水底明挖隧道深基坑流固耦合數值分析*

賴金星 牛方園 樊浩博 邱軍領 李小宏

(長安大學公路學院1) 西安 710064) (中國有色金屬工業西安勘察設計研究院2) 西安 710054)

水底明挖隧道深基坑流固耦合數值分析*

賴金星1)牛方園1)樊浩博1,2)邱軍領1,2)李小宏2)

(長安大學公路學院1)西安 710064) (中國有色金屬工業西安勘察設計研究院2)西安 710054)

以福州市穿越晉安河水底隧道明挖法深基坑工程為依托，采用Midas/GTS建立基坑流固耦合有限元模型，分析了基坑開挖過程中周圍應力場和滲流場的變化規律.結果表明，基坑周邊的地層沉降、坑底隆起變形和圍護結構的水平位均移隨著開挖深度的增加而逐漸增大；基坑支護樁全部受壓，其軸力隨深度先增大后減小，小于設計值，且其最不利位置位于基坑最終開挖面深度處；塑性區隨著開挖深度的增加而逐漸下移，發生塑性破壞的位置位于開挖深度6 m處.

水底隧道； 滲流耦合； 數值模擬；受力變形；基坑

0 引 言

隨著城市基礎建設的推進，城市水底隧道正在迅速發展，在這些基坑開挖過程中，由于開挖面與地表面存在水頭差，促使地下水向坑內流動，產生巖土變形與其空隙孔間中流體耦合作用問題，這種流固耦合作用會引起滑坡，基坑管涌而引起的坑底隆起等工程事故.因此，在施工之前必須對滲流引起的周邊地層和支護結構的影響做好系統、精確的分析，為施工合理規劃提供理論依據.

國內外學者通過數值分析、現場監測、理論推導等手段對基坑滲流做了大量的研究，并且取得了豐碩的成果.文獻[1]對軟土深基坑排水引起的地表沉降進行了詳細研究.姜忻良等[2]通過不同數值模擬軟件模擬了基坑開挖過程中周圍應力場及滲流場的變化規律，并提出了具體的安全性評價指標，對深基坑工程的施工具有重要的指導意義.文獻[3]通過三維數值模擬，研究了深基坑在降水過程中地層沉降的規律.王樹英等[4]為了分析基坑墊層下支護的結構應力，對8車道明挖湖底隧道基坑進行了現場測試.王建秀等[5]對上海地區地鐵車站深基坑降水誘發沉降機制及計算方法進行了詳細的研究，并對土層排水固結沉降的公式進行了修正.李玉琦等[6]基于非穩定滲流理論研究了坑內外水頭變化對作用在圍護結構上的孔隙水壓力、土壓力,以及側壓力的影響.

雖然國內外學者對基坑滲流做了眾多的研究，但由于不同基坑在開挖過程中面臨的地質和水文情況不盡相同，加之水底隧道基坑的滲流情況復雜，地下水豐富，因此，研究水底明挖隧道基坑的流固耦合問題十分必要.鑒于此，以福州市湖東東路水底明挖隧道基坑為工程依托(見圖1)，借助有限元軟件Midas/GTS，建立二維數值模型，對基坑開挖過程中的周圍土層和支護結構的受力的變形規律進行分析，以期為依托工程施工提供一定的理論指導.

1 工程概況

福州市湖東東路道路工程道路全長約為1 900 m，其中水底明挖隧道段約為40 m，隧道呈雙洞雙線布置，東西走向，起點K0+260位于晉安河西側(見圖1)，根據地質勘測報告，本段基坑所處區域內土層自上而下主要有：淤泥、粘土、卵石、砂性粘性土(見圖2)，各種土層物理力學參數見表1[7].

圖1 基坑位置

圖2 基坑結構

模型單元E/MPaμγ/(kN·m-3)K/(m·s-1)c/kPaφ/(°)淤泥 90000.3315.41.2×10-71023.6粘土 100.3314.40.00075228.6砂性粘土400.3316.20.0029236.00卵石 2000.2426.52.9×10-890045.00地連墻 200.3022.01.16×10-112941.99536.00鋼支撐 2100000.1879.0立柱 22000.2025.0

2 基坑開挖流固耦合數值模擬

2.1 計算原理

根據太沙基原理，總應力可以分為有效應力和孔隙水壓力.水不能承受剪切應力，所以有效剪切應力和總的剪切應力相等.即總應力的表達式如下.

(1)

(2)

2.2 本構模型

模型中各層土體計算中均采用摩爾-庫倫彈塑本構模型.應力空間中摩爾庫倫本構關系的屈服函數f(σ1,σ2,σ3)=0表達式為

(3)

式中：c為粘聚力；Nφ為參數，由下式確定.

(4)

其中：φ為材料內摩擦角.

2.3 初始應力

由于模擬的基坑開挖為淺地表工程，地表平整，故地基初始應力場僅考慮重力場，其計算式為：

(5)

式中：h為計算位置距地表的距離；γ為土體的重度，具體大小由下式確定.

(6)

式中：γd為土體的干重度；γw為水的重度；n為土體的孔隙度；Sr為飽和度，γ具體數值見表1.

2.4 有限元模型和材料參數

基坑模型寬16 m，開挖深度12 m.圍護結構采用地下連續墻，其厚度0.6 m，插入坑底以下深度為4 m.支護樁深入坑底以下2 m.地下連續墻與周圍土之間通過設置Goodman接觸面單元進行連接[8-10].基坑分4次開挖，每次開挖深度分別為：2，3，3，4 m.設置鋼支撐4層，支撐中心距地表的深度分別為1,3.5,5.5,9 m.根據基坑開挖影響范圍(水平方向)和影響深度分別約為開挖深度的3～4倍和2～4倍，計算域取為60 m×25 m，而在基坑長度方向僅取一個單元進行分析(即進行二維平面應變分析)，具體有限元模型見圖3，基坑各部分材料參數見表1.

圖3 有限元模型

3 計算結果及分析

3.1 基坑水頭與孔隙水壓力分布

圖4為水頭等值線云圖，圖5為孔隙水壓力云圖.由圖4、圖5可見，隨著基坑開挖深度的增加，坑內外的水頭差逐漸增大，最大水頭差達到13 m，坑內的孔隙水壓力值(絕對值)逐漸減小.在坑內，由于水頭差的影響，地下水從坑底下面流向坑底開挖面，而開挖面上水壓不及滲流帶來的壓力，所以產生正了負的孔隙水壓力；而在坑外，地下水從地表向下流向地下，所以產生正的孔隙水壓力.

圖4 水頭等值線

3.2 基坑周邊土層位移

圖6為基坑周邊土層隨開挖深度的變形規律.由圖6可見，隨著開挖深度的增加，基坑周邊的地層沉降隨著開挖深度的增加也逐漸增大，最大沉降量達到6 cm且位于坑后約5 m處.基坑開挖前要對周圍土層進行降水施工，土層中的自由水減小引起孔隙水壓力的減小，引起土層的豎直沉降，并且距離基坑越近，降水程度越大，沉降量也越大，但圍護結構附近仍有部分土層向上隆起，這是因為在第1步開挖結束后，為了防止基坑的水平收斂，在開挖面上方施做了鋼支撐，使得圍護結構附近的地層發生了向上的隆起.

圖5 孔隙水壓力云圖

圖6 基坑周邊土層隨開挖深度的變形規律

坑底隆起變形隨著開挖深度的增加也逐漸增大，并且變形值隨著距基坑中心的距離增加而減小，最終變形值達到9 cm.由于基坑開挖面與地面之間存在很大的水頭差，導致坑外的水通過坑底流向開挖面，并且基坑兩側有圍護結構，使得兩側的隆起量小于基坑中心，但在第3步開挖結束后，靠近圍護結構處土體可能收到墻體的擠壓比較嚴重，所以隆起變形較大.

隨著開挖深度的增加，圍護結構的水平位移逐漸增大，并且最大水平位移所在的深度也逐漸下移，最大水平位移從圍護結構上部的2 m處(第一步開挖)逐漸下移到大約6 m處(第4步開挖)，并且最大水平位移為3.2 cm.圍護結構的水平位移曲線呈N形變化，其原因是基坑開挖后，兩側土層失去支撐，在水壓力的作用下向中間靠攏，但由于收到鋼支撐的約束，水平位移在達到一定程度后不再增大，隨著鋼支撐數量的增加和作用時間的持續，水平位移逐漸減小至零，此時基坑開挖結束，而開挖面下方的圍護結構在滲流的作用下仍會發生水平位移，并且水平位移值隨著深度的增加而增大.

3.3 支護樁受力特征

圖7為支護樁受力特征.由圖7a)可見，在基坑開挖完成后，支護樁全部受壓(負值表示受壓)，軸力隨深度先增大后減小，在基坑最終開挖面深度處達到最大值536.16 kN，然后逐漸減小.圖7b)顯示支護樁剪力有正有負，說明剪力變化很復雜，但最大值也發生在基坑最終開挖面深度處，其大小為81.3 kN.根據支護樁的尺寸，混凝土的型號和鋼筋的規格，計算出該支護樁設計最大彎矩值為83 kN·m，而模擬結果顯示，支護樁的彎矩最大值為41.7 kN·m，小于設計值，說明該基坑的支護情況良好.因為支護樁受力的最不利位置都位于基坑最終開挖面深度處，所以在施工過程中要加強該處的監控量測，及時獲得該處的受力情況，為施工安全提供保證.

圖7 支護樁的受力特征

3.4 基坑塑性應變

根據模型計算出的塑性區(見圖8)可知，隨著開挖深度的增加，塑性區所在的深度也逐漸下移，并且塑性區的大小也隨之增大.土層最初的塑性區只出現在坑頂上部1 m左右的區域，在第2次開挖結束后，塑性區出現在開挖面與兩側墻體交界處，并且按照扇形分布；第3次開挖結束后，塑性區位置基本沒變，面積增大，而最終開挖結束后，塑性區面積與位置均未發生變化.由此可知，該基坑開挖過程中，發生塑性破壞的位置位于開挖深度6 m處，因此，在施工過程中應該對該區域土層加固，防止其發生塑性破壞.

圖8 基坑塑性區分布

4 結 論

1) 隨著基坑開挖深度的增加，坑內外的水頭差逐漸增大，最大水頭差達到13 m，坑內的孔隙水壓力(絕對值)也逐漸減小，并且開挖面下產生了負的孔隙水壓力.

2) 隨著開挖深度的增加，基坑周邊的地層沉降、坑底隆起變形和圍護結構的水平位均移隨著開挖深度的增加而逐漸增大.

3) 基坑支護樁全部受壓，其軸力隨深度先增大后減小，最大值為536.16 kN，支護樁受力的最不利位置位于基坑最終開挖面深度處，在施工過程中要加強該處的監控量測.

4) 隨著開挖深度的增加，塑性區所在的深度也逐漸下移，并且塑性區的大小也隨之增大，最可能發生塑性破壞的位置位于開挖深度6 m處.

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Numerical Investigation of Seepage-stress Interaction During Foundation Pit Excavation of Under-water Tunnel with the Cut and Cover Method

LAI Jinxing1)NIU Fangyuan1)FAN Haobo1,2)QIU Junling1,2)LI Xiaohong2)

(SchoolofHighway,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)1)(Xi’anEngineeringInvestigationandDesignResearchInstituteofChinaNationalNon-FerrousMetalIndustry，Xi’an710054，China)2)

According to the excvation situation of the foundation pit, the seepage-stress interaction is taken into account, a FEM model of the foundation pit is established by Midas/GTS, seepage and the stress field of foundation pit in different working states is simulated by finite element method. The calculate results show that: the vertical subsidence and horizontal displacement of the soil increase, the soil at the bottom of the pit swells; the axial force of the column is compressive stress which first increases with the excavation depth and then decreases, the max press is in the ending excavation surface and less than code requirement; the value and area of plastic zone increase with the excavation of the pit, the location of the plastic failure happens in the excavation depth of 6m.

under-water tunnel; seepage-stress interaction; numerical simulation; mechanical characteristics; foundation pit

2015-01-10

*國家自然科學基金項目資助(批準號：51378071)

TU436

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.016

賴金星(1973- )：男，博士，副教授 ，主要研究領域為隧道與地下工程