軟土地區(qū)基坑開挖降水引起既有高鐵隧道變形分析研究

□文/毛喜云

隨著城市建筑復(fù)雜和密集程度越來越高，基坑工程周邊環(huán)境變形控制要求也越來越嚴(yán)格?；邮┕?huì)引起周邊巖土體變形，為保證周邊既有建（構(gòu)）筑物、路面、地下管線等設(shè)施的正常使用，須將基坑施工引起的變形控制在安全范圍以內(nèi)。土方開挖和地下水控制是引起基坑周邊變形的直接原因，其中，土方開挖卸載改變了周圍巖土體的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，影響范圍內(nèi)的巖土體應(yīng)力勢(shì)能朝開挖面釋放，進(jìn)而引起巖土體的隆起變形[1～3]；而基坑降水主要是引起疏干范圍內(nèi)土體的固結(jié)沉降及水位下地下水滲流力引起土體變形[4～8]。實(shí)際施工過程中，土方開挖和降水往往是同時(shí)進(jìn)行的，對(duì)周圍巖土體的作用機(jī)理也是相互耦合的，計(jì)算機(jī)的有限元數(shù)值分析是基坑施工階段滲流-應(yīng)力耦合分析的重要手段[9～10]。

本文以天津市某鄰近高鐵隧道的基坑工程為背景，采用MIDAS GTS軟件建立數(shù)值模型，運(yùn)用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，模擬基坑施工階段周邊巖土體應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，對(duì)引起的隧道變形進(jìn)行預(yù)測(cè)并結(jié)合基坑施工階段隧道變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 工程概況

1.1 地理位置與周邊環(huán)境

泰達(dá)城三期工程位于天津市紅橋區(qū)，為民用住宅，有2 棟33 層住宅樓及公用配套建筑。擬建場(chǎng)地建筑范圍內(nèi)設(shè)有整體2層地下室，基坑開挖面近似梯形，開挖面積約8 389 m2，整體開挖深度9.75 m，高層建筑地下室基坑開挖深度10.15 m。鄰近一期工程側(cè)的基坑與津秦高鐵隧道天津西站—天津站地下直徑線平行，長(zhǎng)約150 m。見圖1。

圖1 工程地理位置與周邊環(huán)境

1.2 基坑況

基坑開挖深度9.75 m、局部坑深10.15 m，基坑采用鉆孔灌注樁+CSM 水泥土地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)形式，其中基坑南面靠近地下直徑線一側(cè)采用φ1 100 mm@1 300 mm 鉆孔灌注樁，長(zhǎng)度18.5 m，CSM 水泥土地下連續(xù)墻長(zhǎng)33.5 m，采用環(huán)形支撐。見圖2。

圖2 基坑支護(hù)平面布置

1.3 既有隧道概況

津秦高鐵天津地下直徑線與基坑平行并行段對(duì)應(yīng)的地下直徑線隧道為明挖段，對(duì)應(yīng)隧道運(yùn)營(yíng)里程為K13+119.44～K13+264.24（設(shè)計(jì)里程為DK1+586.7～DK1+731.5）。隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm 厚地下連續(xù)墻，不同隧道段落地下連續(xù)墻的深度不同，其中DK1+586.7～DK1+637.74 段墻底標(biāo)高為-27.5 m，墻底土層為粉質(zhì)黏土；DK1+637.74～DK1+691.105 段墻底標(biāo)高為-29.0 m，墻底土層為粉質(zhì)黏土；DK1+691.105～DK1+731.5 段墻底標(biāo)高為-30.5 m，墻底土層為粉質(zhì)黏土。見圖3和圖4。

圖3 地質(zhì)縱斷面

圖4 基坑與隧道斷面位置關(guān)系

2 數(shù)值模擬

考慮到在基坑施工過程中，由于開挖卸載和施工降水引起的固結(jié)沉降等因素會(huì)引起地層移動(dòng)和變形，進(jìn)而導(dǎo)致鄰近隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生移動(dòng)和變形，針對(duì)特征斷面建立二維有限元模型，以明確基坑施工對(duì)近鄰津秦高鐵隧道結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全的影響范圍及程度。

數(shù)值建模采用巖土與隧道工程有限元分析與設(shè)計(jì)軟件MIDAS GTS 實(shí)現(xiàn)，土體本構(gòu)關(guān)系選用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，土層參數(shù)見表1。

表1 土層計(jì)算參數(shù)

單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果見圖5。

圖5 單元?jiǎng)澐?/p>

根據(jù)基坑施工步序，分析步驟：

1）施加初始水頭，形成初始滲流場(chǎng)；

2）形成初始應(yīng)力場(chǎng)，位移清零；

3）基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工；

4）坑內(nèi)降水至地面以下4 m 處，基坑開挖至地面以下3 m 處；

5）坑內(nèi)降水至地面以下7 m 處，基坑開挖至地面以下6 m；

6）坑內(nèi)降水至坑底以下1 m 處，基坑開挖至坑底施作基坑底板。

3 模擬結(jié)果分析

為明確基坑開挖降水的影響范圍與周圍巖土體的位移分布，從X、Y兩個(gè)方向提取位移分布。見圖6-圖8。

圖6 基坑開挖第一層土周圍水平位移

圖7 基坑開挖第一層土周圍豎向位移

圖8 基坑開挖第一層土周邊隧道位移

從圖6 和圖7 可以看出，隧道所在位置處于基坑開挖影響范圍以內(nèi)，基坑第一層土開挖引起的周圍土體最大值水平位移為5.59 mm，發(fā)生在基坑圍護(hù)樁中段，位移指向基坑內(nèi)側(cè)；最大豎向位移為28.59 mm，發(fā)生在開挖面中部位置，位移指向豎向向上。從圖8 可以看出，隧道管片最大位移為2.23 mm，發(fā)生在靠近基坑側(cè)的上角，位移指向開挖區(qū)。

基坑開挖第二層土施工階段，周圍土體位移和隧道位移情況見圖9-圖11。

圖9 基坑開挖第二層土周圍水平位移

圖10 基坑開挖第二層土周圍豎向位移分布

圖11 基坑開挖第二層土周邊隧道位移

開挖第二層土方施工階段所引起的周邊土體位移分布趨勢(shì)與前一施工階段類似，只是幅度有所增加，其中隧道位移最大值達(dá)到3.13 mm，仍然是指向開挖區(qū)?；娱_挖第三層土施工階段，周圍土體位移和隧道位移情況見圖12-圖14。

圖12 基坑開挖第三層土周圍水平位移

圖13 基坑開挖第三層土周圍豎向位移

圖14 基坑開挖第三層土周邊隧道位移

從圖14可以看出，基坑土方開挖至基底設(shè)計(jì)標(biāo)高后，引起周邊隧道最大位移為3.83 mm，比前一階段增加0.7 mm，隧道兩側(cè)位移差異較大，靠近基坑側(cè)位移較大且以豎向位移為主，而遠(yuǎn)離基坑側(cè)位移較小且以水平位移為主。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

基坑自初開始開挖，坑內(nèi)遵循按需降水原則，坑內(nèi)地下水位始終控制在開挖面以下約1.0 m。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控隧道變形量與變形趨勢(shì)，在隧道管片上設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用全站儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)24 h監(jiān)測(cè)隧道位移量。基坑與隧道鄰近一側(cè)的中間位置的特征剖面上，靠近基坑兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移見圖15和圖16。

圖15 基坑施工階段周邊隧道測(cè)點(diǎn)1位移

圖16 基坑施工階段周邊隧道測(cè)點(diǎn)2位移

從圖15 和圖16 可以看出，基坑開挖降水引起的隧道位移較為明顯，隧道整體呈隆起趨勢(shì)且位移量隨基坑開挖深度增加呈現(xiàn)較為敏感的階梯式增長(zhǎng)趨勢(shì)。第一層土方開挖引起的位移增量為1.22～1.55 mm，較預(yù)測(cè)最大值2.23 mm 偏??；實(shí)測(cè)第二層土開挖引起的位移量為1.42～1.70 mm，較預(yù)測(cè)值0.90 mm 偏大。而基坑開挖引起的隧道位移增量為3.71～3.78 mm，與預(yù)測(cè)值3.83 mm基本相符。

5 結(jié)論與建議

1）從模擬結(jié)果來看，在類似地層條件下，基坑施工影響主要集中在5倍開挖深度范圍以內(nèi)。

2）基坑開挖降水對(duì)鄰近隧道的影響主要表現(xiàn)為引起隧道產(chǎn)生指向開挖區(qū)的隆起變形，土方開挖卸載是隧道變形的主導(dǎo)因素。

3）隧道對(duì)基坑開挖極為敏感，隨基坑開挖深度增加，隧道位移量呈階梯式增長(zhǎng)趨勢(shì)。

鑒于上述分析結(jié)果，鄰近隧道的深基坑施工階段應(yīng)嚴(yán)格開展隧道結(jié)構(gòu)變形的位移監(jiān)測(cè)工作，同時(shí)，土方開挖應(yīng)合理分區(qū)、分層進(jìn)行，不要一次性大規(guī)模開挖，充分利用隧道變形階梯式增長(zhǎng)特征，及時(shí)掌握和控制隧道變形量和變形趨勢(shì)，根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整施工工藝和施工部署，提高隧道安全使用的保障?！酢?/p>