潛水地區(qū)深基坑降水開挖對下臥隧道影響分析

周守強,汪鵬程,王 景

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

近些年,隨著城市化進程不斷加快,軌道交通等各類大型建設工程日益增多,地下空間開發(fā)的規(guī)模和難度越來越大,呈現(xiàn)的特點也各有不同。在下穿隧道附近建設地鐵車站、深基礎等工程,對下穿隧道產生不同程度的影響,有的造成隧道變形過大影響正常使用。隧道水平位移、豎向位移和徑向收斂控制值為小于20 mm,隧道變形相對曲率控制值為小于1/2 500 m[1]。文獻[2-3]通過理論計算、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬分析深基坑開挖對下臥隧道變形和受力的影響規(guī)律;文獻[4]通過ABAQUS有限元軟件計算分析坑底抗拔樁的長度對減小下臥隧道隆起變形的作用。另外,在地下水位較高的區(qū)域,為避免出現(xiàn)安全隱患,需要在開挖前進行降水準備,而隨著水位的降低,孔隙水壓力消散,有效應力增加,會加大周邊地表沉降等風險,因此地下水位需要嚴格控制[5]。文獻[6-10]通過采用三維有限差分或有限元方法建立滲流場與應力場的計算模型,分析基坑開挖降水對地表沉降的影響及其規(guī)律,并對實際施工提供建議。

上述研究中沒有系統(tǒng)分析基坑降水開挖對下臥隧道的影響機理,本文以某城市深基坑為例,通過FLAC3D有限差分軟件,建立滲流場與應力場模型,分析下臥隧道變形和內力的變化規(guī)律,可為類似的工程項目提供參考。

1 工程概況

1.1 深基坑與隧道

該工程的既有隧道為2條貫穿南北方向的雙線隧道,隧道線路全長27.36 km,本文以該南北上、下行線隧道地下線的一段為研究對象,2條隧道的中心相距16.0 m,凈間距10.0 m,隧道拱頂距離地表的垂直距離約為17.0 m。2條地鐵隧道外徑均為6.0 m,內徑為5.7 m,管片襯砌厚度為0.3 m。位于雙線隧道上方有1個新建深基坑,長為106.0 m,寬為28.0 m,深為14.0 m,采用明挖順做法施工。隧道頂部與深基坑底部相距約5.0 m。該工程基坑開挖總深度為14.00 m,深基坑豎向圍護結構擬用φ1 000@800 mm的鉆孔灌注樁,樁長約18.0～24.0 m,均采用C30混凝土灌注而成。

水平支撐系統(tǒng)采用3道支撐設計方案:第1道水平支撐采用規(guī)格為800 mm×900 mm的鋼筋混凝土支撐體系,距離地層表面2 m 左右;第2道和第3道均采用φ609 mm、壁厚為18 mm的鋼支撐,分別位于地表以下4、6 m左右。該區(qū)段平面布置如圖1所示。

圖1 基坑工程平面布置

該基坑采用雙排高壓旋噴樁止水帷幕以隔斷坑內外地下水,并且結合坑外降水井疏干降水的方式降低地下水位。為滿足降水需求,在基坑外側設22個正方形降水井,邊長為1.0 m,降水井與基坑外邊緣相距3.0 m左右,相鄰降水井相距約10.0 m,降水井深18.0 m,其下部3 m為進水段,降水至基坑底面以下約2 m距離[11]。觀測井共3個(OB1～ OB3),分別位于基坑邊10、20、30 m。此外,為了防止下臥隧道在基坑開挖過程中變形和受力過大,避免出現(xiàn)安全隱患,在既有隧道兩側布置4排×10根抗拔樁,抗拔樁采用φ900@2 000 mm鉆孔灌注樁,樁長為25 m,并對基坑底部進行加固,在抗拔樁上部澆筑混凝土壓重板,樁頭錨入板中形成受力整體,減小下臥隧道的上浮變形。

1.2 工程地質與水文地質條件

根據(jù)巖土工程勘察報告,該施工區(qū)域主要是第四紀沉積物,場地地貌為Ⅱ級階地,地面平坦,地質勘探時未揭示到地下人防工程等人為坑洞,無斷裂通過,地質條件相對較為穩(wěn)定。本次勘察揭露深度為40 m,在勘察范圍內主要有雜填土、砂土及卵石。巖土體物理、力學參數(shù)見表1所列。

表1 巖土體物理、力學參數(shù)

該地區(qū)氣候干燥,降雨量較少,地下水類型為第四紀松散層孔隙潛水,流向東西,并且接受降雨和側向徑流補給。地質勘探時初始地下水位埋深約2.011 m,高出擬建基坑底板約14 m,基坑降水單井涌水量為500～1 200 m3/d,地下水位年變化幅度為0.6～0.8 m,基坑降水深度約14 m(至基坑底板以下大約2 m[11]),地層水文參數(shù)見表2所列。

表2 土層水文參數(shù)

地層剖面如圖2所示(尺寸單位為m)。

1.隧道橫向中心軸線 2.降水井 3.地下連續(xù)墻 4.抗拔樁 5.既有隧道圖2 地層與降水井相對位置剖面圖

2 深基坑開挖和降水方案

2.1 深基坑開挖方案

針對本工程狹長基坑的開挖及降水,根據(jù)狹長形基坑的特點,選擇合適的分層分段開挖方法,每層每段開挖和支撐形成的時間均有較嚴格的限制,一般情況下為12～36 h。本文采取的分層分段開挖方案,如圖3所示(尺寸單位為m)。

圖3 基坑分層分段開挖方案

圖3中:將深基坑沿長邊方向分為12個區(qū)域,分別為從A到L;將深基坑沿深度方向分為7個土層,每層2 m,圖中數(shù)字表示開挖工況序號,共18個開挖工況。

2.2 降水方案

在開挖前,將水位降到本次開挖深度以下2 m左右,即在進行開挖工況1之前,將地下水位降到地表以下4 m左右,以此類推,在進行開挖工況7前,將水位降到地表以下17 m左右,降水完成。

3 降水開挖數(shù)值模擬

3.1 數(shù)學模型

地下水不穩(wěn)定流動的微分方程為:

(1)

其中:Kxx、Kyy、Kzz分別為x、y、z方向上的滲透系數(shù);h為在位置(x,y,z)處t時刻的水位;h0為點(x,y,z)的初始水位;W為地下水的回灌量或交換量;Ss為地下水在位置(x,y,z)處特殊的儲存量;Ω為計算區(qū)域;Γ1、Γ2分別為第1類和第2類邊界條件;q為邊界Γ2上每個單元面積的側向補給;nx、ny、nz分別為邊界Γ2上垂直于x、y、z方向的矢量。在本次數(shù)值模擬中,假設土層在水平方向上是各向同性的,即Kxx=Kyy。

3.2 三維數(shù)值模型

本文采用有限差分軟件FLAC3D進行三維分析計算,根據(jù)圣維南原理,數(shù)值模型尺寸簡化選取為208 m×142 m×61 m。計算模型共劃分為61 724個單元,包含73 321個節(jié)點,如圖4所示。

圖4 基坑開挖三維數(shù)值模型

對模型底部的水平和豎直位移進行約束,模型底面設置成不透水邊界,對模型四周的水平位移進行約束,并設置初始水位在地表以下2.011 m的定水頭邊界,模型上表面為自由邊界,降水井井壁采用節(jié)點滲流邊界條件并限制其水平位移。土體的應力-應變關系符合Mohr-Coulomb本構理論。襯砌管片、抗拔樁、水平內支撐在基坑開挖和降水作用下應力-應變關系符合線彈性本構理論。數(shù)值模擬中隧道襯砌、基坑底板等采用結構單元模擬,其中圍護結構等效為厚度為1 m的地下連續(xù)墻。結構單元計算參數(shù)見表3所列。將觀測井OB1～OB3的實時水位監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬值作對比,結果顯示模擬值與監(jiān)測值基本吻合,如圖5所示,說明數(shù)值模型中參數(shù)選取符合實際情況。

表3 結構單元計算參數(shù)

圖5 基坑地下水位變化曲線

3.3 降水和開挖工況的實現(xiàn)

對于降水過程,采用設置降水井井壁滲流速度的方式實現(xiàn)降水模擬,具體通過編制fish語言,當某一降水深度基坑正中心處的孔隙水壓力值為0時停止降水,以滿足控制降水深度的要求。對于基坑開挖過程,采用model null命令實現(xiàn)開挖過程的模擬。地表以下17 m處中心點(節(jié)點3869)孔隙水壓力隨滲流計算步的變化曲線如圖6所示,降水井截面處(以基坑中心為原點,y軸為法線方向)滲流矢量圖如圖7所示。

圖6 節(jié)點3869孔隙水壓力隨計算步變化曲線

圖7 降水井截面處滲流矢量圖

4 下臥隧道影響分析

4.1 下臥隧道變形分析

隨著基坑降水的進行,研究范圍內的土體孔隙水壓力減小,根據(jù)有效應力原理,土體的有效應力增加,土體沉降增大。另外隨著開挖工況的進行,土體卸荷,坑底土體回彈,因此,降水和開挖反復過程會造成土體的反復沉降和回彈。下臥隧道拱頂變形曲線和變形云圖如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可知,下臥隧道在整個深基坑降水和開挖完成后,隧道變形在一定范圍內存在隆起和下沉。其中,在深基坑范圍內,隧道呈現(xiàn)出隆起狀態(tài),在基坑正中心取得最大值,上浮最大值為6.009 8 mm。在深基坑范圍外,下臥隧道呈現(xiàn)下沉狀態(tài),距離基坑越遠沉降越大,沉降最大值為8.860 2 mm,而且距離基坑圍護結構越遠,沉降值越大。深基坑范圍外下臥隧道的沉降完全是由降水引起的,這是由于隨著基坑降水的進行,孔隙水壓力減小,有效應力增加,土體壓縮沉降。而在深基坑范圍內下臥隧道的隆起是由基坑降水和開挖共同作用下疊加產生的效果,從基坑外范圍內下臥隧道沉降值判斷出,深基坑開挖引起的隧道隆起量遠遠大于由于降水引起的沉降量,可以近似確定開挖引起的上浮值為15 mm。從圖8可以看出隧道變形監(jiān)測值較模擬值偏小,但變形規(guī)律基本吻合。從隧道變形曲線的整體上看,曲線形狀近似為一維高斯函數(shù),用該函數(shù)進行隧道變形散點圖的擬合,擬合效果較好,擬合曲線高斯函數(shù)方程為:

圖8 下臥隧道拱頂變形曲線

圖9 下臥隧道變形云圖

(2)

其中,y0=-8.456 76 m;xc=70.837 43 m;w=32.922 81;A=574.502。

在基坑內外范圍的交界面,由于基坑圍護結構的“包裹”作用,下臥隧道的變形既不上浮也不下沉,而是與豎直方向有一定夾角的側向變形。

y=85 m處隧道變形云圖如圖10所示。

圖10 y=85 m隧道變形云圖

由圖10可知：在隧道拱頂附近產生的位移最小,最小值為0.191 18 mm,基本不發(fā)生變形;在隧道拱底產生的位移最大,最大值為1.554 10 mm。該工程在降水開挖下隧道的上浮量不超過20 mm,并且隧道變形曲率半徑大于15 000 m,滿足文獻[1]要求。

4.2 下臥隧道內力分析

在深基坑降水和開挖過程中,下臥隧道產生位移變形,也會引起隧道結構的內力變化。由于隧道管片是預制混凝土材料,其抗壓強度遠遠大于抗拉強度,下臥隧道管片的抗拉性能是研究的重點。隧道管片拱頂和拱底的最大主應力隨隧道長度變化曲線如圖11所示。

圖11 隧道管片拱頂、拱底最大主應力變化曲線

由圖11可知:沿隧道長度方向,拱頂最大主應力大小不一,并出現(xiàn)2個峰值,位置分別在55、85 m,即下臥隧道在基坑圍護結構處產生最大主應力,大小分別為22.492 2、 18.339 6 MPa,說明在該處隧道受到的拉力最大,易發(fā)生脆性破壞,施工中應時刻監(jiān)測該處的應力和變形;在拱底最大主應力曲線中,出現(xiàn)4個峰值,位置分別在30、55、85、110 m處,大小分別為14.029 70、5.727 37、4.431 85、11.834 50 MPa。在圍護結構處,拱頂和拱底均出現(xiàn)峰值,但拱底峰值較拱頂峰值略小,說明拱頂較拱底發(fā)生脆性拉破壞的可能性更大。另外,拱底在30、110 m處出現(xiàn)峰值,說明在距基坑圍護結構兩端約25 m,約2倍的基坑深度處,拱底受到的拉力較大,甚至比55、85 m處還大,因此在這2個位置施工中也要密切關注其應力和應變的變化。

5 結 論

(1) 深基坑在降水和開挖下,下臥隧道在基坑范圍內呈隆起狀態(tài),基坑范圍外呈下沉狀態(tài),在基坑正中心隆起變形最大,距離基坑越遠沉降越大。上浮和沉降最大值分別為6.009 8、8.860 2 mm,該值均小于20 mm,滿足規(guī)范要求;模擬值較監(jiān)測值偏大,但變形規(guī)律基本吻合。

(2) 深基坑在降水和開挖下,下臥隧道變形曲線近似為一維高斯函數(shù),將該曲線擬合為高斯函數(shù),擬合效果較好。

(3) 深基坑在降水和開挖下,下臥隧道在基坑圍護結構處,由于圍護結構的“包裹”作用,下臥隧道變形既不表現(xiàn)為上浮也不表現(xiàn)為下沉,僅有側向變形,并且在拱底側向位移最大,施工過程中需要密切關注。

(4) 無論是隧道拱頂還是拱底,下臥隧道在圍護結構處,都存在最大主應力,受到的拉應力最大。另外,在距離基坑邊約2倍基坑開挖深度處,也存在較大的主應力,在施工中應時刻監(jiān)測這2個位置處下臥隧道的應力和應變,采取措施,防止發(fā)生變形過大或破壞。