基礎沉降對鋼型井架承載力及穩定性的影響規律研究

王明俊，王 朋，柯樹煒

（1.廣州市中心區交通項目管理中心，廣東 廣州 510030；2.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；3.東莞理工學院生態環境與建筑工程學院，廣東 東莞 523808）

1 工程概況

如意坊放射線系統工程位于廣州市荔灣區，東起內環路如意坊立交，向西南下穿珠江后與芳村大道相通。隧道總長1 511m，其中岸上段893m，沉管段618m，設計為雙向六車道斷面。鑿井井架是立井施工中的重要裝置，是連接地面和井下的橋梁。井架可用于將井下矸石提升至地面，同時擔負材料設備和施工人員的運輸功能[1]，考慮到井筒施工與生產之間的關系，國內外在進行立井井筒施工時，既可采用專用鑿井井架，也可利用生產井架。本文在介紹鑿井井架支座沉降原因的基礎上，研究井架支座分別在雙支座和單獨支座沉降時桿件內力和天輪平臺位移的變化規律。

2 有限元計算模型的建立

采用SAP2000開展有限元模擬計算，Ⅴ形井架的恒荷載主要是井架自重及懸掛在其上的設備自重。井架是由天輪平臺、主體架、斜桿平臺和基礎等部分組成的空間結構[2]，如圖1所示，最頂層是天輪平臺，用以放置、提升和懸吊天輪，設備荷載通過天輪傳遞給天輪平臺。天輪平臺是由5根梁構成的“日”字形框架結構[3]。

圖1 井架有限元計算模型

3 基礎沉降對井架的影響

基于井架對稱結構，可將基礎沉降分為雙支座沉降和單獨支座沉降2種情形，進而分析井架4個支座沉降量不同時的規律。井架支座是關于2個對稱軸對稱布置，雙支座沉降是對稱的2個支座發生沉降。分析沉降對井架內力和變形的作用，可為井架設計提供參考。

導致建筑物產生不均勻沉降的原因很多，如地基土體不均勻、建筑物結構復雜、地下工程開挖擾動等[4-5]，不同工程中引起地基沉降的原因也千差萬別，主要有以下3個方面[6]。

1）土體性質 土體由固體、液體和氣體等組成，材料占比不同會引起土體性質的差異[7]，考慮到成分的多樣性和不均勻性，很難對其進行準確的數學描述，因此，地基沉降的分析和計算仍是地基基礎工程中的一大難題。

2）施工方法 在凍結法施工過程中，土壤中的水遇冷形成冰，體積膨脹，當冰的體積足夠大時，會推著土壤顆粒移動[8]。井架基礎很容易因凍脹作用力而產生位移，再加上土壤的不均勻性及凍結程度的差異性，地基各處土壤產生的變形不同，進而引起基礎產生不均勻沉降[9-10]。

3）偏心荷載 天輪平臺是日字形布置，承載中心位置和井架中心位置不同，各基礎受到的荷載也有差異。由圖2可看出，井架在主提升側的荷載要顯著高于非主提升側，支座受力的不同也導致沉降差異的出現，因此在進行井架設計時，要提前分析偏心荷載的作用。

圖2 天輪平臺施加給井架主體的荷載（單位：kN）

4 井架沉降方式

相鄰井架基礎如圖3，4所示。井架采用獨立基礎，基礎之間的沉降彼此獨立，互不影響。由于均勻沉降對井架穩定性影響較小，本文重點分析不均勻沉降。

圖3和圖4直觀反映了井架主體和井架支座的結構對稱性，結合對地基變形的相關規定，以下主要研究井架支座分別沉降20，40，60，80，90mm時桿件內力的變化規律和變形特征。

圖3 井架和基礎關系

圖4 井架基礎分布

4.1 雙支座沉降

雙支座沉降情況下，相鄰2個支座同時發生沉降，另外2個支座位置則保持不變，沉降數值如表1所示。

表1 雙支座沉降數值

基礎沉降會導致井架內力重新分布，但不同桿件內力變化規律不盡相同，某些桿件內力方向不變，只是在數值上發生改變，而另外一些桿件受力方向發生變化，如壓力轉為拉力。考慮到井架桿件數量龐大，故只選取部分內力較大且變化幅度較大的桿件展開分析。

4.1.1 對稱軸1

支座C，D基礎沉降時桿件軸力變化趨勢如圖5所示。

圖5 支座C，D基礎沉降桿件軸力變化曲線

對圖5中的桿件軸力進行分析，可將所研究桿件分為2組，第1組為位于非沉降側的桿件142，153，155，另外一組為位于沉降側的桿件263，274，276，均表現出不同的變化規律。當不發生沉降時，結構桿件承受壓力作用，但隨著支座沉降值的增大，桿件軸力大小和方向會發生變化。隨著沉降量增大，沉降側桿263，274和276的軸力逐漸由受壓轉換為受拉，拉力值也越來越大，非沉降側桿142，153和155的軸力方向保持不變，軸力值呈增大趨勢。當沉降量增大時，非沉降側桿件的應力比也不斷增大，當沉降量達到90mm時，已臨近破壞。

4.1.2 對稱軸2

支座B，C基礎沉降時桿件軸力變化曲線如圖6所示。

圖6 支座B，C基礎沉降桿件軸力變化曲線

由圖6可看出，關于對稱軸2對稱的支座B，C沉降時，未出現沉降側和非沉降側桿件分組變化的差別，且沉降量對桿件的軸力影響較小，桿件的應力水平并未明顯提高。

從以上分析可看出，關于對稱軸1對稱的支座沉降引起的桿件軸變化規律和關于對稱軸2對稱的支座沉降引起的桿件軸變化規律完全不同，而引起這種差異的原因是荷載偏心。天輪平臺中心和井筒中心位置并不一致，鑿井設備也非環繞井架中心所布設，這些因素引起偏心荷載的形成。關于對稱軸1對稱的支座C，D沉降側是主提升側，該側的荷載值遠大于另一側，當該側沉降時，天輪平臺上的荷載主要由非沉降側的支座A，B承擔，導致非沉降側井架桿件軸力一直增大；而對于關于對稱軸2對稱的支座B，C，由于其沉降側和非沉降側天輪平臺上荷載差異很小，沉降產生的影響并不顯著。偏心荷載不僅會造成井架支座不均勻沉降，而且會顯著影響井架桿件的內力分布，所以在設計井架時，要避免出現荷載偏心，若無法回避，則要設法對荷載較大一側的地基或支座進行特殊處理。

4.2 單獨支座沉降

單獨支座沉降是指井架的1個支座發生沉降，而另外3個支座位置保持不變。考慮到井架結構和荷載的對稱性，分析支座B，C，D分別發生沉降時的特征（沉降值分別是20，40，60，80，90mm），如表 2 所示。

表2 單獨沉降數值

支座B的沉降影響桿件軸力，隨著沉降量增大，受壓斜桿軸力方向發生改變，由受壓變為受拉，這在兩角柱間長度較大的斜桿上表現尤為明顯。從圖7可看出，隨著支座B沉降量的增大，桿144和桿355的受力狀態由受壓變成受拉，軸力絕對值先減小后增大，而位于另一對角線上的桿311和265的軸力絕對值一直在增大。當支座B沉降量在60mm以下時，桿件受力狀態和正常工作時保持一致，但當沉降量大于60mm后，支座B上的桿件不再支撐井架上的工作荷載，而是承受支座沉降引起的拉力，當沉降量超過某一特定值后，其對角線上的桿件也開始受拉。支座B和D上的桿件應力水平歷經由高到低的變化階段，支座A和C上的桿件應力水平不斷增大，到一定程度后會引起桿件破壞。由此可見，支座沉降會導致井架變形失穩。

圖7 支座B沉降桿件軸力曲線

支座C沉降時，對角線上的桿件應力歷經由高到低的變化階段，但是轉折點不再是60mm，而是80mm，應力水平最高的桿件也不是無支座沉降對角線上的桿件，而是與沉降支座相連的斜桿。

D支座沉降時，其沉降規律和B支座基本相同。

4.3 天輪平臺位移分析

井架支座沉降會引起天輪平臺位置變化，進而引起吊盤隨之移動，可能導致吊盤和井筒的接觸，影響施工。基于對相關規定的分析，吊盤水平方向的移動距離應小于100mm。

天輪平臺中心處x，y方向的位移如圖8，9所示，圖中的數據是天輪平臺中梁和邊梁相交兩點位移的平均值，圖中BC表示的則是支座B，C沉降時的位移。

圖8 天輪平臺中心x方向上的位移

圖9 天輪平臺中心y方向上的位移

從圖8，9中可看出，支座B和支座C單獨沉降時，x，y方向的位移變化規律相同，位移曲線重合，而隨著沉降量的增加，雙支座沉降情況下，吊盤會接觸到井壁。

5 結語

通過分析井架支座沉降原因，研究雙支座沉降和單獨支座沉降時桿件的內力和天輪平臺的位移，并總結其變化規律，得到以下結論。

1）當井架的1個支座發生沉降時，與其連接桿件的軸力將減小，臨近支座桿件的軸力會增大，對角線支座桿件的內力先減小后增大。當發生單獨支座沉降時，距離較近支座會受到較大影響；而當雙支座沉降發生時，主提升側支座沉降對井架穩定性影響較大。

2）單獨支座沉降和雙支座沉降對井架桿件內力的影響顯著不同。單獨支座沉降會提高桿件的應力水平，但留有較大的安全裕度；雙支座沉降發生時，桿件會受到較大影響，尤其是主提升側支座C，D的沉降。

3）井架天輪平臺水平位移受單獨支座沉降的影響較小，而對于雙支座沉降，當沉降量在80mm以上時，天輪平臺水平位移將超過100mm，導致吊盤和井壁接觸，影響鑿井工作正常進行。