输气干线工程珠江穿越竖井数值模拟分析

段凯，廖亚新

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010)

1 工程概况

某输气干线工程，管道总长365.96 km，分两次穿越珠江，第一次穿越珠江水道到江心洲，第二次穿越珠江主航道，穿越总长度为2.7 km。盾构隧道二次穿越珠江的始末分别设置始发井和接收井，即1#~4#竖井，1#竖井位于珠江北岸，2#竖井和3#竖井均处于江心洲中，4#竖井位于珠江南岸。

2 工程地质与水文地质条件

2.1 场地条件

珠江穿越场地原始地貌为河流及冲积平原，两岸与江心洲地势平坦。北岸地面标高3.0~3.5 m；南岸和江心洲地面标高1.4~1.8 m。

2.2 工程地质

根据场地岩土工程勘察报告，场区地层自上而下可划分为10层，1#~4#竖井各钻孔揭露的地层情况不尽相同，以1#竖井为例，其岩（土）层分布如下：耕填土厚2.36 m，粉质黏土厚2.03 m，淤泥厚6.13 m，缺少粉砂、中粗砂、砾砂层，砂砾质黏性土厚9.85 m，强风化花岗岩厚7.62 m，中风化花岗岩厚4.13 m，微风化花岗岩厚度大于20 m。

2.3 水文地质

珠江南北两岸地下水埋深为0.6~0.8 m，江心洲的地下水埋深为1.2~1.3 m。地下水主要赋存在第四系覆盖层中的砂土之中，其类型主要为潜水和上层滞水。两岸及江心洲河床中地下水主要接受江水的垂直渗入补给。地下水主要来源于大气降水，具有就地补给和就地排泄的特点。

3 竖井设计要点

竖井采用圆形地下连续墙内加环向水平内衬的结构形式，按盾构施工及设备安装要求，1#、4#竖井内径为12.1 m，环板厚度0.6~0.75 m，竖井深度分别为31.8 m和28.5 m；2#、3#竖井内径为9.3 m，环板厚度0.6 m，竖井深度分别为31.6 m和28.9 m。在地下连续墙顶设置锁口梁，地下连续墙竖向钢筋插入锁口梁内，以增加竖井结构的整体性。地下连续墙施工完成后，竖井内衬采用逆作法施工[1]，由上至下逐层开挖土体，并逐层浇筑钢筋混凝土内衬作为竖井结构的支撑系统[2-3]。

4 竖井数值计算

为了确保输气干线工程珠江穿越1#~4#竖井结构既经济合理又安全可靠，采用了3种方法进行对比计算：（1）方法1为弹性地基梁计算方法；（2）方法2为平面有限元计算方法；（3）方法3为空间三维有限元计算方法。

各计算方法的计算模型、计算过程、计算结果如下。

4.1 弹性地基梁计算方法

4.1.1 计算模型

竖井结构中地下连续墙按竖向弹性地基梁法计算，取单位宽度地下连续墙作为计算单元，圆形钢筋混凝土内支撑作为弹性支撑，弹性支撑的刚度是通过比较单位荷载下圆形钢筋混凝土内支撑和钢筋混凝土矩形梁的变形一致性推导出来的，计算中考虑了支撑点的位移、施工荷载步对地下连续墙内力和变形的影响。

4.1.2 计算过程

计算过程主要根据竖井施工开挖步骤和运行过程的最不利荷载组合确定，以1#竖井为例，首先是施工钢筋混凝土帽梁，然后是分层开挖，每开挖一层后施工一道内衬，共有11个施工步骤，包括1道帽梁和9道内衬，以及最后封底成功，浇筑钢筋混凝土底板。

4.1.3 计算结果

图1是1#竖井计算结果，反映了竖井在施工过程中及完工后，地下连续墙各部位承受的弯矩、剪力的最大值和内支撑提供的支反力的最大值。由于是将圆形地下连续墙和内衬结构转化为平面计算，圆形结构将外侧水平荷载转换为环向内力的优势在本模型中体现不出来，此计算应当是偏于保守的。竖井地下连续墙的最大剪力分别为-455 kN和662 kN，最大弯矩分别为-1 129 kN·m和553 kN·m，内支撑承受的最大支反力为877.7 kN/m，位于第8道内衬。

4.2 平面有限元计算方法

4.2.1 计算模型

对竖井结构体系进行平面有限元分析，取单位长度的地下连续墙作为计算梁单元，并将环形内支撑作用转换为水平内支撑，通过施工步模拟基坑开挖、浇筑内支撑、封底全过程，计算模型见图2。

4.2.2 计算过程

同样以1#竖井为例，根据竖井开挖、浇筑内支撑和封底的施工步序，计算中共考虑11个荷载步，前10步为分层开挖、浇筑内支撑，第11步为开挖、浇筑封底混凝土。

图1 1#竖井地下连续墙内力包络图

图2 平面有限元计算模型

4.2.3 计算结果

图3是1#竖井第11荷载步地下连续墙的内力，根据所有荷载步地下连续墙的内力结果反映，地下连续墙的纵向最大剪力为-478.7 kN，纵向最大弯矩为-632.7 kN·m，均出现在第11荷载步，位于底板上方。

4.3 空间三维有限元计算方法

4.3.1 计算模型

在空间三维有限元模型中，施工步的实施是通过对模型单元的“生”“死”控制来实现的[4]，但对于大型模型来说施工步十分复杂，所以本工程仅对竖井的最后一个荷载步，即开挖并浇筑底板后，按空间三维有限元模型进行竖井结构受力分析。分析计算前，按照JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》要求计算其水、土压力[5]，并将其作为初始面荷载作用在地下连续墙的外侧，1#竖井的三维模型见图4，整个计算模型共建有182 806个单元，48 017个节点，模型中未考虑地下连续墙槽段间接缝，地下连续墙与钢筋混凝土内支撑间的接触考虑为整体共同受力。

4.3.2 计算结果

1#竖井地下连续墙内力见表1，可以分析出地下连续墙其控制弯矩为My，最大值为-455.93 kN·m，位于底板上方；控制剪力应为Fx和Fy的矢量和，最大值为598.4 kN，位置处于第8道内支撑附近；第8道内支撑的控制弯矩为-882.83 kN·m，轴力为446.41 kN。

三维有限元模型较弹性地基梁、平面有限元模型可以更加真实地反映复杂结构受力，直观表现出结构受力变形情况，易于发现结构上的薄弱点，竖井下部地下连续墙供盾构穿越的水平孔洞第一主应力见图5，最大第一主应力为1.07×107Pa。

图3 第11荷载步地下连续墙的内力

5 竖井计算结果比较分析

5.1 地下连续墙结构内力比较分析

根据上述3种方法对于1#竖井的计算，弹性地基梁方法地下连续墙承受的最大弯矩为-1 129 kN·m，平面有限元方法最大弯矩为-632.7 kN·m，空间三维有限元方法的最大弯矩为-455.93 kN·m。弯矩值出现如此差异的原因主要有两点：

1）对于圆形地下连续墙结构，空间方法与平面方法最大的不同是，空间方法可以考虑圆形的环箍效应，将水平荷载转变为环向的轴力，而平面方法却将水平荷载转变为竖向弯矩，故空间方法计算出的弯矩较小，只有方法1的40%和方法2的72%。

2）对于平面计算，有限元方法与弹性地基梁方法最大的不同是内支撑的假定不一样，在平面有限元方法中内支撑假设为一根对撑梁，而弹性地基梁方法内支撑仅假设为一支点，支撑的内力和变形对地下连续墙的内力有着较大的影响。

图4 空间三维有限元计算模型

表1 1#竖井地下连续墙内力表

图5 地下连续墙供盾构穿越的水平孔洞处第一主应力

5.2 内支撑结构内力比较分析

弹性地基梁方法计算出的内支撑承受的最大支反力为877.7 kN/m，利用常规设计方法可以得到内支撑的设计弯矩2 176.44 kN·m和设计轴力3 532.83 kN，远远大于空间三维有限元方法计算出的设计内力。主要原因是三维有限元方法体现圆形地下连续墙与内支撑的共同承担荷载能力，而弹性地基梁方法人为将地下连续墙和内支撑分成两个结构。

6 结语

对于竖井结构数值计算，空间三维有限元模型与实际更加接近，更能体现圆形地下连续墙与内支撑的变形协调和共同承担荷载能力，较平面有限元及弹性地基梁方法节省投资，但由于三维有限元单元本构模型参数的确定以及施工步骤的模拟比较复杂，还有待于大量工程实例和试验进行对比验证，在工程中通常是采用弹性地基梁方法进行设计计算，空间三维有限元计算分析作为优化参考。