動水壓作用下臨近湖泊沉井結構整體受力性能研究

范志超，張啟龍

（中國電建市政建設集團有限公司，天津 300384）

1 引言

城市水利管線建設中， 常使用頂管掘進法開展地下管線工程建設，尤其是遇到穿越城市湖泊、江河等工程，泥水平衡頂管掘進機得到廣泛應用。 當泥水平衡掘進機在穿越江河湖泊施工工程時， 需要在臨近湖泊附近修建沉井結構作為頂管掘進機始發井。 修建沉井結構時，通常會降低湖泊水位；修建完成后，恢復湖泊原有水位。 這就容易造成沉井結構不同外表面承受不同水壓力作用，而且這些水壓力是動水壓力。 在沉井結構受力研究方面也有了一些初步探討。李雨[1]鑒于當前部分市政工程沉井結構施工不合理的現狀， 提出了與之相適應的市政結構頂管工程中沉井結構施工方案。肖剛[2]結合某工程實例，開展了市政結構頂管工程沉井結構設計相關探討研究。 鄭一葦[3]以某市政結構頂管工程為主要研究對象，分析市政工程頂管施工中的沉井結構優化設計。梁峰[4]提出了通過對沉井設計工作的優化和完善，提高沉井結構的完整性和安全性，提高整個頂管工程施工工作的質量水平。夏國燕[5]以沉井結構實際案例為例，分析了市政頂管工程沉井結構的設計要點，討論了沉井結構設計的相關應用。

本文結合典型頂管始發沉井結構工程， 采用數值計算分析方法，建立了動水壓作用下沉井結構數值計算模型，研究了動水壓作用下沉井結構整體受力性能， 為臨近湖泊地下工程結構設計與施工提供重要的參考。

2 工程概況

珠三角水資源配置工程東莞配套松山湖水廠一期管線工程，位為松山湖、大朗鎮、大嶺山鎮。 工作內容包括5 條配水管線和1 條原水管線。 原水管線管徑為DN3 200， 管材采用鋼管，管道長度約為420 m，配管線總長度約12 864 m，管徑范圍為1 000～2 400 mm， 采用球墨鑄鐵管和鋼管， 分為新城路段（不含涉鐵段）、新城路段（涉鐵段）、西線環湖路段、北線環湖路段、青田路段、楊朗路段、美景西路段。

頂管掘進機始發與接收井均采用沉井結構， 深井位置如圖1 所示，其地層主要包括素填土、強風化花崗巖（土）、中風化花崗巖。 風化花崗巖數弱透水層。 頂管工作井為圓形，直徑（內徑）14.0 m，上部區域井壁厚1.0 m，底部韌腳壁厚1.2 m，井壁及底板采用C30 鋼筋混凝土抗滲等級P6，封底采用C25混凝土等。 其施工基本方法：沉井下沉根據地下水位情況，采用不排水挖土下沉方法。 采用挖機挖掘井底中央部分的土，使沉井形成鍋底，挖土須分層、對稱、均勻地進行，由沉井中間開始逐漸挖向四周，每層高0.4～0.5 m。 沉井每節的混凝土達到100%強度后方可下沉，下沉時首先需將沉井井壁上全部預留孔加以封堵，對于較大的孔用M10 水泥砂漿砌機磚封堵并設加強筋，在內外面用1∶2 水泥砂漿抹面厚20 mm。 沉井下沉至設計標高后觀察其穩定性， 在8 h 內沉井自沉累計量不大于10 mm 時，才能進行封底。

圖1 沉井結構位置

3 數值計算模型與分析方法

3.1 數值計算模型

采用ABAQUS 有限元軟件對工程進行模擬研究。 對深井的模擬分析，需要先建立深井及周圍土質的本構模型。 根據工程項目背景， 模擬不同水位對深井的受力影響以及不同工況對深井沉降的影響。 各土層均采用摩爾-庫倫本構模型，深井則采用彈性本構模型進行模擬。 模型示意圖細節如下：下部總長度80 m，左側深30 m，右側深18 m，深井依據結構尺寸，高22 m，寬16 m，壁厚1 m；以深井為分界，深井左側中風化花崗巖深度27 m，粉質黏土深3 m，右側依次為16 m 和2 m。 土層和深井均采用2D 單元。 網格密度采用1 m 進行劃分，部分進行網格加密。

為建立有效的數值模擬， 需要對模型賦予基本物理力學參數。 根據地質勘察報告， 對物理模型中各計算參數賦值如下，深井：彈性模量3.35×104MPa，泊松比0.3，密度23 kN/m3。各層土體的力學參數見表1。

表1 模型計算參數

3.2 數值計算分析方法

深井施工前和投入使用的過程中， 周圍水體產生的水頭壓力對深井的使用有顯著的影響。 基于大型數值計算程序ABAQUS 建立深井在不同水位的力學計算模型，有序改變水頭壓力，根據工程實際分為3 個工況，分析3 個工況下深井的變形與滲透規律，以及內力分布的變化規律。

工況一：考慮深井施工時的工作水位，湖水深度為8 m；

工況二：深井使用期間的正常水位，①面為水位線，深度24 m，③面深度為18 m，在③面上施加3×104Pa 的應力邊界和3×104Pa 的孔隙壓；

工況三：深井使用期間的最高水位，①面為水位線，深度24 m， 在③面上施加7×104Pa 的應力邊界和7×104Pa 的孔隙壓。 模型水位線示意圖如圖2 所示（②面為枯水期的水位線）。

圖2 模型水位線示意圖

4 沉井結構整體受力性能分析

4.1 深井水壓力隨水位的變化特征

深井結構在不同工況下， 深井的側壁孔隙水壓力分布出現明顯變化。 深井前后壁的孔隙水壓力隨著水位的升高而增大，其中，最大值位于深井的底部右側。 工況一由于水位在深井下面，所以，深井的孔隙水壓力在軟件云圖中顯示是負值。在最大水頭壓力 （工況三） 下深井底部右側的孔隙水壓力為78.09 kPa， 工況二深井底部右側的孔隙水壓力為62.4 kPa，增大了約25.14%。 在深井上布置孔隙水壓力測點，選擇底部以及靠近下部的點作為測點， 測點1、2、3 和測點5、6、7 分別位于深井左側和右側，相鄰側點相隔1 m，測點4 位于底部中點。

在深井布置7 處孔隙水壓力測點， 表2 列出了7 個測點在兩種工況下的孔隙水壓力值。 通過比較可以得出：深井的整體孔隙水壓力與水頭壓力是呈正比例關系，其中，測點7 的增長比例達到32.5%，在工況二的水頭壓力影響下，深井右側所承受的孔隙水壓力比左側大了10%～20%。 在相同工況下，深井底部的孔隙水壓力最大，右側次之，左側最小。

表2 不同工況下測點的孔隙水壓力

4.2 深井隨水位的變化特征

根據3 種工況下流固耦合作用，在不同水頭壓力作用下，選取深井結構為分析對象， 可以得到3 種工況下的內力分布云圖。 從深井應力和剪力云圖分析可知：深井的應力和剪力在不同工況下的分布規律大致相同， 最大應力均位于深井左壁底部，最大剪力在底部靠左壁的位置。 由深井剪力云圖可知正剪應力主要分布在深井側壁和底部左半部分， 負剪應力主要分布在底部右半部分。

4.3 深井隨水位的沉降變形

深井結構在不同工況下， 深井的豎向位移分布出現明顯變化。在流固耦合作用下，3 種工況不同動水壓力下，工況一的位移沉降整體最小，因為水位在深井之下，由軟件云圖可知右壁的位移比左臂的位移大。 工況二與工況三的位移變化分布大致相似，但由于工況三的水位高3 m，整體位移比工況二大了5 mm 左右。

根據深井布置的7 個測點， 列出了7 個測點在3 種工況下的位移。 通過比較可以得出：深井的右壁位移與測點位置是呈正比例關系，隨著測點逐漸向上移動，位移逐漸增加；工況三測點7 位移2.93 cm 比工況二2.49 cm 增大了4.4 mm，對比測點1 和測點7 在工況二和工況三變化， 測點1 增大了16.8%，測點7 增大了17.7%，在動水壓的增大的影響下，深井右壁的位移變化比左壁更大，深井的不均勻變形，會導致深井產生開裂，產生的裂縫會加大周圍水的滲透程度，影響深井的使用。

5 結語

針對動水壓力作用下頂管始發沉井結構整體受力特征，采用數值計算分析方法， 建立了動水壓作用下沉井結構數值計算模型，研究了動水壓作用下沉井結構整體受力性能，為臨近湖泊地下工程結構設計與施工提供重要的參考。