對頂管法施工工作豎井的數(shù)值分析

摘 要：結(jié)合廣州市某電力隧道頂管法施工工作豎井的具體情況，通過三維數(shù)值分析模擬施工過程的變形和實際監(jiān)測結(jié)果的對比，分析產(chǎn)生差異的原因，并為信息化施工提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：豎井；變形監(jiān)測；數(shù)值分析

基坑開挖以前，土體處于穩(wěn)定狀態(tài)，基坑開挖后局部地層大幅度減載引起了地層應(yīng)力狀態(tài)的改變。基坑應(yīng)力狀態(tài)的改變，也就意味著基坑位移的產(chǎn)生，為了使基坑開挖后土體保持原來的穩(wěn)定狀態(tài)，必須對基坑進(jìn)行支護(hù)。為了準(zhǔn)確估計由于基坑開挖引起的土體和支護(hù)系統(tǒng)的變形，一方面依賴于成功地應(yīng)用有限元等現(xiàn)代化的分析計算工具和土體計算參數(shù)的正確性，另一方面依賴于有效的施工監(jiān)測。

1、工程概述

廣州市某輸電工程電纜隧道，隧道拱頂覆蓋厚度5.5m～8.9m，其縱坡設(shè)計不小于3‰。根據(jù)電纜隧道的施工工期安排，利用5個工作井對本電纜隧道進(jìn)行施工。

本文僅對其中一個工作井，4號井進(jìn)行分析。4號井的尺寸為10×10×10m。根據(jù)《廣州地區(qū)建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)定》（GJB02—98），豎井為深基坑工程，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級為一級。

4號井周圍的覆蓋層為殘積土層，透水性差，是相對隔水層；中風(fēng)化帶巖石裂隙不發(fā)育，局部發(fā)育的裂隙也由泥質(zhì)充填，地下水貯存條件較差，富水性不大。

4號井0～3m為殘積層，呈褐紅色、紫紅色、紫灰色、灰白色等，主要由粉質(zhì)粘土組成，局部夾有粉土、粘土。粉質(zhì)粘土主要為可塑，局部為堅硬和硬塑。3～20m為巖石中化帶，主要由泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖組成。

2、FLAC-3D數(shù)值分析

FLAC是可以完成“拉格朗日分析”的“顯式有限差分程序”，它采用的混合離散法來模擬材料的塑性破壞和塑性流動。這種方法比有限元通常采用的“離散集成法”更為準(zhǔn)確、合理。

2.1模型尺寸

豎井的尺寸為10×10×10m，支護(hù)形式采用300厚C30鋼筋混凝土連續(xù)墻，在2.5m處設(shè)置一道300×500的鋼筋混凝土梁作為內(nèi)撐，以提高基坑的整體性。分層開挖每2.5m一層，邊開挖邊支護(hù)。5m處根據(jù)豎井的變形情況，加臨時鋼支撐。考慮到測斜管1、3兩側(cè)的施工堆土和車輛行駛等荷載的影響，在這兩側(cè)離基坑1m處分別加范圍10m×5m，大小50Kpa的均布荷載。根據(jù)水文狀況可知，地下水對4號井基坑影響不大，此處不考慮地下水平的影響。

由于基坑結(jié)構(gòu)的對稱性，建模分析時，只建立1/4模型，即5×5×10m。考慮到基坑的影響范圍，土體模型尺寸20×20×10m。

圖1 基坑平面尺寸及測斜管布置圖 圖2 Flac-3D模型

根據(jù)勘察報告中的土工試驗值和《廣州地區(qū)建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)定》（GJB02—98）中的附錄B，這兩種土的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土的物理力學(xué)參數(shù)

土層層厚（m）天然重度（kN/m3）體積模量（Mpa）剪切模量（Mpa）粘聚力（kpa）內(nèi)摩擦（〇）

狀粉質(zhì)粘土3.0190031.42015

泥質(zhì)粉砂巖1724000.5×1030.3×1031×10335

2.2結(jié)果對比分析

圖3-6分別為 CX1和CX2實際測量和軟件分析的變形圖，限于篇幅原因，不具體列出CX3和CX4的數(shù)據(jù)。從圖中可知：

1、CX1和CX2變形曲線基本一致，但CX1的變形值，特別是在可塑狀粉質(zhì)粘土層，明顯大于CX2的變形值。原因是在施工過程中靠近CX1側(cè)為堆土區(qū)，最高堆土高度有時達(dá)2m，因此CX1側(cè)為基坑變形最大的一側(cè)，實際的測量數(shù)值和軟件分析結(jié)果，也體現(xiàn)了這一現(xiàn)象。所以在施工過程中，一定要嚴(yán)格限制基坑周圍的堆載量。

2、軟件分析表明在各個開挖階段，中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層基本處于彈性階段，而可塑狀粉質(zhì)粘土層從開挖到2.5m深開始，土體就進(jìn)入到了塑性階段。實際測量的結(jié)果，雖然與軟件分析結(jié)果有一定出入，但也基本相符合。

圖3 CX1實際側(cè)移圖 圖4 CX1 FALC-3D側(cè)移圖

圖5 CX2實際側(cè)移圖 圖6 CX2 FALC-3D側(cè)移圖

3、從開挖第一階段結(jié)束，CX1和CX2頂部就達(dá)到了較大的位移，而在后面各個開挖階段，側(cè)移并沒有按找相應(yīng)的比例增大，這也表明鋼筋混凝土剪力墻支護(hù)對限制基坑位移起到了明顯的作用。

4、實際測量最大側(cè)移在CX1的頂部，為25mm；而軟件分析的最大側(cè)移為24mm，在CX1離地面1.5m的位置。一方面是由于模型參數(shù)參數(shù)的選取問題，更重要的是本構(gòu)模型的自身的問題，這尚需進(jìn)一步研究。

3、結(jié)語

本文僅對頂管豎井開挖階段各個階段進(jìn)行對比、分析，可以看出，三維數(shù)值模擬分析與實際監(jiān)測的結(jié)果總體變化基本趨于一致。從變形情況來看，頂管豎井的支護(hù)初步設(shè)計是可行的，通過實際監(jiān)測，充分運(yùn)用了信息化施工，隨時掌握基坑和周圍建筑物的狀態(tài)，對于施工中遇到的問題進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，有效的保證了基坑與周圍建筑物的安全，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。