基于ZSI巖溶溶洞對(duì)基坑開(kāi)挖的影響*

王孝賓，姜諳男，李興盛，薛永峰，候拉平

(1.大連海事大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院道橋所, 遼寧 大連 116026；2.中鐵一局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 063004)

0 引言

由于大連位于沿海地區(qū)，豐富的地下水造成了大連不良巖溶地質(zhì)的廣泛分布，同時(shí)巖溶成為地下工程建設(shè)所面臨的主要地質(zhì)問(wèn)題。在深基坑施工過(guò)程中稍有不慎就會(huì)引起巖溶溶洞塌陷、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形等災(zāi)害，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度和人民的財(cái)產(chǎn)安全。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在巖溶問(wèn)題上做了大量的研究[1-4]；潘健等[5]通過(guò)定義單因素致塌概率pi，并引入伯努利試驗(yàn)建立巖溶塌陷概率計(jì)算模型，將廣州白云區(qū)劃分為5個(gè)巖溶塌陷等級(jí)分區(qū)；崔慶龍等[6]研究了巖溶區(qū)某地鐵車站基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響規(guī)律；周輝、張傳慶[7]針對(duì)巖土體的屈服狀態(tài)和破壞程度，提出了屈服接近度、破壞接近度[8-11]；馬春景[12]針對(duì)隧道的穩(wěn)定性，提出了用單元狀態(tài)指標(biāo)ZSI(Zone State Index)定量表征圍巖穩(wěn)定性的方法，量化巖土材料的危險(xiǎn)程度，并將單元的不同受力狀態(tài)與滲透系數(shù)變化緊密結(jié)合起來(lái)。然而，目前關(guān)于溶洞的存在對(duì)基坑及其周邊環(huán)境的影響研究極少。本文運(yùn)用FLAC3D軟件分析溶洞不同位置對(duì)基坑開(kāi)挖的影響，并運(yùn)用ZSI對(duì)基坑周圍土體進(jìn)行單元安全度評(píng)價(jià)，得出巖溶對(duì)基坑影響的最不利位置。將此方法運(yùn)用到大連地鐵深基坑中，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)處理效果進(jìn)行了驗(yàn)證，收到了良好的效果，對(duì)解決巖溶地區(qū)基坑工程問(wèn)題具有重要參考意義。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 ZSI理論

ZSI評(píng)價(jià)是將劃分單元的土體的彈性階段、屈服階段和破壞階段用ZSI值表示，規(guī)定拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，具體推導(dǎo)如下。

1)彈性階段

此階段塑性剪切應(yīng)變?chǔ)舙s=0，塑性拉伸應(yīng)變?chǔ)舙t=0。單元的安全狀態(tài)指標(biāo)由圖1所示的應(yīng)力狀態(tài)點(diǎn)P來(lái)計(jì)算。當(dāng)σ1≤0時(shí)，單元此時(shí)無(wú)拉應(yīng)力，且處于彈性剪切狀態(tài)。

圖1 應(yīng)力空間上應(yīng)力點(diǎn)狀態(tài)Fig.1 Stress state of a point in stress space

(1)

(2)

(3)

(4)

應(yīng)力點(diǎn)處于屈服面上ZSI=1，應(yīng)力點(diǎn)位于等傾線上時(shí)ZSI=+∞，表示單元達(dá)到的最安全狀態(tài)。ZSI=+∞并非無(wú)限安全，而是在彈性剪切階段處于相對(duì)最安全的狀態(tài)。材料在拉伸狀態(tài)下的安全性時(shí)ZSI=σt/σ1。σ1趨近于0，相對(duì)最安全狀態(tài)為受拉狀態(tài)，此時(shí)ZSI=+∞，此時(shí)單元也可能是剪切破壞。彈性段的ZSI表達(dá)式為：

(5)

彈性階段ZSI∈[1，+∞)，當(dāng)單元在彈性范圍內(nèi)時(shí)，ZSI>1，安全性隨ZSI值的增大而提高，當(dāng)ZSI=1時(shí)，單元開(kāi)始屈服。

2)屈服階段

(6)

材料處于拉伸屈服段時(shí)，公式如下：

(7)

(8)

3)破壞階段

1.2 滲透系數(shù)變化

數(shù)值模擬考慮地下水作用時(shí)，基坑土體滲透率隨著開(kāi)挖呈顯著增大趨勢(shì)[13]。

滲透系數(shù)k基于Kozeny-Carman公式表達(dá)式為[14]：

(9)

其中孔隙度的演化方程為：

(10)

式中：n0為初始孔隙度；εv是體積應(yīng)變；k0是初始滲透系數(shù)，m/d。ξ,ξ′表示突跳系數(shù)取決于巖體性質(zhì)，由試驗(yàn)給出。

2 溶洞位置對(duì)基坑穩(wěn)定性影響分析

2.1 建立模型

根據(jù)大連地區(qū)巖溶廣泛分布的狀況，建立數(shù)值模型，模型中基坑開(kāi)挖深度21 m，寬24 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注咬合樁+內(nèi)支撐體系。基坑開(kāi)挖的影響范圍約為2～3倍，為了方便計(jì)算，故本文選取計(jì)算模型的尺寸為144 mm×120 mm×80 mm，計(jì)算模型共有184 566個(gè)節(jié)點(diǎn)，174 000個(gè)單元，三維數(shù)值模型選取基坑一半顯示，根據(jù)基坑的變形規(guī)律及影響范圍，分別將模型的X方向和Y方向進(jìn)行側(cè)向約束，模型底面為水平垂直三向約束邊界，表面為自由邊界。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬

本次計(jì)算中，基坑支護(hù)的臨時(shí)橫撐采用鋼管樁的方式，在計(jì)算中鋼支撐采用beam單元進(jìn)行模擬，梁?jiǎn)卧亩x通過(guò)幾何形狀和材料性質(zhì)來(lái)定義。圍護(hù)樁和襯砌分別采用pile單元和liner單元來(lái)模擬。如圖2所示。

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Foundation pit supporting structure

2.3 本構(gòu)模型及計(jì)算參數(shù)

選取大連地鐵深基坑所處地層參數(shù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)鉆孔樁主要穿越地層自上而下依次是：雜填土，厚度為8 m；淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，厚度為2 m；粉質(zhì)粘土，厚度為4 m；強(qiáng)風(fēng)化白云巖，厚度為6 m；中風(fēng)化白云巖，厚度為7 m。底板處于中風(fēng)化白云巖，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層參數(shù)信息Table 1 Soil parameter information table

2.4 模擬方案及模型圖

基坑兩側(cè)各選取3倍影響范圍[14]，模型高為開(kāi)挖深度的4倍，尺寸為144 mm×120 mm×80 mm。分別模擬無(wú)溶洞狀況下、溶洞位于被動(dòng)區(qū)、溶洞位于主動(dòng)區(qū)以及溶洞位于過(guò)渡區(qū)時(shí)對(duì)基坑開(kāi)挖的影響，溶洞形狀簡(jiǎn)化為圓形，為充水型溶洞，溶洞洞徑選取4 m，截取基坑模型中心顯示?？紤]到溶洞與圍護(hù)樁的等距離和建立模型的方便，在主動(dòng)區(qū)和過(guò)渡區(qū)時(shí)，溶洞水平距離基坑側(cè)壁都選取為8 m。而在被動(dòng)區(qū)時(shí)，溶洞位于基坑正下方垂直距離基坑底面8 m。具體位置選取如圖3所示，相應(yīng)的模型如圖4所示。

圖3 建模方案Fig.3 Modeling scheme diagram

圖4 數(shù)值模型Fig.4 Numerical model

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 基坑水平位移

1)基坑水平變形

為了更清晰的反映不同巖溶位置對(duì)基坑變形的影響，在沿基坑支護(hù)墻體y=30 m處每隔2 m選取1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄地表沉降值，同時(shí)沿支護(hù)墻體y=30 m向下每隔2 m取1個(gè)側(cè)壁水平監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄基坑水平位移。圖5為基坑在不同巖溶位置下側(cè)向變形曲線，由曲線很直觀的看出當(dāng)溶洞位置位于基坑被動(dòng)區(qū)時(shí)對(duì)基坑側(cè)壁水平位移影響最大，最大水平位移達(dá)到33.15 mm；其次是巖溶位于過(guò)渡區(qū)時(shí)最大水平位移達(dá)到24.4 mm；最后是巖溶位于主動(dòng)區(qū)時(shí)最大水平位移達(dá)到16.49 mm。

圖5 基坑側(cè)墻變形曲線Fig.5 Deformation curve of foundation pit side wall

2)基坑地表沉降

圖6為不同巖溶位置對(duì)應(yīng)的基坑周圍土體地表沉降曲線，由圖6可以看出，對(duì)于基坑地表沉降影響最大的為巖溶位于被動(dòng)區(qū)，此時(shí)最大沉降值達(dá)到17.92 mm；其次是過(guò)渡區(qū)最大沉降值為12.06 mm；影響最小的為巖溶位于主動(dòng)區(qū)時(shí)，最大沉降值達(dá)到10.89 mm。

圖6 基坑地表沉降變形曲線Fig.6 Surface settlement deformation curve of foundation pit

綜上，不同巖溶位置對(duì)基坑變形的影響分析可以得出，當(dāng)巖溶位于基坑被動(dòng)區(qū)時(shí)對(duì)基坑穩(wěn)定性影響最大，過(guò)渡區(qū)和主動(dòng)區(qū)影響依次減小。

3.2 單元安全度指標(biāo)分析

為了分析不同巖溶位置下基坑周圍土體的破壞狀態(tài)及擴(kuò)張趨勢(shì)，沿基坑y=30 m剖切面，作出溶洞及基坑周圍土體的ZSI等值線圖，如圖7所示。根據(jù)ZSI理論得出，4種工況下，ZSI<0的區(qū)域(破壞區(qū))均集中在靠近基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的兩側(cè)。由基坑周圍土體的破壞狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)巖溶位于基坑被動(dòng)區(qū)時(shí)，基坑周圍土體破壞區(qū)面積要比其他3種工況下大，且ZSI值也要比其他3種工況小的多，為-12；其次是巖溶位置在基坑過(guò)渡區(qū)；影響最小的為巖溶位于基坑主動(dòng)區(qū)?；娱_(kāi)挖最穩(wěn)定的是無(wú)溶洞狀態(tài)下，此時(shí)ZSI最小值為-2.1。對(duì)于巖溶溶洞位于基坑被動(dòng)區(qū)施工時(shí)，為了保證基坑開(kāi)挖順利進(jìn)行，開(kāi)挖前要采取注漿處理。

圖7 不同巖溶位置下基坑ZSI分布Fig.7 ZSI distribution of foundation pits at different karst locations

3.3 基坑滲透特性分析

圖8為基坑不同溶洞位置對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)等值線，基坑支護(hù)采用咬合樁，具有較強(qiáng)擋水性，阻擋坑兩側(cè)水向基坑內(nèi)部流動(dòng)，地下水繞過(guò)支護(hù)樁體從基坑下部涌入基坑內(nèi)。同時(shí)由于基坑開(kāi)挖完成后兩側(cè)土體出現(xiàn)破壞區(qū)域(ZSI<0)和屈服區(qū)域(0≤ZSI<1)，此時(shí)滲透系數(shù)[15]也會(huì)出現(xiàn)增大。由圖8可以看出，當(dāng)有溶洞的工況下，基坑周圍未破壞土體滲透性都出現(xiàn)增大現(xiàn)象，且較無(wú)溶洞工況下未破壞土體滲透系數(shù)增大一個(gè)數(shù)量級(jí)，且破壞區(qū)區(qū)域滲透系數(shù)也比無(wú)溶洞工況大，因此充水溶洞影響基坑開(kāi)挖穩(wěn)定性，基坑開(kāi)挖過(guò)程中也要做好降水處理。

3.4 處理措施

工程中對(duì)于溶洞的處理無(wú)外乎是采用填充注漿的方法。由于溶洞位于被動(dòng)區(qū)嚴(yán)重影響基坑開(kāi)挖穩(wěn)定性，因此對(duì)于位于被動(dòng)區(qū)溶洞采用泵送混凝土進(jìn)行填充，混凝土強(qiáng)度為C15。圖9和圖10分別為被動(dòng)區(qū)溶洞注漿得到的水平位移和地表沉降曲線圖。由圖9～10可以看出，注漿后地表沉降最大值明顯減小達(dá)到10.69 mm，相比沒(méi)注漿之前減小了40.3%；基坑周圍土體水平側(cè)移值達(dá)到18.09 mm，相比沒(méi)注漿開(kāi)挖減小了45.43%。因此得出注漿可以有效控制巖溶溶洞位于被動(dòng)區(qū)基坑穩(wěn)定性。

圖11和圖12分別為基坑開(kāi)挖過(guò)程中基坑周圍土體塑性區(qū)和對(duì)應(yīng)的ZSI等值線圖。可以看出，基坑開(kāi)挖完成后塑性區(qū)以及破壞區(qū)(ZSI<0)土體主要集中在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)。對(duì)比圖12和圖7(b)可以明顯看出，注漿后基坑周圍土體ZSI<0的區(qū)域明顯減小且ZSI值增大明顯，說(shuō)明當(dāng)巖溶溶洞位于被動(dòng)區(qū)時(shí)，開(kāi)挖前注漿能有效控制基坑周圍土體的破壞。

圖9 注漿后基坑水平位移Fig.9 Horizontal displacement of foundation pit after grouting

圖10 注漿后基坑地表沉降值Fig.10 Surface settlement value of foundation pit after grouting

圖11 注漿后基坑周圍土體塑性區(qū)分布Fig.11 Layout of plasticity of soil around foundation pit after grouting

圖12 注漿后基坑開(kāi)挖ZSI分布Fig.12 ZSI distribution diagram of foundation pit excavation after grouting

4 結(jié)論

1)對(duì)不同巖溶溶洞位置下基坑開(kāi)挖，同時(shí)運(yùn)用ZSI分析周圍土體破壞狀況，計(jì)算結(jié)果得出，當(dāng)溶洞位于基坑被動(dòng)區(qū)時(shí)基坑周圍土體破壞區(qū)面積(ZSI<0)最大，過(guò)渡區(qū)和主動(dòng)區(qū)依次遞減。

2)當(dāng)溶洞位于被動(dòng)區(qū)時(shí)采取注漿填充 ，由計(jì)算結(jié)果得出，注漿后能有效控制基坑開(kāi)挖穩(wěn)定性，說(shuō)明對(duì)位于基坑被動(dòng)區(qū)溶洞采用注漿處理是實(shí)際可行的。

3)溶洞開(kāi)挖完成后周圍土體破壞區(qū)域與滲透系數(shù)突跳區(qū)域相對(duì)應(yīng)，計(jì)算結(jié)果得出，有溶洞工況下基坑開(kāi)挖完成后基坑周圍未破壞土體滲透系數(shù)較無(wú)溶洞工況下增大一個(gè)數(shù)量級(jí)，且破壞區(qū)域滲透系數(shù)也出現(xiàn)增大現(xiàn)象。