基于滲流應(yīng)力耦合的基坑開挖受力特性及其對(duì)鄰近地鐵隧道的影響

黃戡，楊偉軍，馬啟昂,，安永林，李依，周經(jīng)偉，邱朗

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410114；2.中交二公局 第四工程有限公司，河南 洛陽(yáng)，471013；3.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭，411201)

目前，我國(guó)很多城市已修建地鐵。在密集城區(qū)修建地鐵特別是鄰近存在基坑的地鐵，常遇到施工相互影響的問(wèn)題。鄰近的深基坑施工會(huì)對(duì)地鐵產(chǎn)生影響，當(dāng)采用降水的基坑時(shí)，基坑降水對(duì)鄰近地鐵產(chǎn)生影響。人們對(duì)基坑工程滲流耦合理論及影響變形的主要因素進(jìn)行了大量研究，如：SHI等[1]分析了基坑水平卸荷下鄰近隧道的變形特性；LIANG等[2]提出了基坑開挖對(duì)鄰近隧道變形影響的一種簡(jiǎn)化計(jì)算方法；ZHANG等[3]模擬分析了鄰近開挖對(duì)隧道的影響；LO等[4]介紹了開挖對(duì)既有隧道影響的案例；LIU等[5]模擬分析了下穿隧道既有上部隧道的影響；HONG等[6]探討了開挖過(guò)程中樁土的相互作用；HUANG等[7]數(shù)值分析了盾構(gòu)隧道的變形情況；KARAKUS等[8]研究了相鄰隧道的影響問(wèn)題；ZHANG等[9]分析了鄰近開挖對(duì)隧道位移的影響；王春波等[10]總結(jié)了目前基坑滲流耦合理論的研究進(jìn)展；王衛(wèi)東等[11]對(duì)基坑開挖數(shù)值分析中的土體硬化參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)分析；周志芳等[12]基于不同水文地質(zhì)層水流運(yùn)動(dòng)特性差異提出了雙層結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型；駱祖江等[13]以比奧三維固結(jié)理論引入非線性彈性模型及滲流動(dòng)態(tài)模型建立降水與沉降的三維全耦合模型；金小榮等[14]對(duì)基坑開挖降水引起的周圍土體變形規(guī)律進(jìn)行了實(shí)例分析；馮曉臘等[15]對(duì)影響基坑開挖降水引起的位移變形主要影響因素進(jìn)行了敏感性分析；馮國(guó)健[16]提出了緊鄰深大長(zhǎng)基坑的地鐵結(jié)構(gòu)保護(hù)對(duì)策；陳曉丹等[17]分析了巖溶強(qiáng)發(fā)育地區(qū)基坑施工對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的影響；王罡[18]研究了基坑開挖施工對(duì)鄰近運(yùn)營(yíng)地鐵隧道變形影響；蔣志珍[19]探討了多基坑同時(shí)施工對(duì)相鄰地鐵線路的疊加效應(yīng)影響及控制措施；鄭余朝等[20]研究了基坑近接既有地鐵盾構(gòu)隧道施工影響分區(qū)方法。本文作者結(jié)合某在建基坑工程，分析基坑降水速度、開挖過(guò)程等不同工況下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及鄰近地鐵隧道變形情況，并與監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以便為基坑以及鄰近地鐵的施工安全提供參考。

1 基坑工程概況與支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 工程概況

長(zhǎng)沙某深基坑位于萬(wàn)家麗路西側(cè)與湘府東路南側(cè)，基坑開挖長(zhǎng)度為60.0 m，開挖寬度為40.0 m，開挖深度為9.6 m。其與長(zhǎng)沙地鐵5號(hào)線的關(guān)系見(jiàn)圖1，地層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)基坑工程周邊地形及設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高等要求，本工程屬于臨時(shí)性支護(hù)工程，基坑安全等級(jí)為Ⅰ級(jí)，側(cè)壁重要性系數(shù)取1.1，基坑設(shè)計(jì)使用年限為2 a。采用變形控制設(shè)計(jì)，主動(dòng)土壓力修正系數(shù)取1.50，基坑頂部施工荷載取15 kPa，鄰近道路荷載取20 kPa?；又ёo(hù)采用排樁+錨索方式，坑外止水帷幕采用三軸攪拌樁，基坑內(nèi)采用井點(diǎn)降水。

表1 周圍地層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical mechanical parameters of surrounded layers

圖1 數(shù)值模型Fig.1 Computing models

2 數(shù)值模型的建立

2.1 數(shù)值模型

數(shù)值模型見(jiàn)圖1?；又車馏w采用三維實(shí)體單元，排樁按照等效原則用板單元模擬，地鐵管片采用板單元，錨索采用桁架單元模擬?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)與地鐵管片采用彈性本構(gòu)；為了考慮土體開挖卸荷的影響，采用修正Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。位移邊界條件如下：模型四周與地表約束法向位移，頂面為自由面。滲流邊界條件為基坑四周與底面為不透水邊界。在止水帷幕滲處，設(shè)置滲透系數(shù)為0 m/d。

2.2 流固耦合理論

流固耦合理論采用Biot理論，三維方程如下：

式中：εν為體積應(yīng)變；pw為超孔隙水壓力；Kx，Ky和Kz分別為x，y和z方向的土體滲透系數(shù)； ?2為L(zhǎng)aplace算子；G為剪切模量；ν為泊松比；u為孔隙水壓力；γ為土的重度；γw為水的重度；wx，wy和wz分別為x，y和z方向的位移分量。

2.3 基坑降水開挖過(guò)程模擬

本基坑采用分層降水分層開挖的原則，分3個(gè)階段進(jìn)行，如圖2所示。

為了分析基坑內(nèi)降水速度對(duì)鄰近地鐵以及基坑自身的影響，分別建立1 m/(2 h)，1 m/d，1 m/(2 d)，1 m/(3 d)，1 m/(4 d)和1 m/(5 d)共計(jì)6種模擬工況，此處降水速度即表示降水深度 1 m所需時(shí)間，如1 m/(2 h)表示坑內(nèi)降水為1 m，需要時(shí)間為2 h。

圖2 基坑降水開挖步驟Fig.2 Foundation dewatering and construction procedures

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 滲流速度分析

滲流速度云圖見(jiàn)圖3。

1) 基坑底部圍護(hù)結(jié)構(gòu)與截水帷幕完成后，滲流流經(jīng)在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)周圍，呈曲線圍繞。

2) 滲流速度在XY，XZ和YZ平面內(nèi)呈現(xiàn)明顯的空間差異性與時(shí)間差異性：XY，XZ和YZ平面內(nèi)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)周圍滲流速度分別為0.001 0～0.002 5，0.001 4～ 0.002 8和0.001 6～0.002 8 m/d，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)周圍總的滲流速度為0.002 0～0.002 9 m/d。

3.2 鄰近地鐵隧道以及基坑圍護(hù)樁變形分析

以圖2中的降水開挖進(jìn)行分析，其中圍護(hù)樁施工時(shí)間為60 d；第1次降水時(shí)間為2 d，第1層土開挖時(shí)間為10 d；第2次降水時(shí)間為6 d，第2層土開挖時(shí)間為30 d；第3次降水時(shí)間為6 d，第3層土開挖時(shí)間為30 d?；咏邓_挖過(guò)程中鄰近地鐵位移與圍護(hù)樁位移見(jiàn)圖4。

圖3 滲流速度云圖Fig.3 Contours of flow velocity

由于基坑外側(cè)施加了止水帷幕，所以，在基坑內(nèi)降水階段，鄰近地鐵隧道位移變化較??；變形主要是基坑土體開挖卸載引起；同時(shí)，由于地鐵在基坑的一側(cè)以水平卸載為主，所以，鄰近地鐵隧道以及圍護(hù)樁位移以水平位移為主。

基坑開挖過(guò)程完成且未施作內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，鄰近地鐵隧道左右線水平位移、豎向位移見(jiàn)圖5。

圖4 降水開挖下鄰近地鐵隧道與圍護(hù)樁位移Fig.4 Displacements of subway tunnel and foundation pile under dewatering and construction stage

1) 該地鐵隧道靠近基坑的左線區(qū)間隧道x方向最大水平位移為1.39 mm，x方向最小位移為0.51 mm，遠(yuǎn)離該基坑的地鐵右線區(qū)間隧道x方向最大水平位移為0.55 mm，x方向最小位移為0.26 mm，對(duì)于地鐵區(qū)間隧道水平位移，左線的比右線的大，中部的比邊角部的大，地鐵隧道沿y方向的位移數(shù)量級(jí)在1×10-5m以下，因此，地鐵區(qū)間隧道沿y方向的位移較小，基本可忽略不計(jì)。

2) 在該地鐵隧道靠近基坑的左線區(qū)間，隧道z方向最大沉降位移為 0.67 mm，z方向最小沉降位移為0.49 mm，遠(yuǎn)離該基坑的地鐵右線區(qū)間隧道z方向最大沉降位移為0.32 mm，z方向最小沉降位移為0.20 mm。地鐵左線隧道沉降量整體大于右線隧道沉降量，且左、右線地鐵區(qū)間隧道縱向中部位置位移以水平位移為主，水平位移整體上大于沉降位移。

3) 地鐵左線區(qū)間隧道最大位移為1.54 mm，最小位移為 0.71 mm；地鐵右線區(qū)間隧道最大位移為0.64 mm，最小位移為0.33 mm。距離基坑近的左線區(qū)間隧道位移大于較遠(yuǎn)側(cè)的右線區(qū)間隧道位移。另外，由于地鐵區(qū)間隧道位于基坑縱向開挖范圍偏右上方，所以，在基坑開挖過(guò)程中，地鐵區(qū)間隧道的整體位移表現(xiàn)為向靠近基坑方向的左下方發(fā)展。

在基坑工程施工中，鄰近地鐵隧道內(nèi)徑的過(guò)度收斂變形會(huì)造成常見(jiàn)的隧道襯砌開裂滲水等不良影響，嚴(yán)重時(shí)可能造成地鐵隧道內(nèi)電力及通信設(shè)施發(fā)生故障，甚至影響地鐵運(yùn)行車輛的安全性與運(yùn)行穩(wěn)定性，因此，鄰近地鐵隧道內(nèi)徑收斂也應(yīng)得到重視，該基坑工程鄰近地鐵隧道內(nèi)徑的收斂結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5 地鐵隧道位移Fig.5 Displacements of metro tunnel

1) 地鐵區(qū)間隧道內(nèi)經(jīng)收斂趨勢(shì)表現(xiàn)為水平向拉伸，豎向壓縮，地鐵區(qū)間隧道收斂呈現(xiàn)向扁平狀的橢圓形發(fā)展，因此，區(qū)間隧道頂部及左右側(cè)腰部受力較大，在設(shè)計(jì)施工中應(yīng)進(jìn)行配筋等加強(qiáng)處理。

2) 地鐵區(qū)間左線隧道與右線隧道收斂的最大值均位于基坑開挖范圍的中部，沿地鐵隧道縱向由中部向兩側(cè)逐漸減小，且靠近基坑側(cè)左線隧道收斂值比右線隧道的大。如左線隧道(近基坑側(cè))最大收斂值為1.70 mm，最小收斂值為0.75 mm；右線隧道最大收斂值為1.36 mm，最小收斂值為0.54 mm。

圖6 地鐵隧道收斂圖Fig.6 Diagrams of metro tunnel convergent deformation

3.3 施工階段受力分析

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)沿Y軸方向彎矩、單元應(yīng)力及圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力分布見(jiàn)圖7。

1) 基坑 4 個(gè)拐角位置的彎矩較大，同時(shí)，此處應(yīng)力集中程度較大，有條件時(shí)可以增設(shè)角撐?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩在豎向呈現(xiàn)中間部位較大、兩頭位置較小的情況，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)在基坑最底開挖面附近所受彎矩最大，開挖完成時(shí)，基坑排樁結(jié)構(gòu)受力特性可近似看作懸臂結(jié)構(gòu)受力特性。地鐵隧道因鄰近基坑工程開挖降水引起的最大彎矩發(fā)生在左線地鐵隧道中部靠近基坑位置，且基坑開挖降水引起的左線隧道的附加彎矩整體上大于右線隧道的附加彎矩。

2) 基坑角部位置y方向的單元應(yīng)力及最大剪應(yīng)力表現(xiàn)出應(yīng)力集中現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)施工中應(yīng)重視基坑角部應(yīng)力集中的影響，在實(shí)踐中多采用設(shè)置角部支撐分散應(yīng)力集中的不利影響，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)除角部以外的中部位置在y方向的單元應(yīng)力及最大剪應(yīng)力較小，在施工中主要考慮控制中部位置的位移與變形。

在基坑分步開挖過(guò)程中，錨索同步施作，其軸力和應(yīng)力分布見(jiàn)圖8。從圖8可見(jiàn)：錨索單元最大軸力為206 kN，小于設(shè)計(jì)值350 kN，滿足設(shè)計(jì)要求；桁架單元最大應(yīng)力為658 MPa，小于預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)值1 080 MPa，錨固單元體系安全系數(shù)可滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力圖Fig.7 Force diagram of supporting structure

圖8 錨索軸力與應(yīng)力Fig.8 Axial force and stress of anchor

3.4 降水速度分析

降水速度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力的影響見(jiàn)圖9。

1) 降水速度降低到2 m/d后，鄰近地鐵隧道的豎向與水平位移以及基坑圍護(hù)樁頂基本保持不變，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力基本不變。

2) 降水速度加快至1 m/(2 h)后，鄰近地鐵隧道位移基本不變，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移先增大后減?。粐o(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力小幅度增大。所以，基坑降水速度可在實(shí)際應(yīng)用中得到控制。

圖9 降水速度對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力的影響Fig.9 Effect of dewatering on structure inner force and displacement

3.5 實(shí)測(cè)對(duì)比分析

鄰近地鐵隧道實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖10。從圖10可見(jiàn)：

圖10 鄰近地鐵隧道水平位移Fig.10 Lateral displacement of tunnel structure

1) 鄰近地鐵隧道的水平位移變化規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果類似，均是靠近基坑開挖的中部最大，然后向兩端逐漸減小。

2) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的結(jié)果、完全流固耦合數(shù)值模擬的結(jié)果和單向流固耦合數(shù)值模擬的結(jié)果依次增大，完全流固耦合的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果更接近。

4 結(jié)論

1) 土體滲流呈現(xiàn)空間差異性與時(shí)間差異性；坑內(nèi)降水速度對(duì)基坑周圍地層變形影響較小，但基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力增長(zhǎng)的情況應(yīng)該引起重視。

2) 隨開挖深度加深土體位移增大，排樁水平位移總體上大于豎向位移。應(yīng)力集中造成的基坑角部彎矩較大，在工程實(shí)踐中應(yīng)設(shè)置角部支撐以分散應(yīng)力集中產(chǎn)生的不利影響。錨固單元體系安全系數(shù)可滿足設(shè)計(jì)要求。

3) 地鐵區(qū)間隧道收斂趨勢(shì)表現(xiàn)為水平向拉伸、豎向壓縮、地鐵區(qū)間隧道收斂，向扁平狀的橢圓形發(fā)展，因此，區(qū)間隧道頂部及左右側(cè)腰部受力較大，在設(shè)計(jì)施工中應(yīng)進(jìn)行配筋等加強(qiáng)處理。地鐵隧道最大彎矩發(fā)生在左線地鐵隧道中部靠近基坑位置，且基坑開挖降水引起的左線隧道附加彎矩整體上大于右線隧道的附加彎矩。

4) 考慮流固完全耦合分析的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果更接近。