何順心HE Shun-xin；王亞磊WANG Ya-lei；陳建CHEN Jian（廣州地鐵建設(shè)管理有限公司，廣州 510000；中鐵十五局集團城市軌道交通有限公司，廣州 510000；廣州大學(xué)，廣州 510000）

0 引言

近年來，隨著地下空間施工技術(shù)的快速發(fā)展，對地下空間的開發(fā)利用，產(chǎn)生了諸多的地下建筑形式。其中，豎井作為一種傳統(tǒng)的地下建筑，工程上大型豎井的建造工藝主要是沉井法，但沉井工法在其下沉過程對周圍土體造成的較大且不可控的擾動破壞[1]。戴根寶[2]以南京長江第四大橋北錨碇基坑為例，根據(jù)基坑降水過程中有效應(yīng)力和孔隙水壓力的轉(zhuǎn)化關(guān)系，建立了深基坑降水三維滲流與地面沉降的耦合模型，對地下水復(fù)雜流動狀態(tài)及其地面沉降特征進行了模擬。張玉生等人[3-5]采用數(shù)值模擬、理論解析等方法對沉井井周的土層變形量進行了預(yù)測。鄧友生等人根據(jù)武漢鸚鵡洲長江大橋北錨碇大型圓形沉井結(jié)構(gòu)特點與工程地質(zhì)條件，結(jié)合施工現(xiàn)場沉降監(jiān)測控制點的實測數(shù)據(jù)，采用大型有限元計算程序ADINA 建立了三維計算模型，對沉井結(jié)構(gòu)及其周圍的地下連續(xù)防護墻進行了有限元分析，分析了沉井在下沉與封底過程中其結(jié)構(gòu)自身的應(yīng)力分布與變形情況，該計算模型對錨碇沉井下沉過程的沉降控制具有重要參考作用。馮兆祥等采用ABAQUS，潘輝等采用Midas/GTS，朱建民等利用ADINA，Li 等采用Plaxis3D，Lai等采用歐拉-拉格朗日耦合法，Sun 等采用Mohr-Coulomb模型，Wang 等基于離散單元法、采用顆粒流程序進行變形預(yù)測。

隨著工程設(shè)備更新迭代，豎井的機械法施工技術(shù)應(yīng)運而生，該技術(shù)采用不排水開挖、沉井整體懸吊下沉、機械臂搭配銑筒切削地層、井筒預(yù)制裝配式拼裝等新型施工工藝，對于諸多軟弱或擾動易失穩(wěn)的工況具有極強的適應(yīng)性，可以極大程度地減少豎井施工對周邊地層的影響，同時縮短工期，節(jié)約成本。在這樣的背景下，本文以廣州某城際地鐵區(qū)間隧道工程的垂直機械法施工為例，采用有限元軟件建立數(shù)值模型，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析小凈距機械法豎井掘進技術(shù)對周邊地層的影響，為后續(xù)采取相應(yīng)的控制措施提供技術(shù)支持。

1 工程概況

廣州某城際地鐵區(qū)間隧道工程，長度約為8600m，包含2 個盾構(gòu)井及3 個盾構(gòu)區(qū)間，垂直機械法豎井位于2#盾構(gòu)井，如圖1。該盾構(gòu)井共有2 個豎井，圓心間距18m。豎井開挖直徑14m，深度27m，內(nèi)徑13m，外徑14m。管片厚度500mm，管片環(huán)寬1.5m，采用C50 預(yù)制混凝土管片，采用1 臺直徑14.2m 的沉井式豎井掘進機掘進。

圖1 垂直機械法豎井示意圖

由于施工區(qū)域內(nèi)有中風(fēng)化、微風(fēng)化花崗巖，基巖裂隙水發(fā)育、巖石強度高，開挖難度大、施工風(fēng)險高。此外，施工區(qū)域周邊臨近密集房屋建筑群和交通繁忙的市政道路，對施工控制提出了極高的要求。按照先左后右的順序施工。

2 有限元模型建立

本文利用ABAQUS 建立圓形沉井基礎(chǔ)三維模型。豎井結(jié)構(gòu)按照實際尺寸建模，模型尺寸取為：96m×78m×50m（長×寬×高）。

土體模型按照地勘資料分層實際建模，均采用Mohr-Coulomd 模型，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用線彈性材料模型；模擬過程中不考慮土體的固結(jié)以及受潮汐而發(fā)生地下水位的變化。土體及材料參數(shù)和見表1 和表2。

表1 土層參數(shù)表

表2 襯砌參數(shù)表

模型網(wǎng)格選用八節(jié)點線性六面體非協(xié)調(diào)單元（C3D8R單元）。共劃分網(wǎng)格12660 個，模型如圖2 所示。

圖2 數(shù)值模擬模型圖

3 結(jié)果分析

3.1 地層變形分析

開挖完成后，地層豎向沉降數(shù)值模擬結(jié)果見圖3。根據(jù)圖3 可以發(fā)現(xiàn)，地面沉降主要集中在豎井周邊，且表現(xiàn)為隆起，這是由于開挖卸荷作用引起的。

圖3 地層豎向沉降模擬結(jié)果圖

圖4 和圖5 分別為Path-1、Path-2 以及Path-3 在開挖完成后的豎向變形曲線，根據(jù)曲線可知，地表變形表現(xiàn)為隆起，變形曲線類似于高斯分布曲線，且path-2 的隆起值較Path-1 大。

圖4 Path-1 和Path-2 豎向沉降結(jié)果圖

圖5 Path-3 豎向沉降結(jié)果圖

圖6 為Point-1、Point-2 以及Point-3 在整個開挖過程中的豎向變形曲線，根據(jù)曲線可知，左洞開挖時，會引起右洞周邊的地層變形，在左右洞開挖間隔處，存在明顯的變形分界。但最終Point-1 和Point-3 的變形相等，這符合對稱性要求。

圖6 Point-1、Point-2 及Point-3 開挖過程中豎向沉降結(jié)果

3.2 管片受力分析

圖7 為開挖完成后，管片應(yīng)力分布云圖，可以發(fā)現(xiàn)，開挖完成后，隨著深度增大，管片受力逐漸增大，在管片底部的外側(cè)存在應(yīng)力集中區(qū)域。

圖7 管片mises 應(yīng)力云圖

圖8 為開挖完成后Path-4、Path-5 和Path-6 管片mises 應(yīng)力圖，可得越靠近內(nèi)測，管受力越大；隨著深度增加，管片內(nèi)力逐漸增大，在z=-23m 處，管片內(nèi)力急劇增大。

圖8 Path-4、Path-5 和Path-6 管片mises 應(yīng)力圖

4 結(jié)論

本文以廣州某城際地鐵隧道項目小凈距機械法豎井為例，采用ABAQUS 建立數(shù)值模型，分析了小凈距機械法豎井施工引起的地層變形和管片內(nèi)力分布規(guī)律。得到如下結(jié)論：

①地面沉降主要集中在豎井周邊，且由于開挖卸荷作用，變形表現(xiàn)為隆起，變形曲線類似于高斯分布曲線。

②左洞開挖時，會引起右洞周邊的地層變形，在左右洞開挖間隔處，存在明顯的變形分界。

③隨著深度增大，管片受力逐漸增大，在管片底部的外側(cè)存在應(yīng)力集中區(qū)域，在管片底部外側(cè)，將會出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域。