楊力武，陳風樵，田 良，周 哲，王金鑫

(重慶電力設(shè)計院有限責任公司，重慶 401121)

我國山區(qū)城市眾多，在山區(qū)地形下，城市規(guī)劃區(qū)場地平整時存在較多高挖方及深回填情況。城市暗挖電力隧道常以豎井作為施工及電纜通道[1]，電纜線路經(jīng)過回填區(qū)時，豎井位于深回填土地層的基坑設(shè)計和施工方法尚不完善。

山區(qū)深回填土地層主要以素填土構(gòu)成，填土根據(jù)回填年限的不同呈松散-中密狀，并含有大量碎石及塊石；孔隙率較大，分布不均，無規(guī)律；填土多為透水層，主要受大氣補水影響，雨季存在大量孔隙水。

土壓力基礎(chǔ)理論以朗肯土壓力和庫倫土壓力理論的應(yīng)用較多，適用于邊坡土壓力計算，但電力豎井具有橫截面小、深度大的特點，小截面基坑存在土拱效應(yīng)，豎井圍巖及圍護結(jié)構(gòu)具有顯著的空間受力特性，與二維狀態(tài)下經(jīng)典土壓力理論的差異較大。

因此，提出注漿加固圍護結(jié)構(gòu)方案，運用地層結(jié)構(gòu)法，采用midas GTS NX分別建立二維及三維計算模型，分別對注漿狀態(tài)及非注漿狀態(tài)豎井基坑進行數(shù)值模擬，還原施工過程，分析注漿加固圍護方案影響效果。

1 工程應(yīng)用

110 kV山岳線電纜隧道位于重慶市渝北區(qū)，線路一處區(qū)間所經(jīng)區(qū)域為深回填地層，回填深度最大約50 m，主要以素填土組成，局部含塊石，粒徑差異大，碎石含量超25%。區(qū)間內(nèi)設(shè)置1座電纜豎井，豎井深40 m，基坑截面為邊長8.0 m的正方形，井壁初支為鋼支撐與初噴混凝土(厚300 mm)復(fù)合襯砌。

基坑初期支護方案除支撐結(jié)構(gòu)外，采用超前小導(dǎo)管注漿加固井壁巖土[2-3]，形成井筒圍護結(jié)構(gòu)，注漿加固寬度5.0 m，如圖1所示。

圖1 注漿方案圖

2 有限元模型建立

2.1 土體模型

模型本構(gòu)參數(shù)根據(jù)項目地勘報告提供的巖土物理力學(xué)參數(shù)建議值得到，因雜填土實際離散度大，取值根據(jù)經(jīng)驗進行70%折減。根據(jù)郭炎偉[4]、盛志強[5]的研究成果，注漿加固土在雜填土基礎(chǔ)上土體密度增加10%～15%；土體壓縮模量增加200%～300%；土體黏聚力比原狀土提高30%～50%；土體摩擦角增加10%～15%。主要參數(shù)取值如表1所示。

表1 模型計算參數(shù)

土層采用修正摩爾-庫倫(Modiefed Mohr-Coulomb)本構(gòu)模型，該模型是對摩爾-庫倫模型的改進，由非線性彈性模型和彈塑性模型組合，適合于巖土工程中的堤壩填筑、地基承載力、邊坡穩(wěn)定分析及基坑開挖等巖土行為特性，能較好地解決基坑類工程中開挖卸荷土體回彈等問題，使模擬值更趨于真實。

豎井采用復(fù)合襯砌，初期支護為鋼架支撐+掛網(wǎng)噴射混凝支護體系，在開挖施工完成后施作鋼筋混凝土二襯結(jié)構(gòu)。豎井支護體系中，二襯更多的作用是作為安全儲備及長期蠕變控制，初期支護在施工過程中的重要性占比較大。因此，模型主要模擬初期支護作用下的豎井、圍巖變形狀態(tài)以及支護結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。

根據(jù)王衛(wèi)東等[6]提出的HS-Small模型參數(shù)，基坑2倍深度外土體受影響位移趨近于0，基坑開挖影響寬度取2倍開挖深度，開挖影響深度取1倍開挖深度，并適當放大取整。建立模型尺寸長×寬×高=170 m×170 m×80 m。整體模型外邊(除頂面外)設(shè)置三向位移約束。根據(jù)工程經(jīng)驗，二維基坑不能完整體現(xiàn)三維基坑的空間受力特點，分析結(jié)論存在一定差異，為分析其差異情況，分別建立二維及三維數(shù)值模型進行分析。模型如圖2～圖4所示。

圖2 二維有限元模型

圖3 三維有限元模型

圖4 三維基坑剖視圖

2.2 支護結(jié)構(gòu)模型

掛網(wǎng)初噴C30混凝土采用彈性本構(gòu)，采用2D板單元模擬，考慮初支混凝土變形的工作狀態(tài)，彈性模量按標準值75%折減，即取22.5 GPa。泊松比μ=0.2，混凝土容重與鋼筋網(wǎng)合算，取γ=25 kN/m3。

鋼架支撐結(jié)構(gòu)體系采用彈性本構(gòu)，采用1D梁單元模擬，單元結(jié)構(gòu)采用實體模型，程序自動計算截面模量，容重取γ=78.5 kN/m3。

基坑周邊5 m范圍為注漿加固土，形成井筒結(jié)構(gòu)，其既是基坑邊坡土體，也是圍護結(jié)構(gòu)組成部分，采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)。施工階段模擬時，未注漿加固狀態(tài)下，考慮開挖對圍巖擾動影響，該部分土體為松動圈，彈性模量按0.5折減；注漿加固土為加固圈，采用注漿加固土參數(shù)。

2.3 施工過程模擬

豎井初期支護結(jié)構(gòu)采用逆作法，頂部設(shè)置鎖口盤，護壁倒掛，開挖后及時進行鋼支撐-掛網(wǎng)噴護、循環(huán)開挖-支護工序，循環(huán)開挖深度為1 m，每隔4 m設(shè)置加強內(nèi)支撐。

施工過程模擬分為注漿加固及非注漿加固兩種工況，其中加固工況在開挖施工前完成注漿加固步序。

具體模擬過程步序如下所示。

1)初始地應(yīng)力平衡?！凹せ睢彼型馏w網(wǎng)格及其連接界面、整體邊界條件及施加自重荷載，模擬在自重作用下得初始地應(yīng)力場，并在模擬完成后進行位移清零。

2)施加坑邊地面超載。

3)第n層坑邊土加固。第n層加固圈網(wǎng)格單元屬性變更為加固土；(注：非加固工況不含本步)

4)第n層基坑土開挖，施作鋼支撐-掛網(wǎng)噴護。“鈍化”第n層基坑開挖土體，“激活”第1層支護網(wǎng)格；

5)循環(huán)步驟3)和步驟4)直至坑底。

6)坑底土加固。

3 數(shù)值計算結(jié)果

3.1 地表沉降分析

如圖5所示，基坑開挖后，坑邊沉降曲線呈“勺”形分布。沉降最大處位于坑邊約12 m處，基坑邊較近處土體受支護結(jié)構(gòu)影響，沉降有所收斂，隨著距豎井距離增大，位移逐漸減小并趨于穩(wěn)定，符合基坑沉降基本特性。

圖5 坑邊沉降位移曲線

由圖6和圖7對比分析可知，隨著基坑開挖深度加大，地表沉降呈增加趨勢。

圖6 二維模型坑邊沉降變化

圖7 三維模型坑邊沉降變化

二維模型分析顯示，兩種工況下基坑邊最大沉降值分別為39.4 mm和97.0 mm，均超過30 mm以上，基坑邊施工造成安全影響，主要原因是尚未考慮基坑的空間受力特性。但結(jié)果顯示，經(jīng)注漿加固后，對沉降的控制效果顯著，控制率約59.4%。

三維模型分析綜合考慮尺寸效應(yīng)與空間受力特性，結(jié)果顯示，最大沉降值分別為19.2 mm和17.9 mm，表明空間支護體系能有效控制基坑沉降變形，滿足施工需求。但兩種工況下沉降絕對值呈與二維模型相反規(guī)律。即：加固工況沉降值大于未加固工況，分析原因主要是，在三維模型中，加固后的坑周土體水平兩個方向(X、Y)變形均被約束，由于素填土孔隙率大，在地面超載和自重作用下，填土被進一步壓縮，導(dǎo)致沉降量增加。不過，從沉降絕對增量來看，差異僅為1.3 mm，占比6.77%，相對可控。

3.2 側(cè)壁水平位移

如圖8和圖9所示，基坑開挖成形后，基坑側(cè)壁發(fā)生向臨空面的變形，變形值隨基坑深度增加。

圖8 二維模型側(cè)壁水平位移

圖9 三維模型側(cè)壁水平位移

二維模型分析顯示，兩種工況下坑壁底部最大水平位移分別為51.3 mm和114.0 mm，超過50 mm以上，超出經(jīng)驗值預(yù)期(即經(jīng)驗判斷豎井開挖尺寸應(yīng)保證在二襯與初襯結(jié)構(gòu)間預(yù)留50～100 mm預(yù)留變形量)，變形量較大的主要原因仍是未考慮空間受力特性。不過結(jié)果顯示，經(jīng)注漿加固后，對變形的控制效果顯著，控制率約55%。

三維模型分析綜合考慮尺寸效應(yīng)與空間受力特性，結(jié)果顯示，最大水平位移分別為8.4 mm和22.7 mm，表明空間支護體系能較大程度地控制基坑側(cè)壁變形，控制率約62.99%，側(cè)向位移的控制能極大減輕二襯結(jié)構(gòu)在中長期使用中的土壓力增量，有利于結(jié)構(gòu)安全。

3.3 豎井底部變形分析

如圖10～圖13所示，豎井開挖后基坑底上部土體卸載，導(dǎo)致坑底呈隆起狀態(tài)，變形呈對稱布置。未加固工況坑底變形呈“M”形，與大型基坑變形狀態(tài)類似，加固后坑底變形呈“A”形，且變形量大幅下降。

二維模型分析顯示，兩種工況下坑壁底部最大隆起值分別為111.6 mm和334.5 mm，經(jīng)注漿加固后，對變形的控制率約66.7%。

三維模型分析顯示，兩種工況下坑壁底部最大隆起值分別為49.1 mm和152.8 mm，經(jīng)注漿加固后，對變形的控制率約67.9%。

采用注漿加固法加固后，坑底變形可得到有效控制，通過及時采取封底加固措施，可將坑底變形隆起值保持在可控范圍內(nèi)。

圖10 二維模型未加固位移云圖

圖11 二維模型加固坑底位移云圖

3.4 圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)

如圖14～圖17所示，受支護體系中鋼支撐桁架結(jié)構(gòu)影響，圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)力存在局部突變。

圖12 三維模型未加固位移云圖

圖13 三維模型加固位移云圖

圖14 二維模型未加固噴護結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖15 二維模型加固噴護結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖16 三維模型未加固噴護結(jié)構(gòu)彎矩圖

圖17 三維模型加固噴護結(jié)構(gòu)彎矩圖

二維模型分析顯示，兩種工況下結(jié)構(gòu)彎矩最值分別為525.4 和364.4 ；三維模型分析顯示，兩種工況下結(jié)構(gòu)彎矩最值分別為452.6 和278.3 。經(jīng)注漿加固后，有效降低初期圍護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，控制率約為38.5%。

4 監(jiān)測結(jié)果分析

項目實施期間在豎井周邊預(yù)測影響范圍設(shè)置了沉降觀測點，并采用水平收斂儀進行坑內(nèi)水平變形監(jiān)測，收集數(shù)據(jù)并整理后，得出一組施工階段的曲線，如圖18和圖19所示。

圖18 地表沉降對比曲線

圖19 坑內(nèi)收斂對比曲線

由于數(shù)值模擬不能精準模擬施工投入的人員、機械及其支護結(jié)構(gòu)的及時、準確性，監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論計算存在一定偏差。分析主要差異如下。

1)豎井施工初期，由于施工投入機械力量較多，地面超載增加，加之最佳注漿配合比需現(xiàn)場試驗得出，初期注漿效果不佳，致使變形量較大。

2)后續(xù)施工階段施工步入正軌，基坑土體表現(xiàn)比數(shù)值分析預(yù)測更好。

3)施工至坑底時，為盡快完成基坑支護并進行下一步隧道平巷開挖，基坑底部進一步加強了內(nèi)撐支護并及時施作隧道導(dǎo)向墻，側(cè)壁水平位移進一步降低。

數(shù)值分析與監(jiān)測情況數(shù)值變化趨勢總體基本一致，驗證了參數(shù)、計算模型的可行性。

5 結(jié)論

1)受尺寸及空間效應(yīng)影響，對于截面小、深度大的電力豎井基坑工程，采用二維模型分析與三維模型分析的結(jié)論差異較大，差異量50%～80%。

2)由于注漿加固范圍小，方案對基坑開挖的地層影響范圍并無明顯改變，但方案對雜填土區(qū)域豎井基坑變形的抑制效果顯著，為55%～68%，雖然加固后地表沉降量增加，但增加量小，屬可控范圍，且有利于壓縮周邊土體孔隙率，降低松散程度。

3)注漿加固后土體及其周邊土體孔隙率明顯降低，可有效降低基坑內(nèi)涌(滲)水，在雨季施工效果尤為突出。

4)注漿加固對基坑襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)亦有積極影響，能提升施工及中長期運行期間的結(jié)構(gòu)安全性。