深回填土地层电力竖井注浆围护方案研究

2021-05-22杨力武陈风樵王金鑫

重庆电力高等专科学校学报 2021年2期

关键词：竖井土体基坑

杨力武，陈风樵，田良，周哲，王金鑫

(重庆电力设计院有限责任公司，重庆 401121)

我国山区城市众多，在山区地形下，城市规划区场地平整时存在较多高挖方及深回填情况。城市暗挖电力隧道常以竖井作为施工及电缆通道[1]，电缆线路经过回填区时，竖井位于深回填土地层的基坑设计和施工方法尚不完善。

山区深回填土地层主要以素填土构成，填土根据回填年限的不同呈松散-中密状，并含有大量碎石及块石；孔隙率较大，分布不均，无规律；填土多为透水层，主要受大气补水影响，雨季存在大量孔隙水。

土压力基础理论以朗肯土压力和库伦土压力理论的应用较多，适用于边坡土压力计算，但电力竖井具有横截面小、深度大的特点，小截面基坑存在土拱效应，竖井围岩及围护结构具有显著的空间受力特性，与二维状态下经典土压力理论的差异较大。

因此，提出注浆加固围护结构方案，运用地层结构法，采用midas GTS NX分别建立二维及三维计算模型，分别对注浆状态及非注浆状态竖井基坑进行数值模拟，还原施工过程，分析注浆加固围护方案影响效果。

1 工程应用

110 kV山岳线电缆隧道位于重庆市渝北区，线路一处区间所经区域为深回填地层，回填深度最大约50 m，主要以素填土组成，局部含块石，粒径差异大，碎石含量超25%。区间内设置1座电缆竖井，竖井深40 m，基坑截面为边长8.0 m的正方形，井壁初支为钢支撑与初喷混凝土(厚300 mm)复合衬砌。

基坑初期支护方案除支撑结构外，采用超前小导管注浆加固井壁岩土[2-3]，形成井筒围护结构，注浆加固宽度5.0 m，如图1所示。

图1 注浆方案图

2 有限元模型建立

2.1 土体模型

模型本构参数根据项目地勘报告提供的岩土物理力学参数建议值得到，因杂填土实际离散度大，取值根据经验进行70%折减。根据郭炎伟[4]、盛志强[5]的研究成果，注浆加固土在杂填土基础上土体密度增加10%～15%；土体压缩模量增加200%～300%；土体黏聚力比原状土提高30%～50%；土体摩擦角增加10%～15%。主要参数取值如表1所示。

表1 模型计算参数

土层采用修正摩尔-库伦(Modiefed Mohr-Coulomb)本构模型，该模型是对摩尔-库伦模型的改进，由非线性弹性模型和弹塑性模型组合，适合于岩土工程中的堤坝填筑、地基承载力、边坡稳定分析及基坑开挖等岩土行为特性，能较好地解决基坑类工程中开挖卸荷土体回弹等问题，使模拟值更趋于真实。

竖井采用复合衬砌，初期支护为钢架支撑+挂网喷射混凝支护体系，在开挖施工完成后施作钢筋混凝土二衬结构。竖井支护体系中，二衬更多的作用是作为安全储备及长期蠕变控制，初期支护在施工过程中的重要性占比较大。因此，模型主要模拟初期支护作用下的竖井、围岩变形状态以及支护结构受力状态。

根据王卫东等[6]提出的HS-Small模型参数，基坑2倍深度外土体受影响位移趋近于0，基坑开挖影响宽度取2倍开挖深度，开挖影响深度取1倍开挖深度，并适当放大取整。建立模型尺寸长×宽×高=170 m×170 m×80 m。整体模型外边(除顶面外)设置三向位移约束。根据工程经验，二维基坑不能完整体现三维基坑的空间受力特点，分析结论存在一定差异，为分析其差异情况，分别建立二维及三维数值模型进行分析。模型如图2～图4所示。

图2 二维有限元模型

图3 三维有限元模型

图4 三维基坑剖视图

2.2 支护结构模型

挂网初喷C30混凝土采用弹性本构，采用2D板单元模拟，考虑初支混凝土变形的工作状态，弹性模量按标准值75%折减，即取22.5 GPa。泊松比μ=0.2，混凝土容重与钢筋网合算，取γ=25 kN/m3。

钢架支撑结构体系采用弹性本构，采用1D梁单元模拟，单元结构采用实体模型，程序自动计算截面模量，容重取γ=78.5 kN/m3。

基坑周边5 m范围为注浆加固土，形成井筒结构，其既是基坑边坡土体，也是围护结构组成部分，采用修正摩尔-库伦本构。施工阶段模拟时，未注浆加固状态下，考虑开挖对围岩扰动影响，该部分土体为松动圈，弹性模量按0.5折减；注浆加固土为加固圈，采用注浆加固土参数。

2.3 施工过程模拟

竖井初期支护结构采用逆作法，顶部设置锁口盘，护壁倒挂，开挖后及时进行钢支撑-挂网喷护、循环开挖-支护工序，循环开挖深度为1 m，每隔4 m设置加强内支撑。

施工过程模拟分为注浆加固及非注浆加固两种工况，其中加固工况在开挖施工前完成注浆加固步序。

具体模拟过程步序如下所示。

1)初始地应力平衡。“激活”所有土体网格及其连接界面、整体边界条件及施加自重荷载，模拟在自重作用下得初始地应力场，并在模拟完成后进行位移清零。

2)施加坑边地面超载。

3)第n层坑边土加固。第n层加固圈网格单元属性变更为加固土；(注：非加固工况不含本步)

4)第n层基坑土开挖，施作钢支撑-挂网喷护。“钝化”第n层基坑开挖土体，“激活”第1层支护网格；

5)循环步骤3)和步骤4)直至坑底。

6)坑底土加固。

3 数值计算结果

3.1 地表沉降分析

如图5所示，基坑开挖后，坑边沉降曲线呈“勺”形分布。沉降最大处位于坑边约12 m处，基坑边较近处土体受支护结构影响，沉降有所收敛，随着距竖井距离增大，位移逐渐减小并趋于稳定，符合基坑沉降基本特性。

图5 坑边沉降位移曲线

由图6和图7对比分析可知，随着基坑开挖深度加大，地表沉降呈增加趋势。

图6 二维模型坑边沉降变化

图7 三维模型坑边沉降变化

二维模型分析显示，两种工况下基坑边最大沉降值分别为39.4 mm和97.0 mm，均超过30 mm以上，基坑边施工造成安全影响，主要原因是尚未考虑基坑的空间受力特性。但结果显示，经注浆加固后，对沉降的控制效果显著，控制率约59.4%。

三维模型分析综合考虑尺寸效应与空间受力特性，结果显示，最大沉降值分别为19.2 mm和17.9 mm，表明空间支护体系能有效控制基坑沉降变形，满足施工需求。但两种工况下沉降绝对值呈与二维模型相反规律。即：加固工况沉降值大于未加固工况，分析原因主要是，在三维模型中，加固后的坑周土体水平两个方向(X、Y)变形均被约束，由于素填土孔隙率大，在地面超载和自重作用下，填土被进一步压缩，导致沉降量增加。不过，从沉降绝对增量来看，差异仅为1.3 mm，占比6.77%，相对可控。

3.2 侧壁水平位移

如图8和图9所示，基坑开挖成形后，基坑侧壁发生向临空面的变形，变形值随基坑深度增加。

图8 二维模型侧壁水平位移

图9 三维模型侧壁水平位移

二维模型分析显示，两种工况下坑壁底部最大水平位移分别为51.3 mm和114.0 mm，超过50 mm以上，超出经验值预期(即经验判断竖井开挖尺寸应保证在二衬与初衬结构间预留50～100 mm预留变形量)，变形量较大的主要原因仍是未考虑空间受力特性。不过结果显示，经注浆加固后，对变形的控制效果显著，控制率约55%。

三维模型分析综合考虑尺寸效应与空间受力特性，结果显示，最大水平位移分别为8.4 mm和22.7 mm，表明空间支护体系能较大程度地控制基坑侧壁变形，控制率约62.99%，侧向位移的控制能极大减轻二衬结构在中长期使用中的土压力增量，有利于结构安全。