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临近大型输水隧洞深基坑开挖有限元计算分析

2019-09-10丁艳辉杨进新钱晓翔

人民黄河 2019年2期
关键词:有限元深基坑裂缝

丁艳辉 杨进新 钱晓翔

摘要:北京市南水北调配套输水隧洞是北京市重要的输水管线,临近隧洞新建基坑时,基坑结构设计需兼顾自身的结构安全和对既有输水隧洞的结构安全以及检修条件的影响。采用通用的结构分析软件SAP84(V6)和有限元软件MIDAS对结构内力进行了计算,着重分析了拟建基坑开挖前后地层变形特点和输水隧洞的结构内力。计算结果显示隧洞结构开裂宽度超过规范允许值,分析认为桩锚支护结构不适用于临近基坑的支护结构。

关键词:输水隧洞:深基坑;有限元;桩锚支护结构;裂缝

中图分类号:TV672;TU476+.9

文献标志码:A

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

中线南水北调配套团城湖至九厂管道输水工程(简称为团九工程)是“三厂一线”之中的“一线工程”,是北京市南水北调配套工程的重要组成部分。在团九工程输水隧洞北侧拟建地下车库,与其水平间距为7.6~ 10.0 m。拟建车库采用全埋法施工,基坑开挖深度为15.6 m,采用锚杆加挡土桩的支挡形式。合理选取基坑支护形式是团九工程输水隧洞结构安全的重要保证,通过2D有限元计算,分析基坑开挖后地层以及输水隧洞的结构内力,论证了桩锚支护结构的合理性和拟建工程的可行性。

1 工程概况

1.1 团九工程

团九工程盾构段输水隧洞采用圆形断面,内径4 700 mm,外径6 000 mm;一衬为C50预制管片衬砌,厚300 mm;二衬为钢筋混凝土衬砌,厚350 mm,二衬混凝土强度等级为C30.抗渗等级为Wl0;输水隧洞洞顶覆土约13 m。团九工程输水隧洞横断面见图1。

输水管线沿线地面以下30 m深度范围内的地层从上往下依次为粉质黏土(厚5m左右)、中细砂(厚1~5 m)、圆砾(厚11 m)、粉质黏土(厚9m)。

1.2 拟建地下车库

拟建地下车库东西长225.4 m,南北宽41.8 m,开挖深度为15.6 m,属深基坑,采用全埋法施工,基坑安全等级为二级。

拟建车库采用锚杆加挡土桩的支挡形式。挡土桩混凝土设计强度等级为C25,直径900 mm,间距1 100mm,锚杆直径150 mm。施工顺序为:人工挖孔支护桩→第一道锚杆→开挖第一层土并施工支护桩桩间挡土板→第一道锚杆锚定混凝土冠梁→第二道锚杆→第二道锚杆锁定钢腰梁→开挖第二层土并施工支护桩桩间挡土板。

拟建车库位于团九工程输水隧洞北侧,对应输水隧洞桩号范围为0+668-0+895,二者水平间距为7.6~10.0 m。与拟建车库相邻处团九工程输水隧洞结构外底高程约为30.7 m,对应地面高程48.97~ 49.38 m,地下水位约33.4 m。拟建车库基坑底面高程为33.9 m,比隧洞顶高程低2.8 m。车库结构侧墙与基坑开挖边线间距1.2 m。

2 有限元计算

拟建工程基坑开挖会导致隧洞侧向土压力减小,隧洞结构在上部覆土荷载作用下产生附加内力和变形,需验算衬砌结构裂缝开展宽度。基坑开挖后输水隧洞衬砌结构内力由两部分组成:基坑开挖前的结构内力(设计荷载作用下的内力)和基坑开挖引起的内力增量。输水隧洞衬砌结构设计内力采用通用的结构分析软件SAP84(V6)进行计算,基坑开挖引起的结构内力增量采用有限元软件MIDAS进行模拟。

2.1 设计内力計算

设计内力计算的主要荷载有覆土压力、内水压力、外水压力和侧向土压力,采用SAP84程序计算,计算荷载见图2。

(1)围岩垂直松动压力p。因该工程属于浅埋输水隧洞,故计算垂直围岩压力时考虑涵顶全部土重及地面活荷载,即

由于内水压力作用下衬砌结构有开裂和渗漏的风险,基坑开挖减小了侧向土压力,从而使得二衬的开裂风险加大,因此结构控制工况为工况3,即正常运行工况。

正常运行工况下,二衬结构设计内力计算结果见表2(对应的控制断面1~5见图3)。

2.2 有限元计算结果

采用有限元软件MIDAS对拟建地下车库的开挖过程进行数值模拟。基坑分6层开挖,每层开挖深度约2.50 m。依照截面惯性矩相等原则,将挡土桩等效为厚780 mm的混凝土挡土墙。输水隧洞考虑正常运行工况,压力水头为20 m。

计算模型见图4,其中锚杆采用植入式桁架模拟,隧洞二衬采用梁单元模拟,其他材料均采用实体单元模拟,计算模型范围长107 m、深41 m。土体采用摩尔一库仑模型,衬砌结构和支护结构材料模型为弹性模型。材料参数见表3。

基坑开挖至设计坑底时地层的变形、输水隧洞衬砌结构变形和输水隧洞衬砌结构内力有限元计算结果分别见图5~图7。

3 计算结果分析

(1)周围地层及基坑支护桩。基坑开挖引起地应力释放,基坑周围地层变形特点为:基坑开挖底面向上隆起,基坑顶部土层水平位移为负值,符合实际受力特点[1]。地层最大竖向位移为141.57 mm,位于基坑开挖底面:最大水平位移为28.32 mm,位于支护桩下部及周围土层。基坑开槽上口边缘竖向位移为20.24mm,水平位移为-10.89 mm。左侧支护桩顶端竖向位移为27.17 mm,水平位移为-6.16 mm。

(2)既有输水隧洞。既有输水隧洞受基坑开挖影响,整体发生了竖直向上的竖向位移和指向基坑的水平位移。输水隧洞二衬最大竖向位移为10.88 mm,最大水平位移为15.23 mm。二衬用梁单元进行模拟,开挖后输水隧洞的内力显著增大,隧洞变成非对称结构。基坑开挖后二衬结构内力增量计算结果见表4。

(3)结构裂缝开展宽度验算。隧洞二衬内力由设计内力和附加应力引起的内力增量两部分组成。根据《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)[2]式(7.2.2)计算二衬的最大裂缝宽度ωmax。二衬断面配筋面积为3 041 mm,均选配φ22@ 125(内外层对称配筋)。

既有隧洞结构有限裂要求,最大允许裂缝宽度为0.25 mm.因计算断面水力梯度均大于20.故最大允许裂缝宽度取0.25 mm。由表4计算结果可以看出,二衬结构最大开裂宽度为0.272 mm,大于允许裂缝宽度,不满足规范要求。拟建地下车库设计方案不可行。

4 运行期及施工期分析

桩锚支护结构时空效应显著[3-5],一般用作临时支护结构,运行期间桩体和锚杆将持续变形。车库结构侧墙与挡土桩间距1.2 m,回填土很难压实。当临时支挡结构发生破坏或者位移过大时,输水隧洞必然发生附加变形,影响输水隧洞的安全。此外,支护结构深入到输水隧洞结构上方,锚杆支护结构影响输水隧洞检修。

桩锚支护结构施工过程中一般要进行施工降水处理[5].施工降水可能引起团九工程输水隧洞周围土体发生渗透破坏,从而威胁输水隧洞的结构安全。

5 结论

对南水北调团九一期工程临近基坑开挖过程进行了2D有限元计算,分析结论如下。

(1)受拟建工程基坑开挖的影响,既有输水隧洞的附加应力和变形均较大,输水隧洞衬砌结构的裂缝开裂宽度超过控制指标。

(2)桩锚支护结构一般用作临时支护结构,运行期间桩体和锚杆将持续变形。当临时支挡结构发生破坏或者位移过大时,输水隧洞必然发生附加变形,存在安全问题。

(3)桩锚支护结构施工过程中一般要進行施工降水处理,施工降水可能导致团九工程输水隧洞周围土体发生渗透破坏,从而威胁输水隧洞的结构安全。

(4)支护结构深入到输水隧洞结构上方,锚杆支护结构影响输水隧洞检修。拟建地下车库设计方案不可行。

参考文献:

[1] 韩国栋,深基坑桩锚支护结构的现场试验研究及数值模拟[D].长春:吉林大学,2012:25-33.

[2] 中华人民共和国水利部,水工混凝土结构设计规范:SL191-2008[M].北京:中国水利水电出版社,2008:68-72.

[3] 胡贺松,深基坑桩锚支护结构稳定性及受力变形特性研究[D].长沙:中南大学,2009:98-111.

[4]李宝平,张玉,李军,桩锚式支护结构的变形特性研究[J].地下空间与工程学报,2007,3(7):1291-1294.

[5] 刘文良深基坑支护方案设计与施工:北京国际新闻文化中心深基坑支护[J].岩土工程界,2002(8):1004-1006.

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