富水砂層大直徑深豎井開挖穩(wěn)定性有限元分析

周 巾 森, 肖 明 礫, 謝 紅 強(qiáng), 何 江 達(dá), 裴 建 良

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實驗室,四川 成都 610065;2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院,四川 成都 610065)

0 引 言

近些年,隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工程技術(shù)進(jìn)步,水利工程中的豎井不斷向超大尺寸、超大開挖深度、更加復(fù)雜的工程地質(zhì)環(huán)境的方向發(fā)展[1-2]。這對豎井開挖過程中的受力和變形等力學(xué)響應(yīng)的研究提出了更高的要求,研究開挖過程中結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力規(guī)律以及地層變形規(guī)律,對幫助施工設(shè)計和保障施工安全具有重要意義[3]。

在豎井施工的結(jié)構(gòu)和地層穩(wěn)定性計算中,數(shù)值分析是常用的分析方法,已在多處工程中得到應(yīng)用和驗證,可以很好的對施工方案進(jìn)行驗算。孫強(qiáng)等[4]通過ANSYS軟件模擬了軟弱土層中豎井開挖過程,分析了開挖過程中土體的穩(wěn)定性。李孟等[5]運(yùn)用MIDAS有限元軟件模擬盾構(gòu)豎井施工過程,并與實測結(jié)果對比,重點(diǎn)分析了豎井地下連續(xù)墻的水平位移和受力特性。濮奇浩等[6]開展了復(fù)雜支護(hù)體系下某排風(fēng)豎井施工全過程模擬,并評估了施工期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性?？卓频萚7]借助有限元方法對不同支護(hù)措施下豎井開挖進(jìn)行了模擬,結(jié)果表明在軟巖中豎井采用襯砌混凝土作為支護(hù)最佳。曾祥茜等[8]利用FLAC3D有限差分軟件模擬了某臨庫豎井的開挖過程,分析了滲流-應(yīng)力耦合作用和非耦合作用對豎井應(yīng)力變形的不同影響。毛盤等[9]采用自主研發(fā)的有限元程序?qū)δ程厣钬Q井開挖進(jìn)行了仿真分析,得到了豎井的土壓力分布特性。代鑫等[10]運(yùn)用ABAQUS軟件模擬了某水電站雙豎井的施工過程,并分析了開挖過程中豎井結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性和土體的變形規(guī)律。

筆者針對某輸水隧洞盾構(gòu)接收豎井工程,通過MIDAS GTS NX有限元軟件建立了三維有限元模型,模擬了盾構(gòu)接收豎井的施工過程,分析了開挖過程中地下連續(xù)墻、地層應(yīng)力變形規(guī)律,并與實測位移進(jìn)行了對比,評價了該豎井施工的安全性。

1 工程概況

某輸水隧洞的盾構(gòu)接收井主體結(jié)構(gòu)內(nèi)徑為15.40 m,地下連續(xù)墻外徑為21.80 m、內(nèi)徑為18.80 m,開挖深度44.59 m,采用明挖逆作法施工,豎井整體設(shè)計圖見圖1。地下連續(xù)墻等盾構(gòu)接收井主體結(jié)構(gòu)為C35混凝土。為有效隔斷地下水與豎井的聯(lián)通,盾構(gòu)接收井采用高壓旋噴樁(MJS工法)封底,在盾構(gòu)接收井底部形成連續(xù)的固結(jié)體。封底平面范圍超出地下連續(xù)墻外邊線2.00 m,豎向范圍為豎井底面以下10.00 m。MJS工法具有設(shè)備尺寸小,成樁直徑大的特點(diǎn),可以有效節(jié)約施工時間,有利于現(xiàn)場施工組織[11]。盾構(gòu)接收洞口同樣采用高壓旋噴樁加固措施,形成連續(xù)的塊狀固結(jié)體,實現(xiàn)加固止水作用。盾構(gòu)接收洞口加固的高壓旋噴樁樁間完全搭接,不留空隙,加固范圍為長12.00 m、寬17.00 m、深19.00 m。

圖1 豎井整體設(shè)計圖

根據(jù)地質(zhì)勘探資料,盾構(gòu)接收井施工區(qū)域地層從上到下依次分為輕粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)壤土、輕粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)壤土、中細(xì)砂。場地地下水水位高程為81.50 m,地下連續(xù)墻需要承受較大的水土壓力。

2 三維有限元模型

為研究盾構(gòu)接收井開挖引起的結(jié)構(gòu)和地層變形,根據(jù)地勘資料,采用有限元軟件MIDAS GTS NX建立三維有限元模型。模型尺寸選取為長120.00 m、寬120.00 m、深150.00 m,盾構(gòu)接收井三維有限元模型見圖2。地層、混凝土結(jié)構(gòu)均采用8節(jié)點(diǎn)六面體等參單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,模型共劃分出197 123個單元,96 635個節(jié)點(diǎn)。參照盾構(gòu)接收井周圍地質(zhì)條件,對三維有限元模型進(jìn)行了一定的簡化和假設(shè):地層為均勻連續(xù)介質(zhì),模型初始應(yīng)力場僅為自重應(yīng)力場;模型底面采用垂直和水平方向位移固定約束,四個側(cè)面采用水平方向位移固定約束,頂面取為自由邊界[12]。此次有限元分析采用水土分算,地下水位以上采用天然容重,地下水位以下采用浮容重,并在豎井混凝土結(jié)構(gòu)上施加水荷載。

(a)整體模型 (b)盾構(gòu)接收井模型

盾構(gòu)接收井結(jié)構(gòu)、土層等材料均服從線彈性假定。根據(jù)工程地質(zhì)勘察獲取的各土層物理力學(xué)指標(biāo)建議值,主要土體及結(jié)構(gòu)材料力學(xué)參數(shù)見表1。盾構(gòu)接收井地下連續(xù)墻、冠梁、內(nèi)墻等主體結(jié)構(gòu)為C35混凝土,混凝土墊層標(biāo)號為C15。

盾構(gòu)接收井施工主要分為豎井開挖和主體結(jié)構(gòu)施工兩部分。結(jié)合實際工序,盾構(gòu)接收井施工模擬計算步驟如下:①施加初始地應(yīng)力,建立初始地應(yīng)力場,位移清零;②高壓旋噴樁封底施工;③地下連續(xù)墻施工;④高壓旋噴樁端前加固施工;⑤地下連續(xù)墻內(nèi)土體分層開挖,每層開挖深度4 m,共開挖12層;⑥盾構(gòu)接收井內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 地下連續(xù)墻變形及應(yīng)力分析

由于開挖層數(shù)較多,選取開挖至第3、6、9、12層作為典型工況進(jìn)行分析。通過對盾構(gòu)接收井開挖過程的模擬計算,對地下連續(xù)墻非進(jìn)洞側(cè)、左右側(cè)和進(jìn)洞側(cè)的水平位移計算結(jié)果進(jìn)行分析,其中左右側(cè)變形相差不大,按平均變形考慮。主要分析了各開挖工況下地下連續(xù)墻水平位移沿埋深方向的分布規(guī)律,開挖過程中地下連續(xù)墻不同部位的位移隨埋深的變化見圖3,圖中地下連續(xù)墻向豎井內(nèi)側(cè)變形的水平位移值為負(fù),向豎井外側(cè)變形的水平位移值為正。從圖3可以看出,隨著豎井開挖深度的增加,地下連續(xù)墻的變形不斷增加;隨著埋深的增加,地下連續(xù)墻水平位移值逐漸減小,從向豎井內(nèi)側(cè)變形轉(zhuǎn)為向外側(cè)變形,在高壓旋噴樁封底加固上端附近發(fā)生方向改變;向豎井內(nèi)側(cè)最大變形出現(xiàn)在地下連續(xù)墻頂部,向豎井外側(cè)最大變形出現(xiàn)在地下連續(xù)墻底部。從地下連續(xù)墻頂部向底部,非進(jìn)洞側(cè)水平位移逐漸由-2.45 mm變化為0.83 mm,左右側(cè)水平位移逐漸由-2.62 mm變化為0.97 mm,進(jìn)洞側(cè)水平位移逐漸由-2.79 mm變化為1.19 mm。

(a)非進(jìn)洞側(cè)

三個部位的水平位移均在高壓旋噴樁封底加固上端附近發(fā)生方向改變,這主要是因為地下連續(xù)墻和加固土體的模量均遠(yuǎn)大于地層模量,高壓旋噴樁封底加固土體對地下連續(xù)墻形成支點(diǎn)作用。當(dāng)上方的地下連續(xù)墻向內(nèi)側(cè)位移時,下方的地下連續(xù)墻向外位移。地下連續(xù)墻進(jìn)洞側(cè)位移在埋深約44 m處向內(nèi)位移出現(xiàn)驟降,這是端前加固區(qū)對地層的加固效果。

從圖中可以看出,地下連續(xù)墻最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均隨著豎井開挖不斷增大;在開挖結(jié)束時,最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力分別為1.13 MPa和6.09 MPa?；炷量箟簭?qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度,因此主要評價地下連續(xù)墻是否會產(chǎn)生受拉破壞。地下連續(xù)墻材料為C35混凝土,抗拉設(shè)計值為1.57 MPa。在豎井開挖過程中,地下連續(xù)墻最大拉應(yīng)力均未超過C35抗拉強(qiáng)度設(shè)計值,不會發(fā)生拉破壞,圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全。地下連續(xù)墻應(yīng)力極值隨開挖過程的變化見圖4。

(a)最大拉應(yīng)力

在第12層豎井開挖完成后,開挖完成后地下連續(xù)墻拉應(yīng)力云圖見圖5,左圖為地下連續(xù)墻進(jìn)洞側(cè),右圖為地下連續(xù)墻非進(jìn)洞側(cè)。從圖5可以看出,地下連續(xù)墻與高壓旋噴樁封底加固、端前加固接觸的上緣出現(xiàn)拉應(yīng)力;地下連續(xù)墻與端前加固接觸的上部出現(xiàn)橢圓形的拉應(yīng)力分布,最大拉應(yīng)力為1.13 MPa;地下連續(xù)墻與封底加固的上部出現(xiàn)條帶狀的拉應(yīng)力分布,拉應(yīng)力極值為1.10 MPa,出現(xiàn)在地下連續(xù)墻左右兩側(cè)。

圖5 開挖完成后地下連續(xù)墻拉應(yīng)力云圖

3.2 地表沉降分析

盾構(gòu)接收井處豎井開挖會導(dǎo)致周圍土體應(yīng)力場的改變,受土體開挖卸荷作用和地下連續(xù)墻側(cè)限約束作用的聯(lián)合影響,地下連續(xù)墻以及背后一定區(qū)域內(nèi)的土體會產(chǎn)生向上位移,表現(xiàn)為地表隆起。地表隆起隨點(diǎn)位與豎井間距的變化曲線見圖6。

圖6 地表隆起隨點(diǎn)位與豎井間距的變化曲線

地表隆起隨點(diǎn)位與豎井間距的變化曲線見圖6,地表隆起量隨豎井開挖深度的增加而增大?？傮w而言,前6步開挖引起的隆起量更為顯著。地表隆起整體表現(xiàn)為隨點(diǎn)位與豎井間距的增加而減小,最大隆起位置為豎井邊緣,在豎井開挖完成時,隆起達(dá)到最大,約為39.5 mm。這與馬永鋒等[13]研究的豎井開挖地表隆起結(jié)果類似。

3.3 豎井開挖地層變形分析

盾構(gòu)接收井開挖過程中地層豎向位移云圖見圖7。從圖中可以看出,開挖卸荷導(dǎo)致盾構(gòu)接收井周圍土體出現(xiàn)隆起;同時隨著開挖深度的增加,隆起區(qū)域不斷擴(kuò)大,隆起值逐漸增大;最大隆起出現(xiàn)在第12次開挖(即豎井開挖完成)后,量值為41.6 mm,位于MJS加固土體底部。這主要是因為基坑開挖豎向卸荷后,坑底土體向上回彈,圍護(hù)結(jié)構(gòu)在坑底土體帶動下向上位移,并帶動周圍土體一并向上位移。

(a)第3層開挖

4 地下連續(xù)墻水平位移監(jiān)測及分析

根據(jù)盾構(gòu)接收井施工監(jiān)測資料,2021年7月5日—8月7日盾構(gòu)接收井開挖施工完畢。筆者對比了地下連續(xù)墻頂部水平位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果,地下連續(xù)墻頂部水平位移隨時間變化情況見圖8。從圖中可以看出,在豎井開挖過程中,地下連續(xù)墻頂部向內(nèi)的水平位移不斷增大,在開挖后期位移波動明顯;其中,進(jìn)洞側(cè)水平位移最大,左右側(cè)次之,非進(jìn)洞側(cè)最小;數(shù)值模擬結(jié)果呈現(xiàn)逐漸遞增的規(guī)律,前3層開挖的位移遞增速率小于后9層開挖的位移遞增速率。數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測位移在隨開挖過程的變化趨勢上較為吻合,表明筆者分析可以較好模擬盾構(gòu)接收井開挖過程中地下連續(xù)墻的水平位移變化規(guī)律。計算值相較實測值稍小,這主要是數(shù)值模擬中未考慮豎井周邊施工機(jī)具、臨時建筑、堆載等對土體、結(jié)構(gòu)的影響?？傮w而言,地下連續(xù)墻頂部的最大水平位移量值約為3.0～4.5 mm,量值較小,說明豎井在施工過程中的穩(wěn)定性較好。

(a)非進(jìn)洞側(cè)

5 結(jié) 論

筆者運(yùn)用MIDAS軟件模擬了某輸水隧洞盾構(gòu)接收豎井的開挖過程,分析了盾構(gòu)接收井開挖過程中地下連續(xù)墻及地層的應(yīng)力和變形規(guī)律,主要結(jié)論如下:

(1)受土體開挖卸荷作用和地下連續(xù)墻側(cè)限約束作用的聯(lián)合影響,地層變形主要表現(xiàn)為隆起變形,豎井開挖完成后,地表最大隆起為39.5 mm,出現(xiàn)在井口附近,地層最大隆起為41.6 mm,出現(xiàn)在井底地層;

(2)隨著盾構(gòu)接收豎井的開挖,地下連續(xù)墻最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均不斷增大,在開挖結(jié)束時,最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力分別為1.13 MPa和6.09 MPa,其中最大拉應(yīng)力未超過C35混凝土1.57 MPa的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值,不會發(fā)生拉破壞,圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全;

(3)將地下連續(xù)墻頂部水平位移與監(jiān)測位移對比,計算結(jié)果與實測位移在趨勢上較為吻合,計算位移略小于實測位移;地下連續(xù)墻頂部的最大水平位移量值約為3.0～4.5 mm,量值較小,說明地下連續(xù)墻在施工過程中的穩(wěn)定性較好。