深厚砂礫層下沉式隧道臨近河道安全施工控制技術研究

段春明

(長沙廣恒橋梁技術咨詢有限公司，湖南 長沙 410000)

隨著中國城市交通建設的快速發(fā)展，城市交通網(wǎng)越來越密集，不可避免地會遇到城市主干道路交叉情況，城市下沉式隧道作為一種解決交叉問題有效的交通方式已在各大城市中被廣泛應用，但隧道明挖基坑施工安全性受基坑周邊地層及環(huán)境影響較大，特別是對于深厚富水砂礫層中臨近河道修建深基坑工程，由于富水砂礫層具有空隙率大、高滲透性的特點，該地層下基坑圍護結構穩(wěn)定性受地下水位變化影響較大，砂礫層厚度大導致基坑四周水壓力增大，會引起較大的圍護結構變形，影響基坑的安全性。為了減小地下水壓力對基坑圍護結構穩(wěn)定性的影響，需要在坑外采取加固措施，因此研究富水砂礫層下深基坑臨近河道施工圍護結構穩(wěn)定性及坑外加固措施設計至關重要。

國內外已有不少學者通過數(shù)值計算、試驗及理論分析研究了基坑加固對基坑穩(wěn)定性的影響。張文超等通過理論分析、現(xiàn)場實測及數(shù)值計算研究了基坑坑外加固對基坑穩(wěn)定性的控制效果；李卓峰等主要從基坑坑內加固形式及加固參數(shù)等方面切入，通過有限元數(shù)值計算，研究了基坑坑內加固對基坑周邊建構物穩(wěn)定性的控制效果。目前針對基坑加固研究主要集中在軟土地層坑內加固方面，而對于深厚富水砂礫層臨近河道深基坑施工圍護結構穩(wěn)定性及坑外加固措施設計研究甚少，有必要對其開展深入研究。

該文以富水砂礫層臨近河道某城市下沉式隧道深基坑工程為背景，基于FLAC3D有限元軟件，建立三維深基坑數(shù)值計算模型，研究不同地下水位作用下深基坑穩(wěn)定性變化規(guī)律，并分析高水位作用下坑外加固措施對地連墻變形及抗傾覆穩(wěn)定性的影響。

1 工程概況

某隧道位于城市快速路上，為雙向四車道下沉式隧道，隧道左右雙線同時下穿某城市主干干道，交叉角度為78°，隧道左右線采用整體式箱形結構，施工工法采用明挖法施工，隧道基坑深度為25.5 m，基坑寬度為24.5 m，基坑圍護結構采用1 m厚地下連續(xù)墻，圍護墻深度為32 m，連續(xù)墻嵌入深度為6.5 m，墻底位于強風化砂巖，基坑豎向設置4道混凝土支撐(第1道為1 m×1 m，其余支撐為1.2 m×1.2 m)，然而深基坑南側臨近河道，河道深度為12.5 m，距河道最小距離為43.8 m，周邊存在較厚的砂礫層，最大厚度為16 m，透水性強，基坑與河道水位連通，基坑水位變化主要為地下4～12 m，河道地下水位的大幅度升高會極大地增加基坑施工風險，現(xiàn)場施工擬對基坑四周地層進行坑外加固，以減少河道水壓力對基坑圍護結構的影響，其中地連墻外深度為28 m，加固寬度為8 m，基坑具體設計方案如圖1、2所示。

圖1 工程平面位置圖

圖2 基坑支護橫斷面圖(單位：mm)

2 有限元模型建立

2.1 計算模型

選取下沉式隧道靠近河道最近的節(jié)段基坑作為模擬對象，通過FLAC3D軟件建立三維基坑模型，采用三維實體單元模擬地連墻和土層，采用梁單元模擬各道支撐?；幽Ｐ蛯挾葹?00 m，長度為80 m，高度為50 m，模型共劃分50 000個網(wǎng)格，對模型左右邊界兩側Y方向位移進行約束，并對模型的底邊界進行X方向和Y方向位移約束，對模型前后X方向位移進行約束，考慮基坑周邊20 kPa施工超載，三維基坑數(shù)值計算模型如圖3所示。

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)地勘報告基坑周圍地層分布為：第1層填土，第2層細砂，第3層砂礫，第4層強風化～微風化砂巖，土層的計算參數(shù)如表1所示。

圖3 深基坑三維數(shù)值計算模型

3 不同地下水位時基坑穩(wěn)定性分析

由于基坑水位變化主要為地下4～12 m，水位變化較大，有必要研究不同地下水位下基坑圍護結構穩(wěn)定性受地下水位變化影響規(guī)律，地下水位計算共設置為H=3、5、7、9、11、13 m6種工況(考慮一個計算工況中基坑開挖時地下水位保持不變)，提取基坑在加固與未加固情況下通過6種工況計算得到的基坑開挖到底時圍護結構最大水平位移值(大量計算結果分析發(fā)現(xiàn)，不同計算工況下基坑開挖到底時圍護結構最大水平位移位置變化不大，因此主要研究最大水平位移值變化)及基坑抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，結果如圖4所示。

表1 各層土的計算參數(shù)

圖4 有無加固措施時水位變化對基坑變形及穩(wěn)定性影響

由圖4可知:

(1) 未采取加固措施時基坑地下水位變化對基坑變形及穩(wěn)定性影響較為明顯，當水位由地下9 m上升到地下3 m時，地下水位變化對基坑穩(wěn)定性影響最為明顯，且在水位上升到9 m時基坑已經(jīng)接近危險狀態(tài)，當?shù)叵滤桓哂诘孛嬉韵? m水位時，地下水位已危及基坑圍護結構安全性，因此此時水位可視為高水位，在沒有采取注漿加固措施下，深基坑坑外的地下警戒水位在地下9 m，因此為保證高水位下深基坑施工的穩(wěn)定性，必須采取坑外加固措施以減小高水位對基坑穩(wěn)定性的影響。

(2) 基坑施工時未采取坑外加固情況時圍護結構出現(xiàn)最大水平位移為42.5 mm，而對于采取加固措施時基坑圍護結構出現(xiàn)最大水平位移為28.8 mm，注漿加固以后墻體最大水平位移減小了近33%，可見，在基坑施工時采取坑外加固措施能夠有效減小圍護結構變形，提高圍護結構的穩(wěn)定性。

4 坑外加固參數(shù)影響分析

由前文計算分析結果可知，坑外加固能夠有效地控制基坑圍護結構穩(wěn)定性，為了進一步研究坑外加固參數(shù)對基坑穩(wěn)定性的影響，優(yōu)化加固參數(shù)，此次計算控制基坑最高水位H=4 m不變，在原加固方案基礎上(加固寬度為8 m，加固深度為28 m)，研究不同加固寬度(寬度取2、4、6、8、10 m)與加固深度(深度取18、20、22、24、26、28 m)時基坑圍護結構變形穩(wěn)定性變化規(guī)律，得到合理的加固參數(shù)。提取不同計算工況下基坑開挖到底時連續(xù)墻最大水平位移及基坑抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，計算結果如圖5、6所示。

由圖5可知：當加固寬度逐漸增大時，圍護結構的最大水平位移出現(xiàn)先減小后穩(wěn)定的趨勢，基坑抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨著加固寬度增加而增大，且加固寬度為4～6 m變化時，墻體最大水平位移及基坑抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)變化最為顯著，且在加固寬度為4 m時，墻體最大位移值為34.48 mm，基坑穩(wěn)定系數(shù)為0.62，遠低于規(guī)范規(guī)定的基坑安全性要求。隨著加固寬度的繼續(xù)增加，墻體最大水平位移和基坑抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)變化幅度逐漸變小，由6 m增加到8 m變化幅度微小，且加固寬度為6 m時，基坑變形及穩(wěn)定系數(shù)都在安全范圍以內，考慮加固寬度對地連墻變形及穩(wěn)定性的影響，基坑坑外加固寬度宜控制為6 m。

圖5 加固寬度對基坑變形及穩(wěn)定性影響

圖6 加固深度對基坑變形及穩(wěn)定性影響

由圖6可知：

(1) 當基坑加固深度由20 m增加到24 m時，地連墻的穩(wěn)定系數(shù)及最大水平位移變化最為顯著；加固深度由24 m增加到28 m時，地連墻的最大水平位移及穩(wěn)定系數(shù)變化很小。加固深度增加到24 m時，加固區(qū)由砂質地層進入砂巖地層2 m，有效地增強了圍護結構的抗變形能力；考慮加固深度對地連墻變形及基坑穩(wěn)定性的影響，加固深度應控制為24 m。

(2) 將不同加固深度與加固寬度時基坑圍護結構穩(wěn)定性變化規(guī)律進行對比，當加固寬度由2 m增加到6 m合理寬度時，墻體最大水平位移由35.3 mm減小到29.76 mm，減小幅度為15.69%，即平均每增加1 m加固寬度時，地連墻位移減小幅度為3.92%；而當加固深度由12.5 m增加到20 m合理深度時，墻體最大水平位移由36.69 mm減小到24.5 mm，減小幅度為33.22%，即平均每增加1 m加固深度時，地連墻位移減小幅度為4.43%；可見增加加固深度對于控制基坑變形效果比增加寬度要好，在一定條件下實際工程注漿設計時應以控制注漿加固深度為主，控制加固寬度為輔。

5 現(xiàn)場注漿加固效果分析

現(xiàn)場施工時為了減少地下水對基坑開挖穩(wěn)定性影響，將優(yōu)化后的加固參數(shù)應用于深基坑加固，基坑四周地連墻外加固寬度為6 m，深度為24 m。根據(jù)基坑實際情況，現(xiàn)場對基坑連續(xù)墻水平位移進行監(jiān)測，監(jiān)測時間為2017年2月至2017年7月20日，監(jiān)測點布置如圖7所示，該文選取靠近河道最近的節(jié)段基坑斷面測點A001和A012，連續(xù)墻變形監(jiān)測結果如圖8所示。

圖7 連續(xù)墻水平位移監(jiān)測點布置圖

由圖8可知:加固方案優(yōu)化后在基坑開挖完成時，地下連續(xù)墻測點A001最大水平位移為25.5 mm，A012最大水平位移為21.8 mm，基坑南側地下連續(xù)墻水平位移要大于北側，這是由于基坑南側靠近河道導致南側地下連續(xù)墻承受水壓力要大于北側；基坑施工過程中基坑圍護結構最大位移均未超過預警值30 mm，說明坑外加固措施保證了基坑施工的安全進行。

6 結論與建議

基于FLAC3D軟件分析了富水砂礫層臨近河道下沉式隧道深基坑施工時坑外加固措施對深基坑變形及穩(wěn)定性的影響，并研究坑外加固參數(shù)(加固深度與加固寬度)變化對基坑變形穩(wěn)定性的影響，得到以下結論：

圖8 地連墻A001和A012測點水平位移監(jiān)測結果

(1) 富水砂礫層基坑地下水位變化對基坑圍護結構變形穩(wěn)定性影響較大，地層未加固時深基坑施工安全水位宜控制在地下9 m，當?shù)叵滤桓哂诎踩粫r，施工需采用坑外加固措施。

(2) 在高水位作用下坑外加固措施能夠有效地減小基坑圍護結構水平位移，顯著地提高圍護結構的抗傾覆穩(wěn)定性，深基坑坑外加固的合理寬度為6 m，深度為24 m；增加加固深度對控制基坑穩(wěn)定性影響較寬度更為有效，在一定條件下，實際注漿設計時應以控制注漿加固深度為主。

(3) 采用坑外加固措施后基坑施工完成時圍護結構最大水平位移為25.5 mm，基坑變形控制在安全范圍以內，加固措施保證了基坑施工的安全進行。