潜水地区深基坑降水开挖对下卧隧道影响分析

周守强,汪鹏程,王 景

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

近些年,随着城市化进程不断加快,轨道交通等各类大型建设工程日益增多,地下空间开发的规模和难度越来越大,呈现的特点也各有不同。在下穿隧道附近建设地铁车站、深基础等工程,对下穿隧道产生不同程度的影响,有的造成隧道变形过大影响正常使用。隧道水平位移、竖向位移和径向收敛控制值为小于20 mm,隧道变形相对曲率控制值为小于1/2 500 m[1]。文献[2-3]通过理论计算、现场监测数据及数值模拟分析深基坑开挖对下卧隧道变形和受力的影响规律;文献[4]通过ABAQUS有限元软件计算分析坑底抗拔桩的长度对减小下卧隧道隆起变形的作用。另外,在地下水位较高的区域,为避免出现安全隐患,需要在开挖前进行降水准备,而随着水位的降低,孔隙水压力消散,有效应力增加,会加大周边地表沉降等风险,因此地下水位需要严格控制[5]。文献[6-10]通过采用三维有限差分或有限元方法建立渗流场与应力场的计算模型,分析基坑开挖降水对地表沉降的影响及其规律,并对实际施工提供建议。

上述研究中没有系统分析基坑降水开挖对下卧隧道的影响机理,本文以某城市深基坑为例,通过FLAC3D有限差分软件,建立渗流场与应力场模型,分析下卧隧道变形和内力的变化规律,可为类似的工程项目提供参考。

1 工程概况

1.1 深基坑与隧道

该工程的既有隧道为2条贯穿南北方向的双线隧道,隧道线路全长27.36 km,本文以该南北上、下行线隧道地下线的一段为研究对象,2条隧道的中心相距16.0 m,净间距10.0 m,隧道拱顶距离地表的垂直距离约为17.0 m。2条地铁隧道外径均为6.0 m,内径为5.7 m,管片衬砌厚度为0.3 m。位于双线隧道上方有1个新建深基坑,长为106.0 m,宽为28.0 m,深为14.0 m,采用明挖顺做法施工。隧道顶部与深基坑底部相距约5.0 m。该工程基坑开挖总深度为14.00 m,深基坑竖向围护结构拟用φ1 000@800 mm的钻孔灌注桩,桩长约18.0～24.0 m,均采用C30混凝土灌注而成。

水平支撑系统采用3道支撑设计方案:第1道水平支撑采用规格为800 mm×900 mm的钢筋混凝土支撑体系,距离地层表面2 m 左右;第2道和第3道均采用φ609 mm、壁厚为18 mm的钢支撑,分别位于地表以下4、6 m左右。该区段平面布置如图1所示。

图1 基坑工程平面布置

该基坑采用双排高压旋喷桩止水帷幕以隔断坑内外地下水,并且结合坑外降水井疏干降水的方式降低地下水位。为满足降水需求,在基坑外侧设22个正方形降水井,边长为1.0 m,降水井与基坑外边缘相距3.0 m左右,相邻降水井相距约10.0 m,降水井深18.0 m,其下部3 m为进水段,降水至基坑底面以下约2 m距离[11]。观测井共3个(OB1～ OB3),分别位于基坑边10、20、30 m。此外,为了防止下卧隧道在基坑开挖过程中变形和受力过大,避免出现安全隐患,在既有隧道两侧布置4排×10根抗拔桩,抗拔桩采用φ900@2 000 mm钻孔灌注桩,桩长为25 m,并对基坑底部进行加固,在抗拔桩上部浇筑混凝土压重板,桩头锚入板中形成受力整体,减小下卧隧道的上浮变形。

1.2 工程地质与水文地质条件

根据岩土工程勘察报告,该施工区域主要是第四纪沉积物,场地地貌为Ⅱ级阶地,地面平坦,地质勘探时未揭示到地下人防工程等人为坑洞,无断裂通过,地质条件相对较为稳定。本次勘察揭露深度为40 m,在勘察范围内主要有杂填土、砂土及卵石。岩土体物理、力学参数见表1所列。

表1 岩土体物理、力学参数

该地区气候干燥,降雨量较少,地下水类型为第四纪松散层孔隙潜水,流向东西,并且接受降雨和侧向径流补给。地质勘探时初始地下水位埋深约2.011 m,高出拟建基坑底板约14 m,基坑降水单井涌水量为500～1 200 m3/d,地下水位年变化幅度为0.6～0.8 m,基坑降水深度约14 m(至基坑底板以下大约2 m[11]),地层水文参数见表2所列。

表2 土层水文参数

地层剖面如图2所示(尺寸单位为m)。

1.隧道横向中心轴线 2.降水井 3.地下连续墙 4.抗拔桩 5.既有隧道图2 地层与降水井相对位置剖面图

2 深基坑开挖和降水方案

2.1 深基坑开挖方案

针对本工程狭长基坑的开挖及降水,根据狭长形基坑的特点,选择合适的分层分段开挖方法,每层每段开挖和支撑形成的时间均有较严格的限制,一般情况下为12～36 h。本文采取的分层分段开挖方案,如图3所示(尺寸单位为m)。

图3 基坑分层分段开挖方案

图3中:将深基坑沿长边方向分为12个区域,分别为从A到L;将深基坑沿深度方向分为7个土层,每层2 m,图中数字表示开挖工况序号,共18个开挖工况。

2.2 降水方案

在开挖前,将水位降到本次开挖深度以下2 m左右,即在进行开挖工况1之前,将地下水位降到地表以下4 m左右,以此类推,在进行开挖工况7前,将水位降到地表以下17 m左右,降水完成。

3 降水开挖数值模拟

3.1 数学模型

地下水不稳定流动的微分方程为:

(1)

其中:Kxx、Kyy、Kzz分别为x、y、z方向上的渗透系数;h为在位置(x,y,z)处t时刻的水位;h0为点(x,y,z)的初始水位;W为地下水的回灌量或交换量;Ss为地下水在位置(x,y,z)处特殊的储存量;Ω为计算区域;Γ1、Γ2分别为第1类和第2类边界条件;q为边界Γ2上每个单元面积的侧向补给;nx、ny、nz分别为边界Γ2上垂直于x、y、z方向的矢量。在本次数值模拟中,假设土层在水平方向上是各向同性的,即Kxx=Kyy。

3.2 三维数值模型

本文采用有限差分软件FLAC3D进行三维分析计算,根据圣维南原理,数值模型尺寸简化选取为208 m×142 m×61 m。计算模型共划分为61 724个单元,包含73 321个节点,如图4所示。

图4 基坑开挖三维数值模型

对模型底部的水平和竖直位移进行约束,模型底面设置成不透水边界,对模型四周的水平位移进行约束,并设置初始水位在地表以下2.011 m的定水头边界,模型上表面为自由边界,降水井井壁采用节点渗流边界条件并限制其水平位移。土体的应力-应变关系符合Mohr-Coulomb本构理论。衬砌管片、抗拔桩、水平内支撑在基坑开挖和降水作用下应力-应变关系符合线弹性本构理论。数值模拟中隧道衬砌、基坑底板等采用结构单元模拟,其中围护结构等效为厚度为1 m的地下连续墙。结构单元计算参数见表3所列。将观测井OB1～OB3的实时水位监测数据与模拟值作对比,结果显示模拟值与监测值基本吻合,如图5所示,说明数值模型中参数选取符合实际情况。

表3 结构单元计算参数

图5 基坑地下水位变化曲线

3.3 降水和开挖工况的实现

对于降水过程,采用设置降水井井壁渗流速度的方式实现降水模拟,具体通过编制fish语言,当某一降水深度基坑正中心处的孔隙水压力值为0时停止降水,以满足控制降水深度的要求。对于基坑开挖过程,采用model null命令实现开挖过程的模拟。地表以下17 m处中心点(节点3869)孔隙水压力随渗流计算步的变化曲线如图6所示,降水井截面处(以基坑中心为原点,y轴为法线方向)渗流矢量图如图7所示。

图6 节点3869孔隙水压力随计算步变化曲线

图7 降水井截面处渗流矢量图

4 下卧隧道影响分析

4.1 下卧隧道变形分析

随着基坑降水的进行,研究范围内的土体孔隙水压力减小,根据有效应力原理,土体的有效应力增加,土体沉降增大。另外随着开挖工况的进行,土体卸荷,坑底土体回弹,因此,降水和开挖反复过程会造成土体的反复沉降和回弹。下卧隧道拱顶变形曲线和变形云图如图8、图9所示。

由图8、图9可知,下卧隧道在整个深基坑降水和开挖完成后,隧道变形在一定范围内存在隆起和下沉。其中,在深基坑范围内,隧道呈现出隆起状态,在基坑正中心取得最大值,上浮最大值为6.009 8 mm。在深基坑范围外,下卧隧道呈现下沉状态,距离基坑越远沉降越大,沉降最大值为8.860 2 mm,而且距离基坑围护结构越远,沉降值越大。深基坑范围外下卧隧道的沉降完全是由降水引起的,这是由于随着基坑降水的进行,孔隙水压力减小,有效应力增加,土体压缩沉降。而在深基坑范围内下卧隧道的隆起是由基坑降水和开挖共同作用下叠加产生的效果,从基坑外范围内下卧隧道沉降值判断出,深基坑开挖引起的隧道隆起量远远大于由于降水引起的沉降量,可以近似确定开挖引起的上浮值为15 mm。从图8可以看出隧道变形监测值较模拟值偏小,但变形规律基本吻合。从隧道变形曲线的整体上看,曲线形状近似为一维高斯函数,用该函数进行隧道变形散点图的拟合,拟合效果较好,拟合曲线高斯函数方程为:

图8 下卧隧道拱顶变形曲线

图9 下卧隧道变形云图

(2)

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

在基坑内外范围的交界面,由于基坑围护结构的“包裹”作用,下卧隧道的变形既不上浮也不下沉,而是与竖直方向有一定夹角的侧向变形。

y=85 m处隧道变形云图如图10所示。

图10 y=85 m隧道变形云图

由图10可知：在隧道拱顶附近产生的位移最小,最小值为0.191 18 mm,基本不发生变形;在隧道拱底产生的位移最大,最大值为1.554 10 mm。该工程在降水开挖下隧道的上浮量不超过20 mm,并且隧道变形曲率半径大于15 000 m,满足文献[1]要求。

4.2 下卧隧道内力分析

在深基坑降水和开挖过程中,下卧隧道产生位移变形,也会引起隧道结构的内力变化。由于隧道管片是预制混凝土材料,其抗压强度远远大于抗拉强度,下卧隧道管片的抗拉性能是研究的重点。隧道管片拱顶和拱底的最大主应力随隧道长度变化曲线如图11所示。

图11 隧道管片拱顶、拱底最大主应力变化曲线

由图11可知:沿隧道长度方向,拱顶最大主应力大小不一,并出现2个峰值,位置分别在55、85 m,即下卧隧道在基坑围护结构处产生最大主应力,大小分别为22.492 2、 18.339 6 MPa,说明在该处隧道受到的拉力最大,易发生脆性破坏,施工中应时刻监测该处的应力和变形;在拱底最大主应力曲线中,出现4个峰值,位置分别在30、55、85、110 m处,大小分别为14.029 70、5.727 37、4.431 85、11.834 50 MPa。在围护结构处,拱顶和拱底均出现峰值,但拱底峰值较拱顶峰值略小,说明拱顶较拱底发生脆性拉破坏的可能性更大。另外,拱底在30、110 m处出现峰值,说明在距基坑围护结构两端约25 m,约2倍的基坑深度处,拱底受到的拉力较大,甚至比55、85 m处还大,因此在这2个位置施工中也要密切关注其应力和应变的变化。

5 结 论

(1) 深基坑在降水和开挖下,下卧隧道在基坑范围内呈隆起状态,基坑范围外呈下沉状态,在基坑正中心隆起变形最大,距离基坑越远沉降越大。上浮和沉降最大值分别为6.009 8、8.860 2 mm,该值均小于20 mm,满足规范要求;模拟值较监测值偏大,但变形规律基本吻合。

(2) 深基坑在降水和开挖下,下卧隧道变形曲线近似为一维高斯函数,将该曲线拟合为高斯函数,拟合效果较好。

(3) 深基坑在降水和开挖下,下卧隧道在基坑围护结构处,由于围护结构的“包裹”作用,下卧隧道变形既不表现为上浮也不表现为下沉,仅有侧向变形,并且在拱底侧向位移最大,施工过程中需要密切关注。

(4) 无论是隧道拱顶还是拱底,下卧隧道在围护结构处,都存在最大主应力,受到的拉应力最大。另外,在距离基坑边约2倍基坑开挖深度处,也存在较大的主应力,在施工中应时刻监测这2个位置处下卧隧道的应力和应变,采取措施,防止发生变形过大或破坏。