基于ANSYS的超深异形沉井取土稳态分析

杨 瀛

广州市第三市政工程有限公司 广东 广州 510000

沉井施工是一种能避免土方大开挖的施工方法，区域限制较小。传统的矩形或圆形沉井为规则形状，在土质基本均匀的情况下，采用抓斗挖掘井底中央部分的土，使其形成凹底，一般当凹底比刃脚低1～1.5m时，沉井即可依靠自重下沉，且将刃脚下的土挤向中央凹底，然后再由抓斗继续取土，重复以上工序下沉至标高。

对于不规则形状的沉井，无法像矩形或圆形沉井可形成规则凹底，纠偏控制极为困难，一旦开挖顺序不当，极易造成沉井倾斜，此时若进行超挖纠偏将导致沉井漂移，因此其开挖取土顺序至关重要，本文拟研究不同的开挖取土顺序和刃脚切土对异形沉井下造成的影响，进而分析出沉降规律，得到取土经验数据，供类似工程参考[1]。

1 示例工程概况

以某电力管廊项目为示例工程，其中一个顶管工作井为五边形异形沉井，平面内径为12.7m×11.38m×4.52m×12.2m×8.7m，壁厚度为650mm和950mm两段设计，基坑开挖深度约14.5m，开挖面积181.12㎡。根据地勘揭示，开挖范围由上而下分别为素填土、可塑状粉质粘土(稍密状粉土)、硬塑状粉质粘土、基坑底位于硬塑状粉质粘土。

2 异形沉井下沉取土方式

该异形沉井无论在面积还是深度上均属于超大型沉井，如果按常规方式从中部向四周辐射开挖，在不排水下沉的施工方式下，一是中部大开挖形成的凹底土体缺失较多，土体浸泡后松散滑动形成联动效应，容易产生沉井部分区域下沉过快导致偏斜，给纠偏控制造成困难；二是周边土体向中部凹底垮台滑落形成土层位移，导致周边地表沉降，随着下沉深度增加，土压力上升，将加剧这一过程。

为避免超挖造成周边土体位移和不合理的开挖顺序导致沉井偏移，本文结合现场实际施工情况及施工经验，拟采取预留核心土分块开挖的方式，做法如下：

1）先按一定的分块开挖顺序，开挖刃脚沉井内侧土体，形成连贯的四周凹底，见图1所示；

图1 先开挖外侧土体形成下沉凹底

2）待形成的凹底达到一定深度，沉井切土下沉至单次控制高度后，再开挖中部预留核心土区域，见图2所示，并重复这两个过程。

为控制单次开挖量及开挖范围，作为预留核心土分块开挖方式的指导顺序，将沉井内部区域划分为10个区域，预留核心土面积约40㎡，外侧区域单次开挖面积控制在9～12㎡左右[2]。按分块对称的方式开挖，拟定的开挖顺序为1～10，分为两种：一种为先开挖角部后开挖边部，形成下沉前的四边支撑，见图3；一种为先开挖边部再开挖角部，形成下沉前的四角支撑，见图4。

图3 先开挖角部后开挖边部

图4 先开挖边部后开挖角部

3 基于ANSYS的沉井取土稳态分析

为研究前述两种分块开挖顺序在沉井下沉中的偏移情况，对比沉降差优劣，分析对下沉稳态控制的影响，以得到理论依据，本文使用有限元分析工具ANSYS进行模拟。

假定开挖土层为均质土，取沉井一定范围内的土层以及沉井作为计算对象，沉井计算高度取至首节变截面处。沉井初始状态为刃脚部分已切入土中，不考虑沉井自身的受力变形情况，即将沉井定义成刚性体，采用生死单元法，控制沉井跨中或角部的土单元的生死来实现不同的挖土施工顺序。为真实的模拟土对沉井作用，计算模型中土层底部作竖向位移约束，土层周边作水平位移约束，井内土体按1㎡划分[3]。

1）按图3顺序先开挖沉井角部土层，沉井结构主体在水平方向倾斜位移1.2mm，但竖向位移偏差较大，为14.87mm，合并位移为23.90mm，表现为不规则五边形尖角处发生先行下沉现象。沉井的整体位移和竖向位移见图5和图6所示。

图5 先开挖角部沉井整体位移

图6 先开挖角部沉井竖向位移

2）按图4顺序先开挖沉井边部土层，沉井结构主体在水平方向倾斜位移最大1.3mm，竖向位移偏差7.55mm，合并位移为21.93mm，表现为右上部先行下沉现象，但较先开挖角部的下沉量小。沉井的整体位移和竖向位移见图7和图8所示。

图7 先开挖边部沉井整体位移

图8 先开挖边部沉井竖向位移

由上述分析过程可见，第一阶段先开挖沉井角部后，角部达到可切土下沉状态，此时沉井中部土体对沉井结构形成支撑作用，但因其作用线形成的支撑中心与沉井几何质心并不重合，形成跷跷板效应，造成离质心较远的沉井尖部先行下沉，比先行开挖沉井边部的稳态较差。因此，综合考虑到现场施工及地质条件的复杂性，宜选择先开挖边部后开挖角部的顺序进行开挖取土。

4 超深异形沉井下沉控制

1）开挖

根据前述工艺研究及稳态分析结果，采取“先边部后角部，预留核心土”的方式，使用SK350伸缩臂挖机分层分块开挖，单次开挖深度应控制在0.5m～1m左右，防止开挖过深周边土体涌入，且随着开挖深度增加，地下水位与土窝底部高差逐渐加大，渗水现象亦不断加大，开挖深度应相应减少。

2）纠偏

沉井的下沉其速度与测量和高差测量是确保沉井平稳下沉的关键之一，是沉井取土下沉顺序安排，终沉标高及轴线控制的依据，在下沉过程中，由专业测量员观测测量。每班必须测量二至三次，在关键时必须连续观测，并进行检查，每班必须做好测量记录。

当沉井离设计标高约2m时，对下沉与控土情况应加强观测，并进行数据分析，以防超沉。当沉井离设计标高1m左右时，称之为压密阶段下沉，紧密观察24h，测算下沉趋势并降慢下沉速度，沉井应逐渐形成挤土下沉的情况，形成中心向四周近似梯度受力情况，使沉井安全下沉到设计标高，达到规范规定允许范围内。

沉井下沉过程大多是以略微倾斜的形态下沉，但需防止大幅度的倾斜、位移、扭转等情况，必须加强观测，及时发现并及时采取措施纠正，当倾斜角度较大时，应采取下沉纠偏而不能采用为纠偏而纠偏的方针。

5 实施效果验证

示例工程的顶管工作井施工工期约25天，施工中严格按施工方案及规范的要求的项目和频率进行了沉降与位移监测，统计施工期间的累计沉降数据，见图9所示。

图9 地面累计沉降曲线

根据监测沉降数据分析，其数值累计变化最大值为13.49mm，远低于设计控制值30mm，说明基于有限元分析的开挖取土及下沉控制技术在超深异形沉井的下沉施工中取得了良好效果，有效降低了地面沉降，提高了施工效率。

6 结语

通过使用有限元工具分析了分块开挖和不同开挖顺序对超大型异形沉井取土下沉过程的稳态影响，筛选出了先边部后角部、预留核心土的开挖取土方式，严格控制开挖顺序和单次开挖量，施工过程中沉降最大值13.49mm，远低于设计值，达到了预期要求，提高了施工控制精度，保护了周边建构筑物。在同类型工程的实际施工中，应具体分析异形沉井的结构形式，结合现场情况及周边环境和地质条件，以控制沉井下沉稳态为目的，制定针对本工程较为合理的施工方法。