承壓水地層管廊基坑開挖變形特征及抗突涌穩定性分析

劉池, 于瀟, 隨紅全, 張琪, 商博源, 姜秀榮, 信海南, 王洪濤

(1.濟南軌道交通集團有限公司, 濟南 250100; 2.濟南市市政工程設計研究院(集團)有限責任公司, 濟南 250003;3.山東建筑大學土木工程學院, 濟南 250101)

城市地下綜合管廊是中國城市基礎設施建設的重要工程,已成為一個城市基礎設施現代化的重要標志。近年來,濟南市綜合管廊建設呈現出快速發展的趨勢,其建設里程數也日益增加。然而,濟南市作為中國著名“泉城”,地下水量豐富,尤其當管廊穿越富水軟弱地層時,對綜合管廊的安全建設也產生了不容忽視的影響,基坑涌水、涌砂現象時有發生。而地下承壓水是造成管廊基坑突涌的主要原因之一[1-2],因此開展富水地層管廊基坑開挖變形穩定性研究,對于保證同類工程安全施工具有重要的指導意義。

針對基坑工程施工穩定性問題,中外學者已進行了一系列的研究。Zhang等[3]根據近年來北京市不同地區露天基坑工程表面沉降的大量實測數據,研究各地區不同土層樁側土體沉降規律,為地表變形預測和基坑安全施工提供重要參考。Wang等[4]以杭州地鐵錢江世紀城站基坑為背景,通過現場實驗,研究了帷幕井和抽油井不同組合情況下的耦合效應,并基于Forchheimer方程對基坑降水中的非達西耦合流進行了數值模擬。肖偉等[5]考慮尺寸效應,分析了狹窄型基坑的穩定性。劉小良等[6]和張超翔等[7]研究了超深基坑圍護結構的受力與變形特性。Sun[8]通過對上海地區不同含水層的離心模型試驗,研究了含水層的破壞過程和破壞類型,提出了一種針對承壓含水層的深基坑穩定性分析方法。Wang等[9]分析了上海地區含黏土和粉質黏土兩種含水層的基坑突水模式,得到了不同水壓作用下水層的變形破壞特征。俞強[10]研究了深大基坑在鄰近運營地鐵復雜環境下的開挖變形特性,總結出合理且經濟可靠的變形控制措施。胡翔等[11]依據工程實例對預制預應力綜合管廊的重點施工節段實施現場監測研究。鄭剛[12]提出了基坑無支撐支護理論,并發展了一系列軟弱土地區基坑綠色無支撐支護技術。張浩等[13]對城區富水砂層條件下四線大斷面隧道暗挖下穿綜合管廊段的施工工序和施工工法進行了優化研究,確定了淺埋暗挖隧道的最佳施工方案。許坤坤等[14]]對基坑涌水量計算問題進行了研究。陳平等[15]通過現場抽水試驗,確定基坑地層富水特性以及水力聯系,分析地連墻與混合攪拌壁式地下連續墻組合支護下基坑的控制效果。郭曜禎等[16]模擬了成都某綜合管廊的施工全過程,研究該過程對高架橋樁基礎位移的影響規律。

上述研究雖然取得了一系列成果,但是由于中國管廊工程建設時間較短,影響富水地層管廊施工安全穩定狀態的因素眾多,對于富水地層管廊建設施工過程中的開挖變形規律尚不明確,難以有效揭示影響管廊施工的關鍵因素。鑒于此,依托濟南新東站開源路富水地層管廊基坑工程,考慮承壓水地層作用下基坑開挖深度、承壓水頭和加固厚度等關鍵因素,設計對比方案,通過數值模擬研究揭示管廊基坑周邊土體變形的影響規律,提出影響土體變形破壞因素的敏感性評價指標公式,并考慮土體抗剪強度,建立基坑底板抗突涌穩定性系數及隔水層臨界厚度計算公式,對基坑底板抗突涌穩定性進行分析,以期為同類管廊工程的安全施工提供參考。

第三，沖擊韌性試驗分析。按照ASTM 923 對試件焊縫和熱影響區進行夏比V型（Charpy V）沖擊試驗，試樣尺寸為55mm×10mm×5mm，缺口位置分別為焊縫，熔合線+1mm、熔合線+3mm、熔合線+5mm， 4組沖擊試樣。沖擊溫度為-46℃，合格指標為沖擊值≥54J。試驗數據如表8所示，結果滿足要求。

（1）土地及植被破壞面積估計。工程建設過程中，地面設施的興建、開挖、填筑等都不同程度、不同形式地擾動了原地貌形態，損壞了地表土體結構和地面林草植被。根據對主體工程報告的分析及現場勘察，工程建設占壓土地、擾動原地表面積共37.06hm2。

1 工程概況

濟南市新建開源路南起工業北路,北至濟南西客站樞紐西進場路,為片區南北向城市主干路,起止樁號K0+000～K3+316.209,其綜合管廊工程起止樁號K0+060～K3+270,長度為3 210 m,斷面按雙艙布設分為綜合艙及電力艙。其中,K0+800～K2+200沿線穿越淤泥質軟土地段,如圖1(a)中紅色線段所示,長約1 400 m,屬地層異常范圍,部分強富水地段基坑施工中曾發生涌水涌砂。標準段管廊結構外尺寸為B(深度)×H(寬度)=8.7 m×5.25 m,加深段結構外尺寸B×H=8.4 m×5.5 m,8.6 m×5.7 m。管廊結構施工圖如圖1(b)所示。

圖1 開源路管廊規劃及結構斷面示意圖Fig.1 Schematic diagram of the planning and structural sectionfor utility tunnel of Kaiyuan Road

基坑采用明挖法施工建造,開挖深度為8.6～14 m,一般區段采用鋼板樁+1道鋼支撐的支護方式,側壁土層從上到下主要為①雜填土、②粉質黏土1、③粉質黏土2、④粉質黏土3、⑤粉質黏土4、⑥粉質黏土5 、⑦粉土,如圖2所示。

圖2 管廊基坑計算模型Fig.2 Calculation model of foundation pit for utility tunnel

該段地層不僅存在潛水作用,而且存在承壓水作用,屬于典型強富水區域。水位埋深一般為1.5～3.0 m深,局部水位埋深較深。上部的粉質黏土層,埋深自地表以下約8.0 m,厚度為 3.0～6.0 m,為相對隔水層。下部的粉土層為承壓水層,承壓水頭與潛水水頭基本一致,并且在一定程度上接受下部巖溶水越流補給,滲透系數較大,含水性能較好。基坑施工時面臨穿越強富水和淤泥質軟質地層等難點問題,局部也出現了一定的涌水涌砂災害事故,存在諸多不穩定因素。

2 數值模擬方案設計與模型構建

2.1 數值模擬方案設計

為了揭示基坑穿越強富水和淤泥質軟質地層開挖變形的影響規律,解決該工程面臨的施工難題,基于該工程施工設計方案的要求,選擇該典型區段管廊參數,設計數值模擬方案。本文考慮基坑開挖深度、承壓水頭、加固厚度等影響因素,共設計12種對比方案,均采用鋼板樁+1道鋼支撐的支護方式,具體方案如表1所示。

選取K1+435～K1+470段典型富水地層管廊工程為研究對象,該段工程施工設計方案為:潛水水位埋深2 m,承壓水位埋深14 m,基坑開挖深度為9 m,承壓水頭約為120 kPa,基底加固厚度為2 m,采用鋼板樁+1道鋼支撐的支護方式。

表1 數值模擬對比方案Table 1 Comparison scheme of numerical simulation

2.2 模型構建

采用FLAC3D有限差分軟件建立管廊基坑計算模型。由于基坑二維模型分析區域一般在水平、豎直方向分別取開挖邊界向外延伸2倍以上開挖深度和基坑底部向下2倍以上開挖深度[4]。考慮計算效率和計算精確度,取約4倍的基坑開挖深度為模型計算深度,沿基坑兩側各向外延伸約30 m為模型計算寬度,縱向取1 m結構體。建立的管廊基坑模型尺寸為70 m(長)×35 m(高)×1 m(寬),如圖2所示。

2.3 模型參數

根據所選富水地段工程穿過地質情況,潛水水位埋深2 m,承壓水位埋深14 m,承壓含水層14～20 m。因此,采用有限差分軟件FLAC3D模擬時,在地表以下2 m處設置水位面,14～20 m處設置承壓水水層。承壓水水層上邊界根據不同承壓水頭設置初始孔隙水壓力,含水層按梯度設置孔隙水壓;下邊界設置為不透水邊界;左右兩側邊界通過固定穩定后的孔隙水壓力模擬動態水流補給。模擬時,土體本構模型選用塑性硬化(plastic-hardening,PH)模型,采用的巖土力學參數、不同土層滲透系數如表2所示。

由圖5(a)～圖5(d)和圖6(a)可知,隨著開挖深度增加,坑底隆起變形呈逐漸增大趨勢。不同開挖深度下,基坑底部土體隆起變形呈現中間高兩邊低的半圓形,最大隆起變形發生在基坑底部中間部位。

表2 巖土力學參數及土層滲透系數Table 2 Rock and soil mechanical parameters and soil permeability coefficient