动水压作用下临近湖泊沉井结构整体受力性能研究

范志超，张启龙

（中国电建市政建设集团有限公司，天津 300384）

1 引言

城市水利管线建设中， 常使用顶管掘进法开展地下管线工程建设，尤其是遇到穿越城市湖泊、江河等工程，泥水平衡顶管掘进机得到广泛应用。 当泥水平衡掘进机在穿越江河湖泊施工工程时， 需要在临近湖泊附近修建沉井结构作为顶管掘进机始发井。 修建沉井结构时，通常会降低湖泊水位；修建完成后，恢复湖泊原有水位。 这就容易造成沉井结构不同外表面承受不同水压力作用，而且这些水压力是动水压力。 在沉井结构受力研究方面也有了一些初步探讨。李雨[1]鉴于当前部分市政工程沉井结构施工不合理的现状， 提出了与之相适应的市政结构顶管工程中沉井结构施工方案。肖刚[2]结合某工程实例，开展了市政结构顶管工程沉井结构设计相关探讨研究。 郑一苇[3]以某市政结构顶管工程为主要研究对象，分析市政工程顶管施工中的沉井结构优化设计。梁峰[4]提出了通过对沉井设计工作的优化和完善，提高沉井结构的完整性和安全性，提高整个顶管工程施工工作的质量水平。夏国燕[5]以沉井结构实际案例为例，分析了市政顶管工程沉井结构的设计要点，讨论了沉井结构设计的相关应用。

本文结合典型顶管始发沉井结构工程， 采用数值计算分析方法，建立了动水压作用下沉井结构数值计算模型，研究了动水压作用下沉井结构整体受力性能， 为临近湖泊地下工程结构设计与施工提供重要的参考。

2 工程概况

珠三角水资源配置工程东莞配套松山湖水厂一期管线工程，位为松山湖、大朗镇、大岭山镇。 工作内容包括5 条配水管线和1 条原水管线。 原水管线管径为DN3 200， 管材采用钢管，管道长度约为420 m，配管线总长度约12 864 m，管径范围为1 000～2 400 mm， 采用球墨铸铁管和钢管， 分为新城路段（不含涉铁段）、新城路段（涉铁段）、西线环湖路段、北线环湖路段、青田路段、杨朗路段、美景西路段。

顶管掘进机始发与接收井均采用沉井结构， 深井位置如图1 所示，其地层主要包括素填土、强风化花岗岩（土）、中风化花岗岩。 风化花岗岩数弱透水层。 顶管工作井为圆形，直径（内径）14.0 m，上部区域井壁厚1.0 m，底部韧脚壁厚1.2 m，井壁及底板采用C30 钢筋混凝土抗渗等级P6，封底采用C25混凝土等。 其施工基本方法：沉井下沉根据地下水位情况，采用不排水挖土下沉方法。 采用挖机挖掘井底中央部分的土，使沉井形成锅底，挖土须分层、对称、均匀地进行，由沉井中间开始逐渐挖向四周，每层高0.4～0.5 m。 沉井每节的混凝土达到100%强度后方可下沉，下沉时首先需将沉井井壁上全部预留孔加以封堵，对于较大的孔用M10 水泥砂浆砌机砖封堵并设加强筋，在内外面用1∶2 水泥砂浆抹面厚20 mm。 沉井下沉至设计标高后观察其稳定性， 在8 h 内沉井自沉累计量不大于10 mm 时，才能进行封底。

图1 沉井结构位置

3 数值计算模型与分析方法

3.1 数值计算模型

采用ABAQUS 有限元软件对工程进行模拟研究。 对深井的模拟分析，需要先建立深井及周围土质的本构模型。 根据工程项目背景， 模拟不同水位对深井的受力影响以及不同工况对深井沉降的影响。 各土层均采用摩尔-库伦本构模型，深井则采用弹性本构模型进行模拟。 模型示意图细节如下：下部总长度80 m，左侧深30 m，右侧深18 m，深井依据结构尺寸，高22 m，宽16 m，壁厚1 m；以深井为分界，深井左侧中风化花岗岩深度27 m，粉质黏土深3 m，右侧依次为16 m 和2 m。 土层和深井均采用2D 单元。 网格密度采用1 m 进行划分，部分进行网格加密。

为建立有效的数值模拟， 需要对模型赋予基本物理力学参数。 根据地质勘察报告， 对物理模型中各计算参数赋值如下，深井：弹性模量3.35×104MPa，泊松比0.3，密度23 kN/m3。各层土体的力学参数见表1。

表1 模型计算参数

3.2 数值计算分析方法

深井施工前和投入使用的过程中， 周围水体产生的水头压力对深井的使用有显著的影响。 基于大型数值计算程序ABAQUS 建立深井在不同水位的力学计算模型，有序改变水头压力，根据工程实际分为3 个工况，分析3 个工况下深井的变形与渗透规律，以及内力分布的变化规律。

工况一：考虑深井施工时的工作水位，湖水深度为8 m；

工况二：深井使用期间的正常水位，①面为水位线，深度24 m，③面深度为18 m，在③面上施加3×104Pa 的应力边界和3×104Pa 的孔隙压；

工况三：深井使用期间的最高水位，①面为水位线，深度24 m， 在③面上施加7×104Pa 的应力边界和7×104Pa 的孔隙压。 模型水位线示意图如图2 所示（②面为枯水期的水位线）。

图2 模型水位线示意图

4 沉井结构整体受力性能分析

4.1 深井水压力随水位的变化特征

深井结构在不同工况下， 深井的侧壁孔隙水压力分布出现明显变化。 深井前后壁的孔隙水压力随着水位的升高而增大，其中，最大值位于深井的底部右侧。 工况一由于水位在深井下面，所以，深井的孔隙水压力在软件云图中显示是负值。在最大水头压力 （工况三） 下深井底部右侧的孔隙水压力为78.09 kPa， 工况二深井底部右侧的孔隙水压力为62.4 kPa，增大了约25.14%。 在深井上布置孔隙水压力测点，选择底部以及靠近下部的点作为测点， 测点1、2、3 和测点5、6、7 分别位于深井左侧和右侧，相邻侧点相隔1 m，测点4 位于底部中点。

在深井布置7 处孔隙水压力测点， 表2 列出了7 个测点在两种工况下的孔隙水压力值。 通过比较可以得出：深井的整体孔隙水压力与水头压力是呈正比例关系，其中，测点7 的增长比例达到32.5%，在工况二的水头压力影响下，深井右侧所承受的孔隙水压力比左侧大了10%～20%。 在相同工况下，深井底部的孔隙水压力最大，右侧次之，左侧最小。

表2 不同工况下测点的孔隙水压力

4.2 深井随水位的变化特征

根据3 种工况下流固耦合作用，在不同水头压力作用下，选取深井结构为分析对象， 可以得到3 种工况下的内力分布云图。 从深井应力和剪力云图分析可知：深井的应力和剪力在不同工况下的分布规律大致相同， 最大应力均位于深井左壁底部，最大剪力在底部靠左壁的位置。 由深井剪力云图可知正剪应力主要分布在深井侧壁和底部左半部分， 负剪应力主要分布在底部右半部分。

4.3 深井随水位的沉降变形

深井结构在不同工况下， 深井的竖向位移分布出现明显变化。在流固耦合作用下，3 种工况不同动水压力下，工况一的位移沉降整体最小，因为水位在深井之下，由软件云图可知右壁的位移比左臂的位移大。 工况二与工况三的位移变化分布大致相似，但由于工况三的水位高3 m，整体位移比工况二大了5 mm 左右。

根据深井布置的7 个测点， 列出了7 个测点在3 种工况下的位移。 通过比较可以得出：深井的右壁位移与测点位置是呈正比例关系，随着测点逐渐向上移动，位移逐渐增加；工况三测点7 位移2.93 cm 比工况二2.49 cm 增大了4.4 mm，对比测点1 和测点7 在工况二和工况三变化， 测点1 增大了16.8%，测点7 增大了17.7%，在动水压的增大的影响下，深井右壁的位移变化比左壁更大，深井的不均匀变形，会导致深井产生开裂，产生的裂缝会加大周围水的渗透程度，影响深井的使用。

5 结语

针对动水压力作用下顶管始发沉井结构整体受力特征，采用数值计算分析方法， 建立了动水压作用下沉井结构数值计算模型，研究了动水压作用下沉井结构整体受力性能，为临近湖泊地下工程结构设计与施工提供重要的参考。