軟土地區(qū)基坑開挖降水引起既有高鐵隧道變形分析研究

□文/毛喜云

隨著城市建筑復雜和密集程度越來越高，基坑工程周邊環(huán)境變形控制要求也越來越嚴格?；邮┕鹬苓厧r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)力勢能朝開挖面釋放，進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]。實際施工過程中，土方開挖和降水往往是同時進行的，對周圍巖土體的作用機理也是相互耦合的，計算機的有限元數(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，運用摩爾-庫倫本構(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)，對引起的隧道變形進行預(yù)測并結(jié)合基坑施工階段隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，對模擬結(jié)果進行了驗證。

1 工程概況

1.1 地理位置與周邊環(huán)境

泰達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。擬建場地建筑范圍內(nèi)設(shè)有整體2層地下室，基坑開挖面近似梯形，開挖面積約8 389 m2，整體開挖深度9.75 m，高層建筑地下室基坑開挖深度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，長約150 m。見圖1。

圖1 工程地理位置與周邊環(huán)境

1.2 基坑況

基坑開挖深度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，長度18.5 m，CSM 水泥土地下連續(xù)墻長33.5 m，采用環(huán)形支撐。見圖2。

圖2 基坑支護平面布置

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應(yīng)的地下直徑線隧道為明挖段，對應(yīng)隧道運營里程為K13+119.44～K13+264.24（設(shè)計里程為DK1+586.7～DK1+731.5）。隧道圍護結(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 段墻底標高為-30.5 m，墻底土層為粉質(zhì)黏土。見圖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程中，由于開挖卸載和施工降水引起的固結(jié)沉降等因素會引起地層移動和變形，進而導致鄰近隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生移動和變形，針對特征斷面建立二維有限元模型，以明確基坑施工對近鄰津秦高鐵隧道結(jié)構(gòu)和運營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)計軟件MIDAS GTS 實現(xiàn)，土體本構(gòu)關(guān)系選用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，土層參數(shù)見表1。

表1 土層計算參數(shù)

單元劃分結(jié)果見圖5。

圖5 單元劃分

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；

2）形成初始應(yīng)力場，位移清零；

3）基坑圍護結(jié)構(gòu)施工；

4）坑內(nèi)降水至地面以下4 m 處，基坑開挖至地面以下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，基坑開挖至坑底施作基坑底板。

3 模擬結(jié)果分析

為明確基坑開挖降水的影響范圍與周圍巖土體的位移分布，從X、Y兩個方向提取位移分布。見圖6-圖8。

圖6 基坑開挖第一層土周圍水平位移

圖7 基坑開挖第一層土周圍豎向位移

圖8 基坑開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挖影響范圍以內(nèi)，基坑第一層土開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，位移指向開挖區(qū)。

基坑開挖第二層土施工階段，周圍土體位移和隧道位移情況見圖9-圖11。

圖9 基坑開挖第二層土周圍水平位移

圖10 基坑開挖第二層土周圍豎向位移分布

圖11 基坑開挖第二層土周邊隧道位移

開挖第二層土方施工階段所引起的周邊土體位移分布趨勢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到3.13 mm，仍然是指向開挖區(qū)?；娱_挖第三層土施工階段，周圍土體位移和隧道位移情況見圖12-圖14。

圖12 基坑開挖第三層土周圍水平位移

圖13 基坑開挖第三層土周圍豎向位移

圖14 基坑開挖第三層土周邊隧道位移

從圖14可以看出，基坑土方開挖至基底設(shè)計標高后，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，而遠離基坑側(cè)位移較小且以水平位移為主。

4 現(xiàn)場實測分析

基坑自初開始開挖，坑內(nèi)遵循按需降水原則，坑內(nèi)地下水位始終控制在開挖面以下約1.0 m。為了實時監(jiān)控隧道變形量與變形趨勢，在隧道管片上設(shè)置位移監(jiān)測點，采用全站儀自動監(jiān)測系統(tǒng)24 h監(jiān)測隧道位移量?；优c隧道鄰近一側(cè)的中間位置的特征剖面上，靠近基坑兩個監(jiān)測點的位移見圖15和圖16。

圖15 基坑施工階段周邊隧道測點1位移

圖16 基坑施工階段周邊隧道測點2位移

從圖15 和圖16 可以看出，基坑開挖降水引起的隧道位移較為明顯，隧道整體呈隆起趨勢且位移量隨基坑開挖深度增加呈現(xiàn)較為敏感的階梯式增長趨勢。第一層土方開挖引起的位移增量為1.22～1.55 mm，較預(yù)測最大值2.23 mm 偏小；實測第二層土開挖引起的位移量為1.42～1.70 mm，較預(yù)測值0.90 mm 偏大。而基坑開挖引起的隧道位移增量為3.71～3.78 mm，與預(yù)測值3.83 mm基本相符。

5 結(jié)論與建議

1）從模擬結(jié)果來看，在類似地層條件下，基坑施工影響主要集中在5倍開挖深度范圍以內(nèi)。

2）基坑開挖降水對鄰近隧道的影響主要表現(xiàn)為引起隧道產(chǎn)生指向開挖區(qū)的隆起變形，土方開挖卸載是隧道變形的主導因素。

3）隧道對基坑開挖極為敏感，隨基坑開挖深度增加，隧道位移量呈階梯式增長趨勢。

鑒于上述分析結(jié)果，鄰近隧道的深基坑施工階段應(yīng)嚴格開展隧道結(jié)構(gòu)變形的位移監(jiān)測工作，同時，土方開挖應(yīng)合理分區(qū)、分層進行，不要一次性大規(guī)模開挖，充分利用隧道變形階梯式增長特征，及時掌握和控制隧道變形量和變形趨勢，根據(jù)實際情況及時調(diào)整施工工藝和施工部署，提高隧道安全使用的保障?！酢?/p>