楊國松，王海林，敬懷珺，蔡麗琴

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410008)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施投入的力度進(jìn)一步加大，越來越多的超大直徑盾構(gòu)隧道應(yīng)需而生[1-3]。因盾構(gòu)斷面愈發(fā)加大，為滿足盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)及接收要求，基坑深度也隨之變深。由于盾構(gòu)始發(fā)需要拆除內(nèi)支撐，使得盾構(gòu)井整體剛度降低，該工況下為圍護(hù)結(jié)構(gòu)、環(huán)框梁、側(cè)墻整體受力，為保證工作井的安全，一般在盾構(gòu)洞門圈上部設(shè)置一道較大斷面的環(huán)框梁用于增強(qiáng)側(cè)墻的水平剛度[4]。目前，對于大直徑盾構(gòu)隧道工作井始發(fā)階段環(huán)框梁受力狀態(tài)的計(jì)算方法尚存在爭論，通過采用三維實(shí)體模型和二維大小剛度框架模型、二維平面荷載傳遞模型進(jìn)行數(shù)值分析，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，校核各模型的準(zhǔn)確性，提出了大直徑盾構(gòu)井環(huán)框梁相對合理的計(jì)算方法及建議[5]。

1 工程概況

珠江口隧道盾構(gòu)始發(fā)井平面為矩形結(jié)構(gòu)，長×寬為23.4 m×26.8 m，深25.35 m，地下四層結(jié)構(gòu)，采用明挖逆作法施工，為保證基坑安全與穩(wěn)定，盾構(gòu)井開挖階段采用連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系，連續(xù)墻厚1 000 mm，連續(xù)墻嵌固深度不小于5.0 m，基坑支撐系統(tǒng)采用5道混凝土支撐，第一道截面尺寸為800 mm×1 000 mm；第二道截面尺寸為1 000 mm×1 200 mm；第三、四、五道截面尺寸為1 200 mm×1 200 mm，第一道環(huán)框梁截面尺寸為1 200 mm×2 500 mm，第二道環(huán)框梁截面尺寸為2 000 mm×3 000 mm，第三、四、五道環(huán)框梁截面尺寸為2 000 mm×2 500 mm。主體結(jié)構(gòu)頂板厚700 mm，夾層板厚200 mm，地下一層板厚400 mm，地下二層板厚400 mm，地下三層板厚200 mm，底板厚1 500 mm，側(cè)墻厚1 200 mm。

2 地質(zhì)概況

擬建盾構(gòu)井地貌單元為珠江一級階地，場區(qū)地形平緩，地面高程-0.3～-0.5 m，周邊環(huán)境較簡單，基坑開挖深度范圍內(nèi)地層以覆蓋層為主，場區(qū)分布有地表水，水深0.5～1 m，施工前應(yīng)對其進(jìn)行抽排。地下水主要為賦存于中砂層中的孔隙式承壓水，其與下伏基巖中基巖裂隙水構(gòu)成統(tǒng)一含水層，具承壓性?？辈炱陂g，該層水位埋深約0.5 m左右，高程-0.8～-1 m。地勘資料揭露顯示，場地范圍內(nèi)從上到下穿越地層主要為淤泥、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、中砂、全風(fēng)化含礫砂巖、強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖、弱風(fēng)化含礫砂巖，基底位于全風(fēng)化含礫砂巖，具體巖土參數(shù)設(shè)計(jì)建議值見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

3 三維實(shí)體模型數(shù)值計(jì)算

3.1 模型及荷載分布

通過采用midas GTS NX有限元軟件建立盾構(gòu)井三維實(shí)體模型，盾構(gòu)始發(fā)階段需拆除內(nèi)部各道支撐，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)中各層梁、板、柱均未施工，整個(gè)受力體系由地連墻、環(huán)框梁、主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻及底板構(gòu)成，洞門圈加強(qiáng)梁采用梁單元，地連墻及主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻、底板采用板單元，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、底板與土體接觸均采用僅受壓地基彈簧模擬，基床系數(shù)取41 MPa/m，同時(shí)通過約束后配套段的X、Y方向位移[6]，保證模型結(jié)構(gòu)與實(shí)際相符。盾構(gòu)井分別按正常使用極限狀態(tài)、承載力極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，荷載取最不利組合進(jìn)行設(shè)計(jì)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載為側(cè)向水土壓力、地面超載(考慮管片堆載引起的超載值)，底板上的荷載為豎向水浮力荷載[7]。

3.2 計(jì)算結(jié)果

盾構(gòu)始發(fā)階段，第二道環(huán)框梁為最不利構(gòu)件，選取第二道環(huán)框梁為代表性構(gòu)件進(jìn)行研究，第二道環(huán)框梁My彎矩，最大彎矩為14 098.4 kN·m，最大變形為0.003 1 m。盾構(gòu)井側(cè)墻x方向最大變形為0.003 8 m，y方向最大變形為0.002 9 m。

4 二維模型數(shù)值計(jì)算

二維模型采用有限元軟件SAP2000進(jìn)行計(jì)算，荷載取值、地基彈簧系數(shù)及約束條件均與三維模型相同，對比分析采用大小剛度框架模型與板荷載傳遞模型所計(jì)算結(jié)果的區(qū)別。

4.1 大小剛度計(jì)算

各層環(huán)框梁與地連墻及主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻作為盾構(gòu)始發(fā)階段內(nèi)部框架的支撐體系，環(huán)框梁的支撐剛度取值既為施加于環(huán)框梁上的力與它引起的線位移之比。環(huán)框梁最小剛度發(fā)生在框架短邊跨中位置，最大剛度發(fā)生在框架長邊角部位置[8]。采用SAP2000有限元軟件，建立計(jì)算環(huán)框梁最大、最小剛度的平面荷載-結(jié)構(gòu)模型，對環(huán)框梁施加單位力，根據(jù)變形結(jié)果計(jì)算出環(huán)框梁的等效最大、最小剛度。

通過對計(jì)算出來的位移結(jié)果，根據(jù)剛度公式K=F/L，其中K為剛度，F(xiàn)為環(huán)框梁上的單位荷載，L為環(huán)框梁的位移，統(tǒng)計(jì)后的各道環(huán)框梁最大、最小剛度見表2。

表2 環(huán)框梁等效剛度值列表

4.2 二維大小剛度框架模型

盾構(gòu)井建立側(cè)墻、底板、連續(xù)墻的二維框架結(jié)構(gòu)，作用于地連墻上的荷載為采用水土分算后的側(cè)向水土壓力、 考慮盾構(gòu)始發(fā)時(shí)管片堆載的超載值，底板荷載為水浮力，與土體的接觸部位施加彈簧剛度為41 MPa/m的僅受壓地基彈簧，側(cè)墻與連續(xù)墻之間采用僅受壓虛擬連桿，各道環(huán)框梁節(jié)點(diǎn)位置采用同剛度的彈簧模擬，彈簧剛度系數(shù)即為所計(jì)算出來的環(huán)框梁最大、最小剛度。通過計(jì)算出環(huán)框梁處彈簧的節(jié)點(diǎn)力后反向施加于環(huán)框梁平面模型進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算，最大、最小剛度節(jié)點(diǎn)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 盾構(gòu)始發(fā)階段環(huán)框梁大小剛度節(jié)點(diǎn)力計(jì)算結(jié)果表

將二維大小剛度框架模型計(jì)算出來的節(jié)點(diǎn)力反向施加于環(huán)框梁平面模型，以此力計(jì)算環(huán)框梁的彎矩及變形。

通過該方法計(jì)算，第二道環(huán)框梁最小剛度計(jì)算結(jié)果中最大變形為0.019 m，最大剛度計(jì)算結(jié)果中最大變形為0.001 m，平均值為0.010 m，環(huán)框梁的最大彎矩為28 92.44 kN·m。

4.3 二維板荷載傳遞模型

工程中通常考慮的二維板荷載傳遞模型即假定盾構(gòu)井地連墻、側(cè)墻背后的水土壓力、超載值經(jīng)過側(cè)墻傳遞后均集中到環(huán)框梁承擔(dān)，荷載沿斜向45°集中于梁上，梁兩端為固定約束。

第二道環(huán)框梁豎向荷載承擔(dān)范圍為6.33 m，頂部土壓力為32.2 kPa，底部土壓力49.92 kPa，頂部水壓力為57.6 kPa，底部水壓力為89.25 kPa，超載值為14 kPa，水平向梁跨度為23.4 m，分擔(dān)范圍均為彈性構(gòu)件，計(jì)算結(jié)果顯示環(huán)框梁最大彎矩為38 480.24 kN·m，最大變形為0.141 m。

5 現(xiàn)場實(shí)測

為更好的了解環(huán)框梁的實(shí)際受力性狀，我們在盾構(gòu)井及基坑周邊制定了嚴(yán)格的監(jiān)控措施，對環(huán)框梁、地連墻水平位移等方面進(jìn)行監(jiān)測[9-11]。盾構(gòu)于2021年底始發(fā)，地連墻及環(huán)框梁水平位移最大值均出現(xiàn)于內(nèi)支撐拆除之后，兩者變形基本一致，具體變化情況見圖1所示，地連墻最大水平位移為0.009 5 m，環(huán)框梁最大水平位移為0.009 2 m。

圖1 地連墻及環(huán)框梁位移監(jiān)測圖

6 結(jié)論與建議

(1)采用大、小剛度的二維框架模型計(jì)算環(huán)框梁的受力及變形是適宜的，其變形平均值為0.010 1 m，與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)0.009 2 m基本一致，考慮到后續(xù)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)井周邊土體的蠕變及次固結(jié)，環(huán)框梁的變形也會(huì)相應(yīng)小幅增加，因此，該方法在實(shí)際的環(huán)框梁設(shè)計(jì)中是相對合理的。

(2)環(huán)框梁計(jì)算采用二維板荷載傳遞模型其最大變形為0.141 m，與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果相差較大，此方法可能因其忽略了板的剛度，將環(huán)框梁作為單獨(dú)構(gòu)件計(jì)算，設(shè)計(jì)過程中若采用此方法，必然會(huì)造成浪費(fèi)。

(3)盾構(gòu)井三維模型中考慮下部幾道環(huán)框梁與洞門圈加強(qiáng)梁節(jié)點(diǎn)完全耦合，未考慮盾構(gòu)始發(fā)時(shí)對其的影響，環(huán)框梁最大變形為0.003 8 m，計(jì)算結(jié)果偏理想化。

盾構(gòu)隧道始發(fā)前內(nèi)支撐需要全部拆除，此時(shí)，整個(gè)基坑側(cè)向?yàn)橐粋€(gè)懸臂結(jié)構(gòu)。過小剛度的環(huán)框梁可能會(huì)造成基坑坍塌，危及生命和財(cái)產(chǎn)安全。較大剛度的環(huán)框梁能夠保證基坑的安全，但過于保守的設(shè)計(jì)必然會(huì)導(dǎo)致工程浪費(fèi)。結(jié)合以上相關(guān)研究結(jié)論，建議大直徑盾構(gòu)井環(huán)框梁設(shè)計(jì)時(shí)采用二維大小剛度框架模型，該模型在保證基坑安全的前提下，能預(yù)留一定的安全儲(chǔ)備。