丁艷輝 楊進(jìn)新 錢曉翔

摘要：北京市南水北調(diào)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(shí)，基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需兼顧自身的結(jié)構(gòu)安全和對既有輸水隧洞的結(jié)構(gòu)安全以及檢修條件的影響。采用通用的結(jié)構(gòu)分析軟件SAP84（V6）和有限元軟件MIDAS對結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行了計(jì)算，著重分析了擬建基坑開挖前后地層變形特點(diǎn)和輸水隧洞的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。計(jì)算結(jié)果顯示隧洞結(jié)構(gòu)開裂寬度超過規(guī)范允許值，分析認(rèn)為樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)不適用于臨近基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：輸水隧洞：深基坑;有限元;樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu);裂縫

中圖分類號：TV672;TU476+.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

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

中線南水北調(diào)配套團(tuán)城湖至九廠管道輸水工程（簡稱為團(tuán)九工程）是“三廠一線”之中的“一線工程”，是北京市南水北調(diào)配套工程的重要組成部分。在團(tuán)九工程輸水隧洞北側(cè)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(hù)形式是團(tuán)九工程輸水隧洞結(jié)構(gòu)安全的重要保證，通過2D有限元計(jì)算，分析基坑開挖后地層以及輸水隧洞的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，論證了樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性和擬建工程的可行性。

1 工程概況

1.1 團(tuán)九工程

團(tuán)九工程盾構(gòu)段輸水隧洞采用圓形斷面，內(nèi)徑4 700 mm，外徑6 000 mm;一襯為C50預(yù)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(qiáng)度等級為C30.抗?jié)B等級為Wl0;輸水隧洞洞頂覆土約13 m。團(tuán)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(nèi)的地層從上往下依次為粉質(zhì)黏土（厚5m左右）、中細(xì)砂（厚1～5 m）、圓礫（厚11 m）、粉質(zhì)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(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C25，直徑900 mm，間距1 100mm，錨桿直徑150 mm。施工順序?yàn)椋喝斯ね诳字ёo(hù)樁→第一道錨桿→開挖第一層土并施工支護(hù)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(hù)樁樁間擋土板。

擬建車庫位于團(tuán)九工程輸水隧洞北側(cè)，對應(yīng)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(tuán)九工程輸水隧洞結(jié)構(gòu)外底高程約為30.7 m，對應(yīng)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(jié)構(gòu)側(cè)墻與基坑開挖邊線間距1.2 m。

2 有限元計(jì)算

擬建工程基坑開挖會(huì)導(dǎo)致隧洞側(cè)向土壓力減小，隧洞結(jié)構(gòu)在上部覆土荷載作用下產(chǎn)生附加內(nèi)力和變形，需驗(yàn)算襯砌結(jié)構(gòu)裂縫開展寬度。基坑開挖后輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力由兩部分組成：基坑開挖前的結(jié)構(gòu)內(nèi)力（設(shè)計(jì)荷載作用下的內(nèi)力）和基坑開挖引起的內(nèi)力增量。輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)力采用通用的結(jié)構(gòu)分析軟件SAP84（V6）進(jìn)行計(jì)算，基坑開挖引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力增量采用有限元軟件MIDAS進(jìn)行模擬。

2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)力計(jì)算

設(shè)計(jì)內(nèi)力計(jì)算的主要荷載有覆土壓力、內(nèi)水壓力、外水壓力和側(cè)向土壓力，采用SAP84程序計(jì)算，計(jì)算荷載見圖2。

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

由于內(nèi)水壓力作用下襯砌結(jié)構(gòu)有開裂和滲漏的風(fēng)險(xiǎn)，基坑開挖減小了側(cè)向土壓力，從而使得二襯的開裂風(fēng)險(xiǎn)加大，因此結(jié)構(gòu)控制工況為工況3，即正常運(yùn)行工況。

正常運(yùn)行工況下，二襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表2（對應(yīng)的控制斷面1～5見圖3）。

2.2 有限元計(jì)算結(jié)果

采用有限元軟件MIDAS對擬建地下車庫的開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬?；臃?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(yùn)行工況，壓力水頭為20 m。

計(jì)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(shí)體單元模擬，計(jì)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(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)材料模型為彈性模型。材料參數(shù)見表3。

基坑開挖至設(shè)計(jì)坑底時(shí)地層的變形、輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)變形和輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力有限元計(jì)算結(jié)果分別見圖5～圖7。

3 計(jì)算結(jié)果分析

（1）周圍地層及基坑支護(hù)樁?；娱_挖引起地應(yīng)力釋放，基坑周圍地層變形特點(diǎn)為：基坑開挖底面向上隆起，基坑頂部土層水平位移為負(fù)值，符合實(shí)際受力特點(diǎn)[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(hù)樁下部及周圍土層?；娱_槽上口邊緣豎向位移為20.24mm，水平位移為-10.89 mm。左側(cè)支護(hù)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(fā)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(jìn)行模擬，開挖后輸水隧洞的內(nèi)力顯著增大，隧洞變成非對稱結(jié)構(gòu)?；娱_挖后二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)力增量計(jì)算結(jié)果見表4。

（3）結(jié)構(gòu)裂縫開展寬度驗(yàn)算。隧洞二襯內(nèi)力由設(shè)計(jì)內(nèi)力和附加應(yīng)力引起的內(nèi)力增量兩部分組成。根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191-2008）[2]式（7.2.2）計(jì)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(nèi)外層對稱配筋）。

既有隧洞結(jié)構(gòu)有限裂要求，最大允許裂縫寬度為0.25 mm.因計(jì)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(jì)算結(jié)果可以看出，二襯結(jié)構(gòu)最大開裂寬度為0.272 mm，大于允許裂縫寬度，不滿足規(guī)范要求。擬建地下車庫設(shè)計(jì)方案不可行。

4 運(yùn)行期及施工期分析

樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)空效應(yīng)顯著[3-5]，一般用作臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，運(yùn)行期間樁體和錨桿將持續(xù)變形。車庫結(jié)構(gòu)側(cè)墻與擋土樁間距1.2 m，回填土很難壓實(shí)。當(dāng)臨時(shí)支擋結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞或者位移過大時(shí)，輸水隧洞必然發(fā)生附加變形，影響輸水隧洞的安全。此外，支護(hù)結(jié)構(gòu)深入到輸水隧洞結(jié)構(gòu)上方，錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)影響輸水隧洞檢修。

樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中一般要進(jìn)行施工降水處理[5].施工降水可能引起團(tuán)九工程輸水隧洞周圍土體發(fā)生滲透破壞，從而威脅輸水隧洞的結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)論

對南水北調(diào)團(tuán)九一期工程臨近基坑開挖過程進(jìn)行了2D有限元計(jì)算，分析結(jié)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(yīng)力和變形均較大，輸水隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的裂縫開裂寬度超過控制指標(biāo)。

（2）樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)一般用作臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，運(yùn)行期間樁體和錨桿將持續(xù)變形。當(dāng)臨時(shí)支擋結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞或者位移過大時(shí)，輸水隧洞必然發(fā)生附加變形，存在安全問題。

（3）樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中一般要進(jìn)行施工降水處理，施工降水可能導(dǎo)致團(tuán)九工程輸水隧洞周圍土體發(fā)生滲透破壞，從而威脅輸水隧洞的結(jié)構(gòu)安全。

（4）支護(hù)結(jié)構(gòu)深入到輸水隧洞結(jié)構(gòu)上方，錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)影響輸水隧洞檢修。擬建地下車庫設(shè)計(jì)方案不可行。

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