王明俊，王 朋，柯樹煒

（1.廣州市中心區(qū)交通項(xiàng)目管理中心，廣東 廣州 510030；2.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.東莞理工學(xué)院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院，廣東 東莞 523808）

1 工程概況

如意坊放射線系統(tǒng)工程位于廣州市荔灣區(qū)，東起內(nèi)環(huán)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(shè)計(jì)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(shí)擔(dān)負(fù)材料設(shè)備和施工人員的運(yùn)輸功能[1]，考慮到井筒施工與生產(chǎn)之間的關(guān)系，國內(nèi)外在進(jìn)行立井井筒施工時(shí)，既可采用專用鑿井井架，也可利用生產(chǎn)井架。本文在介紹鑿井井架支座沉降原因的基礎(chǔ)上，研究井架支座分別在雙支座和單獨(dú)支座沉降時(shí)桿件內(nèi)力和天輪平臺(tái)位移的變化規(guī)律。

2 有限元計(jì)算模型的建立

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

圖1 井架有限元計(jì)算模型

3 基礎(chǔ)沉降對井架的影響

基于井架對稱結(jié)構(gòu)，可將基礎(chǔ)沉降分為雙支座沉降和單獨(dú)支座沉降2種情形，進(jìn)而分析井架4個(gè)支座沉降量不同時(shí)的規(guī)律。井架支座是關(guān)于2個(gè)對稱軸對稱布置，雙支座沉降是對稱的2個(gè)支座發(fā)生沉降。分析沉降對井架內(nèi)力和變形的作用，可為井架設(shè)計(jì)提供參考。

導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生不均勻沉降的原因很多，如地基土體不均勻、建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地下工程開挖擾動(dòng)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(gè)方面[6]。

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

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

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

圖2 天輪平臺(tái)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(chǔ)如圖3，4所示。井架采用獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)之間的沉降彼此獨(dú)立，互不影響。由于均勻沉降對井架穩(wěn)定性影響較小，本文重點(diǎn)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(jié)構(gòu)對稱性，結(jié)合對地基變形的相關(guān)規(guī)定，以下主要研究井架支座分別沉降20，40，60，80，90mm時(shí)桿件內(nèi)力的變化規(guī)律和變形特征。

圖3 井架和基礎(chǔ)關(guān)系

圖4 井架基礎(chǔ)分布

4.1 雙支座沉降

雙支座沉降情況下，相鄰2個(gè)支座同時(shí)發(fā)生沉降，另外2個(gè)支座位置則保持不變，沉降數(shù)值如表1所示。

表1 雙支座沉降數(shù)值

基礎(chǔ)沉降會(huì)導(dǎo)致井架內(nèi)力重新分布，但不同桿件內(nèi)力變化規(guī)律不盡相同，某些桿件內(nèi)力方向不變，只是在數(shù)值上發(fā)生改變，而另外一些桿件受力方向發(fā)生變化，如壓力轉(zhuǎn)為拉力。考慮到井架桿件數(shù)量龐大，故只選取部分內(nèi)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(chǔ)沉降時(shí)桿件軸力變化趨勢如圖5所示。

圖5 支座C，D基礎(chǔ)沉降桿件軸力變化曲線

對圖5中的桿件軸力進(jìn)行分析，可將所研究桿件分為2組，第1組為位于非沉降側(cè)的桿件142，153，155，另外一組為位于沉降側(cè)的桿件263，274，276，均表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。當(dāng)不發(fā)生沉降時(shí)，結(jié)構(gòu)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(huì)發(fā)生變化。隨著沉降量增大，沉降側(cè)桿263，274和276的軸力逐漸由受壓轉(zhuǎn)換為受拉，拉力值也越來越大，非沉降側(cè)桿142，153和155的軸力方向保持不變，軸力值呈增大趨勢。當(dāng)沉降量增大時(shí)，非沉降側(cè)桿件的應(yīng)力比也不斷增大，當(dāng)沉降量達(dá)到90mm時(shí)，已臨近破壞。

4.1.2 對稱軸2

支座B，C基礎(chǔ)沉降時(shí)桿件軸力變化曲線如圖6所示。

圖6 支座B，C基礎(chǔ)沉降桿件軸力變化曲線

由圖6可看出，關(guān)于對稱軸2對稱的支座B，C沉降時(shí)，未出現(xiàn)沉降側(cè)和非沉降側(cè)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(yīng)力水平并未明顯提高。

從以上分析可看出，關(guān)于對稱軸1對稱的支座沉降引起的桿件軸變化規(guī)律和關(guān)于對稱軸2對稱的支座沉降引起的桿件軸變化規(guī)律完全不同，而引起這種差異的原因是荷載偏心。天輪平臺(tái)中心和井筒中心位置并不一致，鑿井設(shè)備也非環(huán)繞井架中心所布設(shè)，這些因素引起偏心荷載的形成。關(guān)于對稱軸1對稱的支座C，D沉降側(cè)是主提升側(cè)，該側(cè)的荷載值遠(yuǎn)大于另一側(cè)，當(dāng)該側(cè)沉降時(shí)，天輪平臺(tái)上的荷載主要由非沉降側(cè)的支座A，B承擔(dān)，導(dǎo)致非沉降側(cè)井架桿件軸力一直增大；而對于關(guān)于對稱軸2對稱的支座B，C，由于其沉降側(cè)和非沉降側(cè)天輪平臺(tái)上荷載差異很小，沉降產(chǎn)生的影響并不顯著。偏心荷載不僅會(huì)造成井架支座不均勻沉降，而且會(huì)顯著影響井架桿件的內(nèi)力分布，所以在設(shè)計(jì)井架時(shí)，要避免出現(xiàn)荷載偏心，若無法回避，則要設(shè)法對荷載較大一側(cè)的地基或支座進(jìn)行特殊處理。

4.2 單獨(dú)支座沉降

單獨(dú)支座沉降是指井架的1個(gè)支座發(fā)生沉降，而另外3個(gè)支座位置保持不變?？紤]到井架結(jié)構(gòu)和荷載的對稱性，分析支座B，C，D分別發(fā)生沉降時(shí)的特征（沉降值分別是20，40，60，80，90mm），如表 2 所示。

表2 單獨(dú)沉降數(shù)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(fā)生改變，由受壓變?yōu)槭芾?，這在兩角柱間長度較大的斜桿上表現(xiàn)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(tài)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(dāng)支座B沉降量在60mm以下時(shí)，桿件受力狀態(tài)和正常工作時(shí)保持一致，但當(dāng)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(dāng)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(yīng)力水平歷經(jīng)由高到低的變化階段，支座A和C上的桿件應(yīng)力水平不斷增大，到一定程度后會(huì)引起桿件破壞。由此可見，支座沉降會(huì)導(dǎo)致井架變形失穩(wěn)。

圖7 支座B沉降桿件軸力曲線

支座C沉降時(shí)，對角線上的桿件應(yīng)力歷經(jīng)由高到低的變化階段，但是轉(zhuǎn)折點(diǎn)不再是60mm，而是80mm，應(yīng)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(shí)，其沉降規(guī)律和B支座基本相同。

4.3 天輪平臺(tái)位移分析

井架支座沉降會(huì)引起天輪平臺(tái)位置變化，進(jìn)而引起吊盤隨之移動(dòng)，可能導(dǎo)致吊盤和井筒的接觸，影響施工?；趯ο嚓P(guān)規(guī)定的分析，吊盤水平方向的移動(dòng)距離應(yīng)小于100mm。

天輪平臺(tái)中心處x，y方向的位移如圖8，9所示，圖中的數(shù)據(jù)是天輪平臺(tái)中梁和邊梁相交兩點(diǎn)位移的平均值，圖中BC表示的則是支座B，C沉降時(shí)的位移。

圖8 天輪平臺(tái)中心x方向上的位移

圖9 天輪平臺(tái)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(dú)沉降時(shí)，x，y方向的位移變化規(guī)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(huì)接觸到井壁。

5 結(jié)語

通過分析井架支座沉降原因，研究雙支座沉降和單獨(dú)支座沉降時(shí)桿件的內(nèi)力和天輪平臺(tái)的位移，并總結(jié)其變化規(guī)律，得到以下結(jié)論。

1）當(dāng)井架的1個(gè)支座發(fā)生沉降時(shí)，與其連接桿件的軸力將減小，臨近支座桿件的軸力會(huì)增大，對角線支座桿件的內(nèi)力先減小后增大。當(dāng)發(fā)生單獨(dú)支座沉降時(shí)，距離較近支座會(huì)受到較大影響；而當(dāng)雙支座沉降發(fā)生時(shí)，主提升側(cè)支座沉降對井架穩(wěn)定性影響較大。

2）單獨(dú)支座沉降和雙支座沉降對井架桿件內(nèi)力的影響顯著不同。單獨(dú)支座沉降會(huì)提高桿件的應(yīng)力水平，但留有較大的安全裕度；雙支座沉降發(fā)生時(shí)，桿件會(huì)受到較大影響，尤其是主提升側(cè)支座C，D的沉降。

3）井架天輪平臺(tái)水平位移受單獨(dú)支座沉降的影響較小，而對于雙支座沉降，當(dāng)沉降量在80mm以上時(shí)，天輪平臺(tái)水平位移將超過100mm，導(dǎo)致吊盤和井壁接觸，影響鑿井工作正常進(jìn)行。