王鹏宇

(1.四川省建筑科学研究院有限公司，四川成都 610081;2.四川省建筑工程质量检测中心有限公司，四川成都610081)

1 顶管工作井

随着我国城市化的快速发展，地下管网的新建、改造等需求日益增长，顶管施工能避免大量明挖和减小对周边道路、建筑、交通等设施影响，具有较好的经济效益，得到了广泛的应用。顶管工作井作为一种基坑支护结构，主要为顶管施工提供施工空间，通常需要承受顶进施工的反力，因此工作井的安全和稳定对于整个顶管工程至关重要。近年来不乏学者对顶管工作井结构设计及受力特性方面的研究，王东会[1]通过结构设计、编制软件等方法，设计了一套通过现场拼接而成的支护体系，并针对该支护体系编制了相应的设计软件；戴颜斌[2]设计研发了一种由螺栓连接的新式圆形混凝土顶管工作井，并研发出了适合圆形装配工作井的施工工艺；程嘉秋[3]通过理论分析，数值模拟，实时监测数据等方法，分析了顶管工作井在顶管施工过程中的受力特性，并根据研究结果提出了一些可行的工作井设计建议；黄坚生[4]使用数值分析方法研究了矩形顶管工作井结构及土体的空间受力和变形特点，结果表明工作井结构受力响应无论是深度方向还是水平向都体现出了明显的空间性；耿亚梅等[5]通过采用四因素三水平正交试验法进行多因素系统分析，研究了环梁厚度、地下连续墙厚度、内衬墙厚度等因素对工作井支护结构的变形和受力的影响规律，试验表明使用正交试验设计方法确定工作井合理的支护参数可以大大减少计算数量；宋金良[6]建立了环一梁分载计算理论，为圆形工作井结构提供了一种新的计算分析方法，并研制了环-梁分载计算分析软件；魏丽敏等[7]采用三维有限元分析，给出了浅埋沉井土抗力沿圆周分布的拟合方程，采用规范法及有限元法对顶力作用下深埋、浅埋工作井的位移和新增土抗力进行对比分析，结果表明规范法将导致土抗力的计算结果偏大。

基坑支护工程需要依靠完善的设计规范和施工工艺，考虑工程场地的地质条件、周边环境对基坑支护的影响、地震灾害的不确定性等。基坑支护设计及施工针对地震灾害的防范，对我国特别是地震灾害高发地区极为重要。赵双喜[8]采用数值模拟、室内振动台模型试验等方法，系统研究了强震作用下，地下连续墙基坑支护结构的地震反应特性，研究发现在地震荷载作用下，地下连续墙墙体最大主应力位于基坑底部范围；王颖轶[9]采用数值模拟、室内试验及理论分析等综合研究方法，研究了强地震作用下不同形式深基坑抗震稳定性、基坑支护体系地震位移及灾变的时程和空间分布等，并开发了基于任意三维正交立体交汇色谱分析法用于定点评价混凝土内部结构损伤的三维解析软件；张杰[10]通过有限元数值模拟和理论分析等方法，研究了基坑开挖过程中土体的力学特性和桩锚支护体系的变形规律及地震作用下桩锚支护体系的动力特性和抗震性能，对桩锚支护体系的抗震性能进行了系统评价。

然而现有研究成果鲜有针对顶管工作井进行地震响应分析，本文在现有研究基础上，根据现有工作井工程实例，建立了有效的土-结构三维有限元模型，对顶管工作井进行地震响应分析。

2 研究方法

本文采用数值模拟方法，通过ABAQUS大型有限元软件对工作井建立有效的土-结构有限元模型，通过输入实际地震记录对工作井进行地震响应分析。

2.1 工作井支护方案

本文选择某顶管工程工作井实例，该工程采用矩形截面沉井法施工，工作井截面尺寸6.0 m×6.0 m(图1)，工作井深度为8.0 m，混凝土强度等级C30，壁厚40 cm，井壁均匀配筋C18@150 mm。工作井侧壁土层参数见表1。

图1 工作井截面示意(单位:mm)

表1 土层参数

2.2 计算模型

本文选用了混凝土损伤本构模型来模拟反复荷载作用下混凝土的塑性损伤。混凝土损伤模型由Lubliner等[11]提出，并由Lee和Fenves[12]在其基础上改进、发展，模拟混凝土等准脆性材料在反复荷载作用下的力学行为，比较适合模拟地震等荷载作用下混凝土结构的弹塑性时程分析。

为了准确模拟地下结构在土体中的响应，设置粘弹性人工边界模拟无限地基，对截取的计算区域设置人工边界以吸收地震波的反复反射。当地基范围取为结构三倍宽度时即可得到较好的计算结果(朱彬，2005)[13]，本文模型横向、竖向和纵向方向土层范围分别取为X=7×6.0 m=42.0 m、Y=7×6.0 m=42.0 m、Z=4×8.0 m=32.0 m。

作用在人工边界节点上的等效节点力(赵建锋、杜修立(2007)[14]及赵密(2004、2009)[15-16]为：

(1)

其中，人工边界节点处自由场位移向量为：

(2)

自由场速度向量：

(3)

对于地下结构，由于两种材料性质差别大，土与结构的接触模拟至关重要，基于ABAQUS的接触分析方法，接触面法向定义为硬接触，切向接触采用库伦摩擦模型，即当切向摩擦力小于定值时接触面不发生切向的相对位移，而当切向摩擦力超过定值时接触面发生滑移。

2.3 计算工况

本文模型输入1999年台湾集集地震，TCU045(N-S向记录)，截取部分进行滤波处理。地震峰值分别调幅至0.1g、0.2g及0.3g后进行输入。

如图2为输入的加速度时程(0.3g工况)。

图2 TCU045加速度时程曲线

3 计算分析

3.1 加速度反应分析

表2为工作井井壁处土体在三种地震力工况下的横向加速度峰值，可知井壁处土体加速度随地震力的传播方向逐渐增大，验证了土层对地震动的放大作用。其中，0.3g工况下井壁处土体最大加速度已达到0.428g，增幅比例约43 %。

表2 井壁处土体横向加速度峰值

表3为深度方向井壁各点横向加速度峰值，与同侧土体相比，加速度峰值近似，可知在地震力作用下土体与工作井结构的振动具有较好的整体性。

表3 井壁横向加速度峰值

3.2 位移反应分析

为了研究地震作用下工作井的变形特征，对不同工况下工作井各参考点与底板的相对位移时程进行了比较，并计算相应输入下的工作井剪切角时程，见表4。

表4 井壁最大剪切角(参考点位见图1)

如图3所示为井壁处各参考点相对底板的位移时程峰值，可知井壁出各参考点相对底板的位移峰值随距底板距离的增加逐步增加，0.3g地震力作用下最大相对位移11.32 mm，与0.2g及0.1g相比，分别增加了99.3 %及219.8 %。与井壁上半部分相比，井壁下半部分，即距底板0.0～4.0 m处相对位移增加幅度有所增加。

图3 井壁处各参考点相对底板的位移时程峰值

3.3 工作井混凝土损伤分析

本文模型材料混凝土损伤模型模拟工作井在地震作用下的弹塑性响应，利用损伤因子参数描述混凝土在反复荷载作用下的刚度退化。如图4～图9所示分别为0.1g、0.2g及0.3g地震工况作用下工作井侧板及底板的混凝土损伤受拉云图。

图4 0.1g工况侧板混凝土受拉损伤云图

图5 0.3g工况侧板混凝土受拉损伤云图

图6 0.2g工况侧板混凝土受拉损伤云图

图7 0.1g工况底板混凝土受拉损伤云图

图8 0.2g工况底板混凝土受拉损伤云图

图9 0.3g工况底板混凝土受拉损伤云图

由图可知，随输入地震加速度的增大，侧板混凝土损伤逐步加大。0.1g地震作用下，仅底板与侧板连接处、侧板交界处及底板中心处有较小程度的损伤，最大损伤因子约0.15，底板中心处最大损伤约0.21，结构整体基本完好，依据地震烈度与加速度的对应关系，此工况下实际对应Ⅶ度与Ⅷ度之间。0.2g地震作用下(实际对应Ⅶ度至Ⅷ度强之间)，损伤程度逐步加大，其中侧板跨中处损伤为最大损伤位置，损伤因子约0.36，底板与侧板交界处也出现一定程度损伤，损伤因子达到约0.30，该工况下损伤已由局部向四周开始发展，为中等程度破坏。0.3g地震作用下(实际对应Ⅶ度强至Ⅸ度之间)，侧板、底板均有发生了较大程度的塑性损伤，侧板跨中处最大损伤因子已达到约0.83，底板与侧板交界处最大损伤因子约0.43，工作井结构趋于完全破坏。

随地震动输入的增大，工作井混凝土损伤按底板与侧壁交界处→各侧板交界处→侧板跨中处的顺序逐渐增大，且在侧板跨中处达到最大损伤。

4 结论

本文对顶管工作井进行了地震响应分析，初步得到以下结论：

(1)通过建立有效的土-工作井三维有限元模型，输入不同工况的地震作用进行了地震响应分析，计算发现工作井底板、侧板与底板交界处、各侧板交界处及侧板跨中处均发生了不同程度的损伤。

(2)依据地震烈度与加速度的对应关系，Ⅷ度强至Ⅸ度之间工作井结构趋于完全破坏。

(3)通过不同地震作用工况下工作井的地震响应结果，分析了工作井在地震作用下的破坏模式，工作井混凝土损伤按底板与侧板交界处→各侧板交界处→侧板跨中处的发展顺序逐渐增大，得出侧板跨中处为损伤最大位置，而顶管施工时侧板需要承受较大顶力，应加强这些部位的抗震设计。