岸壁保護結(jié)構(gòu)的位移方向沿河道方向為以互相分開為主，底部有一定的相向位移；在垂直河道方向為向基坑側(cè)變形，且頂部的位移量要大于底部的位移量，位移差為6.4 cm；豎向位移為靠河側(cè)彈起，靠干塢側(cè)沉降?？傮w變形為向干塢傾斜。

（3）河道的開挖導(dǎo)致岸壁保護結(jié)構(gòu)更加傾斜，即頂部向干塢的位移加大，底部向干塢的位移減小。因此，河道的開挖將使岸壁保護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差。

（4）計算得到地基中的應(yīng)力水平結(jié)果表明，對于格構(gòu)岸壁保護結(jié)構(gòu)來說，地基中并未出現(xiàn)一塊完全貫通的破壞區(qū)，即岸壁保護結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生失穩(wěn)的整體滑動。這表明，格構(gòu)岸壁保護結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性是有保證的。

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