臨近大型輸水隧洞深基坑開挖有限元計算分析

丁艷輝 楊進新 錢曉翔

摘要：北京市南水北調配套輸水隧洞是北京市重要的輸水管線，臨近隧洞新建基坑時，基坑結構設計需兼顧自身的結構安全和對既有輸水隧洞的結構安全以及檢修條件的影響。采用通用的結構分析軟件SAP84（V6）和有限元軟件MIDAS對結構內力進行了計算，著重分析了擬建基坑開挖前后地層變形特點和輸水隧洞的結構內力。計算結果顯示隧洞結構開裂寬度超過規范允許值，分析認為樁錨支護結構不適用于臨近基坑的支護結構。

關鍵詞：輸水隧洞：深基坑;有限元;樁錨支護結構;裂縫

中圖分類號：TV672;TU476+.9

文獻標志碼：A

doi：10.3 969/j .issn. 1000- 13 79.2019.02.022

中線南水北調配套團城湖至九廠管道輸水工程（簡稱為團九工程）是“三廠一線”之中的“一線工程”，是北京市南水北調配套工程的重要組成部分。在團九工程輸水隧洞北側擬建地下車庫，與其水平間距為7.6～ 10.0 m。擬建車庫采用全埋法施工，基坑開挖深度為15.6 m，采用錨桿加擋土樁的支擋形式。合理選取基坑支護形式是團九工程輸水隧洞結構安全的重要保證，通過2D有限元計算，分析基坑開挖后地層以及輸水隧洞的結構內力，論證了樁錨支護結構的合理性和擬建工程的可行性。

1 工程概況

1.1 團九工程

團九工程盾構段輸水隧洞采用圓形斷面，內徑4 700 mm，外徑6 000 mm;一襯為C50預制管片襯砌，厚300 mm;二襯為鋼筋混凝土襯砌，厚350 mm，二襯混凝土強度等級為C30.抗滲等級為Wl0;輸水隧洞洞頂覆土約13 m。團九工程輸水隧洞橫斷面見圖1。

輸水管線沿線地面以下30 m深度范圍內的地層從上往下依次為粉質黏土（厚5m左右）、中細砂（厚1～5 m）、圓礫（厚11 m）、粉質黏土（厚9m）。

1.2 擬建地下車庫

擬建地下車庫東西長225.4 m，南北寬41.8 m，開挖深度為15.6 m，屬深基坑，采用全埋法施工，基坑安全等級為二級。

擬建車庫采用錨桿加擋土樁的支擋形式。擋土樁混凝土設計強度等級為C25，直徑900 mm，間距1 100mm，錨桿直徑150 mm。施工順序為：人工挖孔支護樁→第一道錨桿→開挖第一層土并施工支護樁樁間擋土板→第一道錨桿錨定混凝土冠梁→第二道錨桿→第二道錨桿鎖定鋼腰梁→開挖第二層土并施工支護樁樁間擋土板。

擬建車庫位于團九工程輸水隧洞北側，對應輸水隧洞樁號范圍為0+668-0+895，二者水平間距為7.6～10.0 m。與擬建車庫相鄰處團九工程輸水隧洞結構外底高程約為30.7 m，對應地面高程48.97～ 49.38 m，地下水位約33.4 m。擬建車庫基坑底面高程為33.9 m，比隧洞頂高程低2.8 m。車庫結構側墻與基坑開挖邊線間距1.2 m。

2 有限元計算

擬建工程基坑開挖會導致隧洞側向土壓力減小，隧洞結構在上部覆土荷載作用下產生附加內力和變形，需驗算襯砌結構裂縫開展寬度。基坑開挖后輸水隧洞襯砌結構內力由兩部分組成：基坑開挖前的結構內力（設計荷載作用下的內力）和基坑開挖引起的內力增量。輸水隧洞襯砌結構設計內力采用通用的結構分析軟件SAP84（V6）進行計算，基坑開挖引起的結構內力增量采用有限元軟件MIDAS進行模擬。

2.1 設計內力計算

設計內力計算的主要荷載有覆土壓力、內水壓力、外水壓力和側向土壓力，采用SAP84程序計算，計算荷載見圖2。

（1）圍巖垂直松動壓力p。因該工程屬于淺埋輸水隧洞，故計算垂直圍巖壓力時考慮涵頂全部土重及地面活荷載，即

由于內水壓力作用下襯砌結構有開裂和滲漏的風險，基坑開挖減小了側向土壓力，從而使得二襯的開裂風險加大，因此結構控制工況為工況3，即正常運行工況。

正常運行工況下，二襯結構設計內力計算結果見表2（對應的控制斷面1～5見圖3）。

2.2 有限元計算結果

采用有限元軟件MIDAS對擬建地下車庫的開挖過程進行數值模擬。基坑分6層開挖，每層開挖深度約2.50 m。依照截面慣性矩相等原則，將擋土樁等效為厚780 mm的混凝土擋土墻。輸水隧洞考慮正常運行工況，壓力水頭為20 m。

計算模型見圖4，其中錨桿采用植入式桁架模擬，隧洞二襯采用梁單元模擬，其他材料均采用實體單元模擬，計算模型范圍長107 m、深41 m。土體采用摩爾一庫侖模型，襯砌結構和支護結構材料模型為彈性模型。材料參數見表3。

基坑開挖至設計坑底時地層的變形、輸水隧洞襯砌結構變形和輸水隧洞襯砌結構內力有限元計算結果分別見圖5～圖7。

3 計算結果分析

（1）周圍地層及基坑支護樁。基坑開挖引起地應力釋放，基坑周圍地層變形特點為：基坑開挖底面向上隆起，基坑頂部土層水平位移為負值，符合實際受力特點[1]。地層最大豎向位移為141.57 mm，位于基坑開挖底面：最大水平位移為28.32 mm，位于支護樁下部及周圍土層。基坑開槽上口邊緣豎向位移為20.24mm，水平位移為-10.89 mm。左側支護樁頂端豎向位移為27.17 mm，水平位移為-6.16 mm。

（2）既有輸水隧洞。既有輸水隧洞受基坑開挖影響，整體發生了豎直向上的豎向位移和指向基坑的水平位移。輸水隧洞二襯最大豎向位移為10.88 mm，最大水平位移為15.23 mm。二襯用梁單元進行模擬，開挖后輸水隧洞的內力顯著增大，隧洞變成非對稱結構。基坑開挖后二襯結構內力增量計算結果見表4。

（3）結構裂縫開展寬度驗算。隧洞二襯內力由設計內力和附加應力引起的內力增量兩部分組成。根據《水工混凝土結構設計規范》（SL191-2008）[2]式（7.2.2）計算二襯的最大裂縫寬度ωmax。二襯斷面配筋面積為3 041 mm，均選配φ22@ 125（內外層對稱配筋）。

既有隧洞結構有限裂要求，最大允許裂縫寬度為0.25 mm.因計算斷面水力梯度均大于20.故最大允許裂縫寬度取0.25 mm。由表4計算結果可以看出，二襯結構最大開裂寬度為0.272 mm，大于允許裂縫寬度，不滿足規范要求。擬建地下車庫設計方案不可行。

4 運行期及施工期分析

樁錨支護結構時空效應顯著[3-5]，一般用作臨時支護結構，運行期間樁體和錨桿將持續變形。車庫結構側墻與擋土樁間距1.2 m，回填土很難壓實。當臨時支擋結構發生破壞或者位移過大時，輸水隧洞必然發生附加變形，影響輸水隧洞的安全。此外，支護結構深入到輸水隧洞結構上方，錨桿支護結構影響輸水隧洞檢修。

樁錨支護結構施工過程中一般要進行施工降水處理[5].施工降水可能引起團九工程輸水隧洞周圍土體發生滲透破壞，從而威脅輸水隧洞的結構安全。

5 結論

對南水北調團九一期工程臨近基坑開挖過程進行了2D有限元計算，分析結論如下。

（1）受擬建工程基坑開挖的影響，既有輸水隧洞的附加應力和變形均較大，輸水隧洞襯砌結構的裂縫開裂寬度超過控制指標。

（2）樁錨支護結構一般用作臨時支護結構，運行期間樁體和錨桿將持續變形。當臨時支擋結構發生破壞或者位移過大時，輸水隧洞必然發生附加變形，存在安全問題。

（3）樁錨支護結構施工過程中一般要進行施工降水處理，施工降水可能導致團九工程輸水隧洞周圍土體發生滲透破壞，從而威脅輸水隧洞的結構安全。

（4）支護結構深入到輸水隧洞結構上方，錨桿支護結構影響輸水隧洞檢修。擬建地下車庫設計方案不可行。

參考文獻：

[1] 韓國棟，深基坑樁錨支護結構的現場試驗研究及數值模擬[D].長春：吉林大學，2012：25-33.

[2] 中華人民共和國水利部，水工混凝土結構設計規范：SL191-2008[M].北京：中國水利水電出版社，2008：68-72.

[3] 胡賀松，深基坑樁錨支護結構穩定性及受力變形特性研究[D].長沙：中南大學，2009：98-111.

[4]李寶平，張玉，李軍，樁錨式支護結構的變形特性研究[J].地下空間與工程學報，2007，3（7）：1291-1294.

[5] 劉文良深基坑支護方案設計與施工：北京國際新聞文化中心深基坑支護[J].巖土工程界，2002（8）：1004-1006.