輸氣干線工程珠江穿越豎井數值模擬分析

段凱，廖亞新

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，武漢 430010)

1 工程概況

某輸氣干線工程，管道總長365.96 km，分兩次穿越珠江，第一次穿越珠江水道到江心洲，第二次穿越珠江主航道，穿越總長度為2.7 km。盾構隧道二次穿越珠江的始末分別設置始發井和接收井，即1#~4#豎井，1#豎井位于珠江北岸，2#豎井和3#豎井均處于江心洲中，4#豎井位于珠江南岸。

2 工程地質與水文地質條件

2.1 場地條件

珠江穿越場地原始地貌為河流及沖積平原，兩岸與江心洲地勢平坦。北岸地面標高3.0~3.5 m；南岸和江心洲地面標高1.4~1.8 m。

2.2 工程地質

根據場地巖土工程勘察報告，場區地層自上而下可劃分為10層，1#~4#豎井各鉆孔揭露的地層情況不盡相同，以1#豎井為例，其巖（土）層分布如下：耕填土厚2.36 m，粉質黏土厚2.03 m，淤泥厚6.13 m，缺少粉砂、中粗砂、礫砂層，砂礫質黏性土厚9.85 m，強風化花崗巖厚7.62 m，中風化花崗巖厚4.13 m，微風化花崗巖厚度大于20 m。

2.3 水文地質

珠江南北兩岸地下水埋深為0.6~0.8 m，江心洲的地下水埋深為1.2~1.3 m。地下水主要賦存在第四系覆蓋層中的砂土之中，其類型主要為潛水和上層滯水。兩岸及江心洲河床中地下水主要接受江水的垂直滲入補給。地下水主要來源于大氣降水，具有就地補給和就地排泄的特點。

3 豎井設計要點

豎井采用圓形地下連續墻內加環向水平內襯的結構形式，按盾構施工及設備安裝要求，1#、4#豎井內徑為12.1 m，環板厚度0.6~0.75 m，豎井深度分別為31.8 m和28.5 m；2#、3#豎井內徑為9.3 m，環板厚度0.6 m，豎井深度分別為31.6 m和28.9 m。在地下連續墻頂設置鎖口梁，地下連續墻豎向鋼筋插入鎖口梁內，以增加豎井結構的整體性。地下連續墻施工完成后，豎井內襯采用逆作法施工[1]，由上至下逐層開挖土體，并逐層澆筑鋼筋混凝土內襯作為豎井結構的支撐系統[2-3]。

4 豎井數值計算

為了確保輸氣干線工程珠江穿越1#~4#豎井結構既經濟合理又安全可靠，采用了3種方法進行對比計算：（1）方法1為彈性地基梁計算方法；（2）方法2為平面有限元計算方法；（3）方法3為空間三維有限元計算方法。

各計算方法的計算模型、計算過程、計算結果如下。

4.1 彈性地基梁計算方法

4.1.1 計算模型

豎井結構中地下連續墻按豎向彈性地基梁法計算，取單位寬度地下連續墻作為計算單元，圓形鋼筋混凝土內支撐作為彈性支撐，彈性支撐的剛度是通過比較單位荷載下圓形鋼筋混凝土內支撐和鋼筋混凝土矩形梁的變形一致性推導出來的，計算中考慮了支撐點的位移、施工荷載步對地下連續墻內力和變形的影響。

4.1.2 計算過程

計算過程主要根據豎井施工開挖步驟和運行過程的最不利荷載組合確定，以1#豎井為例，首先是施工鋼筋混凝土帽梁，然后是分層開挖，每開挖一層后施工一道內襯，共有11個施工步驟，包括1道帽梁和9道內襯，以及最后封底成功，澆筑鋼筋混凝土底板。

4.1.3 計算結果

圖1是1#豎井計算結果，反映了豎井在施工過程中及完工后，地下連續墻各部位承受的彎矩、剪力的最大值和內支撐提供的支反力的最大值。由于是將圓形地下連續墻和內襯結構轉化為平面計算，圓形結構將外側水平荷載轉換為環向內力的優勢在本模型中體現不出來，此計算應當是偏于保守的。豎井地下連續墻的最大剪力分別為-455 kN和662 kN，最大彎矩分別為-1 129 kN·m和553 kN·m，內支撐承受的最大支反力為877.7 kN/m，位于第8道內襯。

4.2 平面有限元計算方法

4.2.1 計算模型

對豎井結構體系進行平面有限元分析，取單位長度的地下連續墻作為計算梁單元，并將環形內支撐作用轉換為水平內支撐，通過施工步模擬基坑開挖、澆筑內支撐、封底全過程，計算模型見圖2。

4.2.2 計算過程

同樣以1#豎井為例，根據豎井開挖、澆筑內支撐和封底的施工步序，計算中共考慮11個荷載步，前10步為分層開挖、澆筑內支撐，第11步為開挖、澆筑封底混凝土。

圖1 1#豎井地下連續墻內力包絡圖

圖2 平面有限元計算模型

4.2.3 計算結果

圖3是1#豎井第11荷載步地下連續墻的內力，根據所有荷載步地下連續墻的內力結果反映，地下連續墻的縱向最大剪力為-478.7 kN，縱向最大彎矩為-632.7 kN·m，均出現在第11荷載步，位于底板上方。

4.3 空間三維有限元計算方法

4.3.1 計算模型

在空間三維有限元模型中，施工步的實施是通過對模型單元的“生”“死”控制來實現的[4]，但對于大型模型來說施工步十分復雜，所以本工程僅對豎井的最后一個荷載步，即開挖并澆筑底板后，按空間三維有限元模型進行豎井結構受力分析。分析計算前，按照JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》要求計算其水、土壓力[5]，并將其作為初始面荷載作用在地下連續墻的外側，1#豎井的三維模型見圖4，整個計算模型共建有182 806個單元，48 017個節點，模型中未考慮地下連續墻槽段間接縫，地下連續墻與鋼筋混凝土內支撐間的接觸考慮為整體共同受力。

4.3.2 計算結果

1#豎井地下連續墻內力見表1，可以分析出地下連續墻其控制彎矩為My，最大值為-455.93 kN·m，位于底板上方；控制剪力應為Fx和Fy的矢量和，最大值為598.4 kN，位置處于第8道內支撐附近；第8道內支撐的控制彎矩為-882.83 kN·m，軸力為446.41 kN。

三維有限元模型較彈性地基梁、平面有限元模型可以更加真實地反映復雜結構受力，直觀表現出結構受力變形情況，易于發現結構上的薄弱點，豎井下部地下連續墻供盾構穿越的水平孔洞第一主應力見圖5，最大第一主應力為1.07×107Pa。

圖3 第11荷載步地下連續墻的內力

5 豎井計算結果比較分析

5.1 地下連續墻結構內力比較分析

根據上述3種方法對于1#豎井的計算，彈性地基梁方法地下連續墻承受的最大彎矩為-1 129 kN·m，平面有限元方法最大彎矩為-632.7 kN·m，空間三維有限元方法的最大彎矩為-455.93 kN·m。彎矩值出現如此差異的原因主要有兩點：

1）對于圓形地下連續墻結構，空間方法與平面方法最大的不同是，空間方法可以考慮圓形的環箍效應，將水平荷載轉變為環向的軸力，而平面方法卻將水平荷載轉變為豎向彎矩，故空間方法計算出的彎矩較小，只有方法1的40%和方法2的72%。

2）對于平面計算，有限元方法與彈性地基梁方法最大的不同是內支撐的假定不一樣，在平面有限元方法中內支撐假設為一根對撐梁，而彈性地基梁方法內支撐僅假設為一支點，支撐的內力和變形對地下連續墻的內力有著較大的影響。

圖4 空間三維有限元計算模型

表1 1#豎井地下連續墻內力表

圖5 地下連續墻供盾構穿越的水平孔洞處第一主應力

5.2 內支撐結構內力比較分析

彈性地基梁方法計算出的內支撐承受的最大支反力為877.7 kN/m，利用常規設計方法可以得到內支撐的設計彎矩2 176.44 kN·m和設計軸力3 532.83 kN，遠遠大于空間三維有限元方法計算出的設計內力。主要原因是三維有限元方法體現圓形地下連續墻與內支撐的共同承擔荷載能力，而彈性地基梁方法人為將地下連續墻和內支撐分成兩個結構。

6 結語

對于豎井結構數值計算，空間三維有限元模型與實際更加接近，更能體現圓形地下連續墻與內支撐的變形協調和共同承擔荷載能力，較平面有限元及彈性地基梁方法節省投資，但由于三維有限元單元本構模型參數的確定以及施工步驟的模擬比較復雜，還有待于大量工程實例和試驗進行對比驗證，在工程中通常是采用彈性地基梁方法進行設計計算，空間三維有限元計算分析作為優化參考。