桐廬隧道明挖基坑施工受力變形數(shù)值分析

劉冠 梁曉騰 江鴻

(中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北武漢 430040)

1 概述

在公路與鐵路網(wǎng)高速發(fā)展的過程中，隧道工程的建設(shè)不斷增加。明挖基坑是隧道施工的重要手段，受地質(zhì)條件所限，常需在不良地質(zhì)中施工，如富水厚卵石地層。隧道基坑開挖引起的變形問題一直是工程與研究人員的關(guān)注重點(diǎn)，已積累了較多的研究成果。N.Q.Zhou等［1］對上海地鐵站深基坑開挖引起的變形問題進(jìn)行數(shù)值模擬，并與現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比，提出控制地面沉降的可行性措施。張德富等［2］對蘇州地鐵1號線深基坑的變形特性與其他項(xiàng)目對比，給出三種典型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)與地表變形平均值。

杭黃鐵路桐廬隧道處于富水厚卵石層中，具有滲透系數(shù)大、透水性強(qiáng)，圍巖穩(wěn)定性差等特點(diǎn)［3，4］。且基坑臨近新景高速公路，開挖深度較大。依托該工程，本文對隧道明挖引起的基坑、地層的受力變形特征數(shù)值分析，指導(dǎo)今后富水厚卵石地層中隧道明挖基坑的施工。

2 工程概況

桐廬隧道位于桐廬縣杭新景高速桐廬收費(fèi)站附近，某段因高速公路且基坑開挖深度較大，周邊環(huán)境較為復(fù)雜，隧址區(qū)土層分布如表1所示。

表1 隧址區(qū)土層分布

由于開挖深度較大，且位于富水厚卵石地層中，施工前，采取井點(diǎn)降水與地表防排水結(jié)合的方式降低地下水位，并在基坑兩側(cè)設(shè)置止水帷幕。開挖時，首先開挖10 m至圍護(hù)樁樁頂，邊坡坡度為1∶1.5，采用網(wǎng)噴混凝土護(hù)面。在圍護(hù)樁、冠梁和第1道混凝土支撐施工完成后開挖5.6 m至鋼支撐處，安裝鋼圍檁以及第2道鋼支撐，再向下開挖4.08 m至基坑底部并施作仰拱，待仰拱強(qiáng)度達(dá)到要求后拆除鋼支撐與混凝土支撐。

3 數(shù)值分析模型

為對基坑受力變形進(jìn)行分析，評估實(shí)際施工過程中基坑失穩(wěn)、坍塌風(fēng)險，采用有限元程序?qū)娱_挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬。為便于對隧道明挖基坑受力變形的數(shù)值計算，本文做出如下假設(shè):

1)隧道在數(shù)值模擬范圍內(nèi)高程相同，圍護(hù)樁頂標(biāo)高均為75.145 m。

2)基坑施工前降低隧址區(qū)地下水位至基底以下，并設(shè)置止水帷幕，在數(shù)值模擬過程中忽略地下水的作用。

3)模型區(qū)域土層水平分布，同一材料性質(zhì)相同。人工填土、卵石土、全風(fēng)化頁巖、強(qiáng)風(fēng)化頁巖和弱風(fēng)化頁巖的厚度分別為10 m，15 m，4 m，6 m，65 m。

4)根據(jù)等效剛度理論［5］，將圍護(hù)樁支護(hù)簡化為地下連續(xù)墻進(jìn)行計算，公式如下:

其中，D為圍護(hù)樁樁徑;t為圍護(hù)樁樁邊距;h為地下連續(xù)墻厚度。將相關(guān)參數(shù)代入式(1)得h=0.700 6 m。

對桐廬隧道明挖段建立三維數(shù)值模型，模型平面為正方形(100 m×100 m)。采用摩爾—庫侖模型［6］，相關(guān)參數(shù)如表1所示。采用梁單元對冠梁和基坑內(nèi)第1道混凝土支撐和第2道鋼支撐進(jìn)行模擬，采用板單元模擬等效地下連續(xù)墻。

根據(jù)實(shí)際施工情況，考慮施工步驟的影響［6］，將計算工況分為以下8步:1)初始地應(yīng)力平衡;2)第1次開挖:基坑最上層土體開挖并在邊坡施作噴混;3)施作圍護(hù)樁、冠梁以及第1道混凝土支撐;4)第2次開挖:繼續(xù)開挖至第2道鋼支撐施作位置;5)安裝鋼圍檁，加設(shè)第2道鋼支撐;6)第3次開挖:繼續(xù)開挖至基坑底部并在基坑側(cè)壁噴混;7)制作隧道仰拱;8)拆除鋼支撐與混凝土支撐并施作隧道洞身。

4 數(shù)值分析結(jié)果

1)第1道混凝土支撐受力。

混凝土支撐在施工步驟3)時澆筑，基坑不同位置混凝土支撐在不同施工階段所受軸力數(shù)值模擬結(jié)果如圖1所示，第1道混凝土支撐在基坑不同位置所受軸向壓力不同主要是由于基坑所處地形起伏，混凝土支撐的軸力隨埋深的增加而遞增?；炷林巫畲筝S力處為x=52 m處，軸力為696 kN，未超出混凝土支撐承載能力，不會對混凝土支撐造成破壞，從而影響基坑施工安全。

圖1 混凝土支撐與鋼支撐軸力圖

2)第2道鋼支撐。

在第2次開挖后，待鋼圍檁與鋼支撐布置完成，再進(jìn)行第3次開挖并在基坑側(cè)壁噴混?；又袖撝卧诓煌┕るA段所受內(nèi)力數(shù)值模擬結(jié)果如圖1所示，鋼支撐內(nèi)力在x軸方向的分布與第1道混凝土支撐類似，也隨埋深的增加而遞增，x=52 m處鋼支撐的軸力值最大為605 kN，未超出鋼支撐承載能力，不影響基坑安全。

3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

基坑開挖后斷面1與斷面2處圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示，第1次開挖后施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，由于明挖隧道基坑所處地形不同，斷面1的開挖深度小于斷面2，故斷面1的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形小于斷面2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移處位于冠梁下約3.7 m處，斷面1第2次開挖后最大水平位移值為0.43 mm，基坑第3次開挖后為0.62 mm。斷面2第2次開挖后最大水平位移值為0.56 mm，基坑第3次開挖后為0.79 mm。

圖2 斷面2圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移圖

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

桐廬隧道明挖基坑在施工工程中對第2道鋼支撐以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比，驗(yàn)證本文數(shù)值模擬準(zhǔn)確性。

1)第2道鋼支撐。

斷面1在鋼支撐完成5 d后應(yīng)基本穩(wěn)定，斷面2在鋼支撐完成約20 d后應(yīng)力基本穩(wěn)定。數(shù)值計算斷面1與斷面2鋼支撐內(nèi)力分別為11.55 MPa，15 MPa，與實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合。對比實(shí)測數(shù)據(jù)，斷面1較斷面2更早達(dá)到平衡，這是因?yàn)閿嗝?開挖較早，可較早達(dá)到平衡。斷面1與斷面2鋼支撐受力未超出基坑安全要求，不影響基坑的施工安全。

2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

由于技術(shù)條件的限制，難以對基坑下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)測量，故施工期間只對基坑開挖范圍內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移進(jìn)行監(jiān)測，分別在基坑頂部，第2道鋼支撐處以及基坑底部設(shè)置位移監(jiān)測點(diǎn)，基坑在斷面1與斷面2處圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測結(jié)果與計算結(jié)果如圖3所示，將監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果對比，顯示兩者基本一致，監(jiān)測結(jié)果略大于數(shù)值計算結(jié)果，這與開挖工藝、施工荷載以及施工效率有關(guān)。對比斷面1與斷面2的計算結(jié)果，兩者在基坑開挖范圍內(nèi)的監(jiān)測結(jié)果差異較大，而在基坑底部下約3.7 m處，斷面1與斷面2水平位移計算結(jié)果基本相等。

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測與計算結(jié)果對比圖

6 結(jié)語

本文通過對桐廬隧道明挖基坑施工過程中第1道混凝土支撐、第2道鋼支撐、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行數(shù)值模擬計算，并將數(shù)值計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比得到如下結(jié)論:

1)明挖基坑施工計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果基本一致，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形與第2道鋼支撐受力均滿足基坑施工控制要求。

2)第2道鋼支撐在斷面1與斷面2數(shù)值計算結(jié)果較監(jiān)測結(jié)果偏大，且斷面1與斷面2鋼支撐應(yīng)力相比較早達(dá)到平衡，這主要是第3次開挖時首先從斷面1開始施工，土層荷載較早得到釋放。

3)根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，第2次開挖后圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大處位于基坑下約3.7 m處，第3次開挖后圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形增大，最大變形處位置并未發(fā)生改變，主要是第3次開挖時，在基坑側(cè)壁設(shè)置噴混護(hù)壁，減小了基坑變形。