蓋挖逆作法在城市隧道中的應(yīng)用

袁有為 ，王艷寧 ，史慶春 ，鄭 剛

（1.天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市 300051；2.天津大學(xué)，天津市 300142）

1 概述

海河隧道位于天津濱海新區(qū)于家堡中心商務(wù)區(qū)，是中央大道穿越海河的一個重要節(jié)點(diǎn)工程。過海河段采用沉管法施工工藝，其余岸邊段采用明挖法施工，岸邊部分隧道最大開挖深度約26.6 m。

考慮到基坑深度及不利的地質(zhì)條件，當(dāng)采用蓋挖逆作法或全逆作法時，必須對軟土中超深開挖造成的回彈對地下結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行分析，預(yù)測蓋挖逆作法施工全過程中地下連續(xù)墻及中間柱的受力與變形，提出控制柱-柱、墻-柱差異回彈的設(shè)計、施工控制方案。

2 三維仿真數(shù)值結(jié)果模擬分析

利用國際通用有限元軟件ABAQUS對天津濱海新區(qū)中央大道海河遂道北段蓋挖逆作工程的降水開挖全過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析計算，模型根據(jù)平面應(yīng)變原理，對局部截面采用三維方法進(jìn)行數(shù)值模擬分析，詳細(xì)分析降水、開挖全過程對結(jié)構(gòu)工作性狀的影響。

2.1 模型建立及邊界條件

根據(jù)平面應(yīng)變原理，取如圖1(a)中陰影部分所示 B1軸和E0軸之間的板帶進(jìn)行三維模擬計算，因其為對稱結(jié)構(gòu)，又取其一半進(jìn)行計算，整個模型共劃分26 061個單元，采用三維孔壓單元模擬。本文模擬步驟按照施工順序共分為27步。其中，前面一些步驟為建立初始條件，包括初始地應(yīng)力，初始靜水壓力，初始接觸條件及約束條件等。后面是與施工步驟一致的降水、開挖等步驟，分析步驟的詳細(xì)情況如表1所列。圖 2和圖3為各開挖步驟的數(shù)值分析模型及網(wǎng)格劃分情況，其中，樁與土之間、地下連續(xù)墻與土之間均設(shè)置了接觸，接觸采用庫侖摩擦模型。

圖1 模型簡化

表1 施工步驟

圖2 開挖前

圖3 開挖后

2.2 計算結(jié)果分析

2.2.1 地連墻頂及樁頂豎向位移

如圖4所示為地連墻頂、邊樁頂和中樁頂?shù)幕貜椫惦S施工工況進(jìn)行的發(fā)生發(fā)展情況。

圖4 地連墻頂、邊樁頂、中樁頂位移曲線

從圖4中可以看出：

總體上來說，地連墻、邊樁及中樁都處于回彈狀態(tài)，地連墻的豎向位移小于樁位移，中樁位移大于邊樁位移，當(dāng)開挖到坑底時，中樁回彈 10.6 mm，邊樁回彈 8.0 mm，地連墻回彈 4.0 mm。

降水會使得地連墻和樁向下位移，但降水直接引起的地連墻和樁向下的位移值很小。圖4中第三步開挖與第四步降水的位移值相差較大，這主要是因為在這兩步之間，施作了頂板，頂板的自重使得地連墻和樁有向下的較大的位移。同理，第五步開挖與第六步降水之間位移差值較大，主要是因為中板的自重加在了地連墻和樁上。雖然降水直接引起的沉降較小，但是降水對土的壓密作用不可忽視，這對減小地連墻與樁柱的回彈是有益的。

施加道路荷載后，雖然地連墻、邊樁、中樁有所下沉，但他們的位移仍表面為回彈，中樁最終位移為 3.2 mm，邊樁為 3.0 mm，地連墻為 0.3 mm。

2.2.2 頂板及中板的彎矩

圖5是第七步開挖完成后以及最終施加完道路荷載后的頂板及中板彎矩。

圖5 地連墻頂、邊樁頂、中樁頂位移曲線

從圖5中可以看出：

（1）總體上來看，頂板的彎矩大于中板的彎矩。

（2）對于頂板，在有柱子部位，上面受拉；在兩根柱子中間的板，下部受拉。開挖完成時，頂板的最大支座彎矩為288 kNm/m，最大跨中彎矩為139 kNm/m，加完道路荷載后，頂板的彎矩變化很大，最大支座彎矩為428 kNm/m，最大跨中彎矩為574 kNm/m。

（3）對于中板，也是在有柱子部位，上面受拉；在兩根柱子中間的板，下部受拉。對于中板，開挖完成時和施工完道路荷載后的彎矩幾乎沒有變化，最大支座彎矩為 111 kNm/m，最大跨中彎矩為106 kNm/m。

2.2.3 頂板及中板的位移

表2為頂板、中板以及坑底回彈的最大值隨著施工進(jìn)行的變化情況。

表2 頂板、中板、坑底回彈值

從表2中可以看出：

（1）頂板回彈值先增大，當(dāng)中板施工時，頂板下沉。隨著開挖的進(jìn)行，頂板回彈值再增大，最終達(dá) 8.1 mm。隨著底板及道路荷載的施加，頂板回彈值逐漸減小，最終減為 0.1 mm。從整體上看，開挖使得頂板回彈值增大，降水使得頂板下沉，但下沉值很小，可以忽略。

（2）中板回彈值隨著開挖的進(jìn)行，一直在增大，當(dāng)?shù)谄卟介_挖完成時，中板回彈達(dá)最大值為6.6 mm。隨著底板和道路荷載的施加，中板最終下沉了 1.4 mm。

（3）坑底的位移是隨著降水開挖過程不斷變化，降水使得坑底下沉，開挖使得坑底回彈。由此可見，降水開挖的過程，對于土體是壓密、回彈、再壓密、再回彈的連續(xù)過程。當(dāng)?shù)谄卟介_挖完成時，坑底回彈值為69.2 mm。

2.2.4 地下連續(xù)墻的變形和彎矩

如圖6所示，分別為地連墻在第三步開挖、第五步開挖和第七步開挖后的水平位移和彎矩。

圖6 地連墻水平位移和彎矩變化曲線

從圖6中可以看出：

（1）地連墻的水平位移隨著開挖的進(jìn)行，不斷增大，深度也不斷增加。當(dāng)?shù)谌介_挖完成后，地連墻位移最大值為28.3 mm，發(fā)生在 11m深度處；當(dāng)?shù)谖宀介_挖完成后，地連墻位移最大值為31.8 mm，發(fā)生在12.6 m深度處；當(dāng)?shù)谄卟介_挖完成后，地連墻的最大位移為33.4 mm，發(fā)生在14.3m深度處。

（2）地連墻的支座負(fù)彎矩發(fā)生在第一道鋼支撐處。隨著開挖的進(jìn)行，由于水平支撐設(shè)置較密，支座負(fù)彎矩和跨中正彎矩的值變化不大，但跨中變矩深度隨開挖的進(jìn)行不斷加深。當(dāng)開挖第三步時，最大支座負(fù)彎矩為228 kNm/m，最大跨中彎矩為766 kNm/m，發(fā)生在深度9 m處；當(dāng)開挖第五步時，最大支座負(fù)彎矩為251 kNm/m，最大跨中彎矩為947 kNm/m，發(fā)生在深度11.2 m處；當(dāng)開挖第七步時，最大支座負(fù)彎矩為219 kNm/m，最大跨中彎矩為958 kNm/m，發(fā)生在深度13.8 m處。

2.2.5 柱軸力

表3為柱子軸力設(shè)計值隨施工進(jìn)行的變化情況。

表3 柱子軸力設(shè)計值（單位：t）

從表3中可以看出：

隨著開挖的進(jìn)行，柱子軸力不斷增大，其中第三步與第四之間，第五步與第六步之間，柱子軸力增加較大，主要是因為第三步之后和第五步之后，結(jié)構(gòu)頂板和中板施作，板自重使得柱子軸力增加較大。另外，隨著開挖的進(jìn)行，柱子回彈會給柱子增加一個附加軸力，這對柱子受力是不利的。

2.2.6 樁身軸力和側(cè)摩阻力

圖7為開挖完成后和施加道路荷載后，樁身軸力變化曲線。從圖7中可以看出，樁的軸力隨深度增加，先受壓，后受拉，最大拉力為2 830 kN，軸力為先減小后增大，樁身上部受正摩阻力的作用，下部受負(fù)摩阻力的作用，樁身受拉壓交界在深度12 m處，當(dāng)?shù)缆泛奢d施加完成后，樁身軸力變?yōu)槿渴軌骸?/p>

3 結(jié)論

圖7 樁身軸力變化曲線

本文利用大型有限元軟件ABAQUS針對海河隧道岸邊段深基坑的開挖進(jìn)行了全過程的模擬分析，揭示了支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開挖、降水等因素影響下的受力及變形情況，對優(yōu)化工程設(shè)計，確保施工安全，節(jié)省工程造價等方面起到了積極的作用，同時也為施工過程中的第三方監(jiān)測提供了最為詳盡的依據(jù)。

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