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        軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖降水引起既有高鐵隧道變形分析研究

        2020-03-12 08:21:14毛喜云
        天津建設(shè)科技 2020年1期
        關(guān)鍵詞:土方巖土降水

        □文/毛喜云

        隨著城市建筑復(fù)雜和密集程度越來(lái)越高,基坑工程周邊環(huán)境變形控制要求也越來(lái)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)程中,土方開(kāi)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(kāi)挖面近似梯形,開(kāi)挖面積約8 389 m2,整體開(kāi)挖深度9.75 m,高層建筑地下室基坑開(kāi)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(jiàn)圖1。

        圖1 工程地理位置與周邊環(huán)境

        1.2 基坑況

        基坑開(kāi)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)程中,由于開(kāi)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(jiàn)表1。

        表1 土層計(jì)算參數(shù)

        單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果見(jiàn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)挖至坑底施作基坑底板。

        3 模擬結(jié)果分析

        為明確基坑開(kāi)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(jiàn)圖6-圖8。

        圖6 基坑開(kāi)挖第一層土周圍水平位移

        圖7 基坑開(kāi)挖第一層土周圍豎向位移

        圖8 基坑開(kāi)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(kāi)挖影響范圍以內(nèi),基坑第一層土開(kāi)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(kāi)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(kāi)挖區(qū)。

        基坑開(kāi)挖第二層土施工階段,周圍土體位移和隧道位移情況見(jiàn)圖9-圖11。

        圖9 基坑開(kāi)挖第二層土周圍水平位移

        圖10 基坑開(kāi)挖第二層土周圍豎向位移分布

        圖11 基坑開(kāi)挖第二層土周邊隧道位移

        開(kāi)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(kāi)挖區(qū)?;娱_(kāi)挖第三層土施工階段,周圍土體位移和隧道位移情況見(jiàn)圖12-圖14。

        圖12 基坑開(kāi)挖第三層土周圍水平位移

        圖13 基坑開(kāi)挖第三層土周圍豎向位移

        圖14 基坑開(kāi)挖第三層土周邊隧道位移

        從圖14可以看出,基坑土方開(kāi)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(kāi)始開(kāi)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(kāi)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?;优c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(jiàn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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 偏小;實(shí)測(cè)第二層土開(kāi)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(kāi)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(lái)看,在類似地層條件下,基坑施工影響主要集中在5倍開(kāi)挖深度范圍以內(nèi)。

        2)基坑開(kāi)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(kāi)挖區(qū)的隆起變形,土方開(kāi)挖卸載是隧道變形的主導(dǎo)因素。

        3)隧道對(duì)基坑開(kāi)挖極為敏感,隨基坑開(kāi)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(kāi)展隧道結(jié)構(gòu)變形的位移監(jiān)測(cè)工作,同時(shí),土方開(kāi)挖應(yīng)合理分區(qū)、分層進(jìn)行,不要一次性大規(guī)模開(kāi)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>

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