基坑工程樁降水對鄰近雙線隧道影響的數(shù)值模擬分析

石曉燕，趙 宇，陳燦輝

(軍事科學院 國防工程研究院 勘察設(shè)計研究所， 湖北 武漢 430010)

目前，我國城市建設(shè)發(fā)展較快，大型工程日益增多，因此大基坑、深基坑工程也隨之增加。大型、深基坑工程的開挖不僅對鄰近建筑物安全的影響頗大[1-5]，同時對城市道路、地下電纜及各類生活管道的安全也存在威脅[6]。如果基坑開挖地區(qū)的地下水位較高，為了保證干燥的施工環(huán)境就必須進行基坑降水，然而大面積的降水必然會導致周邊地下水降低而引起土體有效應(yīng)力的增加，使周邊土體發(fā)生大面積沉降[7]，這種沉降與降水的方式、時間、深度等有關(guān)，也與地基土特性有關(guān)。

作為現(xiàn)在各大城市最便捷的交通方式，地鐵基本貫穿整個城區(qū)，基坑開挖降水必然引起土體應(yīng)力變化，影響到正在運行的地鐵隧道。特別是大型深基坑的施工，較大的施工作業(yè)面以及較深的降水要求，對相鄰近的地鐵隧道影響頗為顯著[8-11]。

目前，我國關(guān)于基坑開挖降水對周邊環(huán)境影響的研究主要集中于基坑降水對周邊環(huán)境沉降影響，且基坑降水時間多為基坑開挖過程中[12-16]，而關(guān)于基坑降水施工對鄰近既有隧道的影響報道較少，且對基坑開挖完成之后的坑底工程樁降水施工對周邊隧道、管線的影響鮮有關(guān)注。事實上在基坑開挖完成之后經(jīng)常需要進行坑底工程樁施工，對于采用人工挖孔樁作為基礎(chǔ)的建筑物往往需要進行坑底降水，以滿足人工挖孔要求。對于此類工程，由于工程樁標高較低，所需降水高度更大，在降水過程中不可避免的會對周邊管線、隧道造成一定影響，因此就有必要對其影響程度及范圍進行研究，以保證周邊既有管線、隧道的正常運營。

綜上所述，本文通過深圳某基坑坑底工程樁降水工程，利用坑底工程樁降水過程的數(shù)值模擬，分析對臨近水平雙線地鐵隧道的影響特性，包括水平雙線隧道的變形規(guī)律及最大內(nèi)力變化規(guī)律。

1 數(shù)值模擬

1.1 模型尺寸

深圳某基坑坑底工程樁降水工程，位于福田區(qū)新洲路東側(cè)，主樓擬建高度為72 m，地下室4層，基坑坑底標高為-18 m。建筑場地邊界紅線與一正在運行的地鐵隧道水平間距6.2 m，隧道埋深16 m，左右線隧道水平間距12.5 m，與基坑開挖邊線間距僅10 m。地下水位埋深較深，約介于3.2 m至8.0 m。

基坑設(shè)計采用咬合樁與內(nèi)支撐支護相結(jié)合的體系。樁徑約1.2 m，工程樁間距2.0 m，內(nèi)部支撐采用鋼筋混凝土撐，支撐截面為0.6 m×0.8 m，垂向布置兩道，首道支撐設(shè)于地下2.4 m，與二道間距7.0 m?；禹敳吭O(shè)置冠梁，冠梁為矩形截面，尺寸1.0 m×0.8 m，腰梁采用鋼筋混凝土梁，基坑的止水方式采用排樁和旋噴咬合樁相結(jié)合?；涌拥准翱禹斁O(shè)置磚砌式排水溝，并在角點位置設(shè)置集水井，用于排出基坑內(nèi)的積水。基坑坑底樁布置于相應(yīng)建筑物的筏板下，使其將建筑物上部荷載傳遞至深部土層。

為了便于模擬施工全過程，本文的研究作以下假設(shè)：

(1) 土體物理力學性質(zhì)及滲透系數(shù)各向同性。

(2) 基坑開挖及降水問題僅考慮平面應(yīng)變，不考慮三維橫向應(yīng)變。

(3) 過程中不考慮時間因素。

(4) 僅考慮降水及開挖穩(wěn)定后的變形情況。

圖1為基坑開挖圍護樁與左、右線隧道的數(shù)值模型。模型邊界與基坑間距不小于36 m，與地鐵隧道間距不小于16 m，底邊界距基坑底部要大于36 m，基坑斷面寬40 m，基坑外布設(shè)20 kPa的均布荷載進行模擬。

圖1基坑開挖圍護樁與左、右線隧道數(shù)值模型

1.2 材料特性

有限元分析假設(shè)基坑支撐、維護與隧道襯砌結(jié)構(gòu)為線彈性體，物理力學參數(shù)見表1。隧道內(nèi)、外徑分別為5.7 m、6.0 m，基坑圍護結(jié)構(gòu)深24 m，圍護樁通過等剛度轉(zhuǎn)換簡化為等厚度連續(xù)墻。

設(shè)鉆孔樁樁徑為D，樁凈距為t，則單根樁應(yīng)等價為長(D+t)的壁式地下連續(xù)墻，若等價后的地下連續(xù)墻厚度為h，則有等剛度轉(zhuǎn)化原則可得：

(D+t)h3/12=πD4/64

(1)

(2)

通過計算，轉(zhuǎn)化后的連續(xù)墻厚度為848 mm。上文中內(nèi)支撐為0.6 m×0.8 m的鋼筋混凝土撐，垂向間距7 m，橫向間距5 m～9 m。假設(shè)各土層為彈塑性變形，則破壞可采用摩爾-庫侖準則。根據(jù)地勘報告及室內(nèi)試驗，土體彈性力學特性參數(shù)見表2，表中變形模量取0.25倍的彈性模型。

表1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件物理力學參數(shù)

表2 土體物理力學特性參數(shù)

1.3 邊界條件

模型邊界皆為位移邊界，其中左右邊界及下邊界固定，即位移為0(X=0)，上邊界為自由邊界。

1.4 施工工況

基坑開挖完成后，在基坑內(nèi)進行工程樁的施工，由于坑底大面積降水，水位下降孔隙水壓力消散，導致土體有效應(yīng)力增加，周邊土體產(chǎn)生沉降變形，影響到鄰近地鐵隧道的正常運行。為了比較直觀地反映出由于坑底工程樁降水引起的鄰近左、右線隧道變形變化的規(guī)律及最大內(nèi)力變化規(guī)律，同時對基坑開挖過程和降水過程進行模擬，分析比較基坑開挖和坑底工程樁降水引起的基坑周邊隧道變形與內(nèi)力大小，能夠更加直觀的反應(yīng)出坑底基坑降水對周邊既有隧道的影響程度。結(jié)合實際基坑施工過程與數(shù)值分析需要，將施工過程及坑底降水劃分為如下施工工況，見表3。

表3 數(shù)值模擬的施工工況

2 結(jié)果分析

由于本文主要研究基坑坑底工程樁降水對鄰近隧道的影響，因此對基坑開挖過程中鄰近隧道的內(nèi)力與變形不作重點分析，只給出基坑開挖完成之后鄰近隧道最大變形及內(nèi)力情況。通過對比坑底工程樁降水引起的隧道最大內(nèi)力與變形，直觀反映坑底降水對鄰近隧道的影響程度。為了全面分析基坑開挖對隧道的影響，本文從水壓力分布、變形和內(nèi)力三個方面進行研究。

2.1 水壓力分布規(guī)律

圖2、圖3為當坑內(nèi)水位降至-18 m和-30 m情況下計算模型得到的場地水壓力分布圖。由圖2、圖3可看出，基坑水位降至-18 m時，左線隧道水位大致在-10m處，右線隧道水位大致在-12 m處位置；由于坑底工程樁施工，采用進一步降低水位的施工措施，坑底水位降至-30 m以滿足干燥的施工環(huán)境要求，此時左線隧道水位大致在-16 m處，右線隧道水位大致在-22 m處位置。在這個過程中左線隧道水位下降深度為6 m左右，而此時右線隧道下降深度達到了10 m，右線隧道水位下降程度要顯著大于遠側(cè)左線隧道，其水位下降幅度是左線隧道的1.7倍左右。

2.2 鄰近隧道變形變化規(guī)律

圖4、圖5為不同工況下鄰近雙線隧道最大橫向及豎向變形圖。從圖4、圖5中可以看出鄰近雙線隧道橫向及豎向變形均隨著工程樁降水施工而有著不同程度的增大，但不同隧道不同方向上的最大變形值增加幅度并不一樣。對于左線隧道，其橫向及豎向最大變形值分別增加了42.1%、91.5%；右線隧道其橫向及豎向最大變形值分別增加了5.8%、144.6%。鄰近雙線隧道豎向沉降受基坑降水影響非常顯著，地下水位降低使周邊土體的有效應(yīng)力增加，導致土體沉降變形程度的增大，既而導致隧道豎向變形的增加，對于右線隧道由于水位下降程度更為明顯，其沉降值增長幅度也更為顯著。因此對于降水施工尤其需要注意鄰近管道豎向沉降的大小。

圖2 基坑降水至-18.0 m水壓力云圖

圖3 基坑降水至-30.0 m水壓力云圖

圖4 鄰近隧道最大橫向變形變化規(guī)律圖

圖5鄰近隧道最大沉降變形變化規(guī)律圖

隧道往基坑開挖側(cè)移動的橫向變形主要受基坑開挖卸荷影響，對于左線隧道由于降水之后管片兩側(cè)水頭梯度較大，導致管片左側(cè)存在較大水頭壓力作用于管片上，使得其橫向變形有較大幅度的增長，所以即使對于遠離開挖側(cè)的隧道，在降水施工中仍要密切監(jiān)測其變形的發(fā)展。

2.3 鄰近左、右線隧道最大內(nèi)力的變化規(guī)律

圖6～圖8為不同工況下鄰近左、右線隧道最大內(nèi)力變化規(guī)律圖。可知雙線隧道其內(nèi)力值均因坑底工程樁降水施工而有所增大。對于左線隧道其最大軸力、最大剪力及最大彎矩值增長幅度分別為9.9%、17.9%、14.7%，隧道所受剪力及彎矩受施工降水更為明顯，這主要是因為施工降水之后，左線隧道處水頭梯度更大，隧道管片左右兩側(cè)所受到的水頭壓力差值更大，導致其管片所受剪力及彎矩增長較為顯著。

圖6 鄰近隧道最大軸力變化規(guī)律圖

圖7 鄰近隧道最大剪力變化規(guī)律圖

圖8鄰近隧道最大彎矩變化規(guī)律圖

右線隧道的最大軸力、最大剪力及最大彎矩值增長幅度分別為4.3%、4.5%、7.3%，管片所受內(nèi)力相比左線隧道增長幅度較小，其原因也可以從隧道處水頭壓力分布進行分析。降水完成之后，右線隧道完全處于地下水位以下，隧道管片剪力及彎矩主要由周邊土壓力差導致，其變化程度弱于左側(cè)管線，因此管片內(nèi)力增長幅度也相對較小。

右線隧道的管片剪力及彎矩值均大于左線隧道，其主要受基坑開挖影響，越靠近基坑開挖側(cè)其所受剪力及彎矩值越大。然而對于管片最大軸力，在工程樁降水完成后，左線隧道所受最大軸力要大于右線隧道，這主要是因為降水結(jié)束后，右線隧道處其水頭下降程度更為顯著，管片已不受水頭壓力影響，因此管片所受外部荷載相對于左線隧道要小，導致了管片最大軸力要小于左線隧道，所以在這種工況下尤其需要注意遠離基坑開挖側(cè)的左線隧道的安全。

3 結(jié) 論

本文通過數(shù)值模擬，研究了坑底工程樁降水對臨近雙線隧道的影響，得出如下結(jié)論：

(1) 工程樁施工降水會引起基坑周邊土體水位大幅度下降，靠近基坑開挖側(cè)的隧道其水位下降程度要顯著大于遠側(cè)的隧道，本工程中其水位下降幅度是左線隧道的1.7倍左右。

(2) 鄰近隧道豎向沉降受降水影響顯著，在基坑降水過程中應(yīng)密切注意鄰近隧道沉降變化情況。

(3) 雙線隧道其內(nèi)力值均由于坑底工程樁降水施工而有所增大，遠離基坑開挖一側(cè)隧道處水頭梯度較大，隧道管片左右兩側(cè)所受到的水頭壓力差值更大，故遠離基坑開挖側(cè)隧道內(nèi)力增長更為顯著。

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