富水砂層過河明挖隧道基坑圍堰方案比選及結構穩定性分析

劉建華

(中鐵十八局集團第五工程有限公司,天津 300459)

地下空間的開發和利用,比如隧道工程,已在各個國家和地區得到了快速的發展。隨著計算機技術的不斷進步,使得數值模擬方法逐步應用于驗證基坑開挖及基坑支護結構穩定性方面。在該方面的研究中:楊博維等[1]采用數值模擬方法研究了基坑4種不同支護方式的開挖過程,對基坑頂部和底部的位移及坑壁水平方向的變形進行了對比;夏國志等[2]對北京天壇地鐵車站折返區間進行了不同局部開挖順序的數值模擬,提供了減少施工工序對周圍地表沉降擾動的最優方案;袁定輝等[3]對深基坑地下連續墻內支撐支護結構進行數值模擬,分析了基坑在不同開挖階段下的位移、應變增量及內撐軸力等;胡建林等[4]對摩爾-庫倫進行簡單修正后,能夠很好模擬深基坑開挖過程中土體變形、支撐受力特點。

圍堰是基坑工程中常用的封閉方式,在圍堰施工前對基坑處的水文條件進行充分調查,仔細比選施工方案,在滿足施工條件下,選擇合適的施工方法可以大大降低施工措施費用,同時也可簡化施工程序,提高施工進度。目前已有較多研究:顏彬彬[5]采用數值模擬方法,對比分析了拉森鋼板樁圍堰在涉水深基坑中的受力情況,保證了涉水承臺深基坑的安全性和穩定性;陳明等[6]采用有限元數值模擬軟件,分析驗證了深水中利用砂袋圍堰作為擋水結構抽水后再開挖基坑的施工方法的可行性;劉少雄[7]對圍堰施工及水下基坑開挖施工中所使用的技術方法進行分析介紹,提出施工中需要注意的各項要點,并經實踐驗證了該特大橋所用圍堰施工及水下基坑開挖技術方法的合理性與可行性;彭長勝等[8]針對海相軟土,提出采用明挖截留圍堰法進行施工,取得了較好的工程應用效果。

本文依托安徽省亳州市某過河隧道工程,利用連續介質有限元軟件Plaxis建立計算模型,進行滲流與受力耦合分析,對比研究了鋼板樁圍堰、充砂模袋圍堰的應用特點,并結合現場監測數據研究了工程在圍堰明挖法施工過程中的土體變形及基坑支護結構的受力特點,研究結果能夠為類似明挖基坑工程提供參考。

1 工程概況

安徽省亳州市渦河隧道工程位于湯王大道與渦河、洪河交匯處,也是老城區與渦北新城區連接的重要過河通道,路線全長約1 345 m,隧道段長1 241 m,其中暗埋段長882 m,水下段長約500 m,水下段全部采用圍堰明挖法施工。

表1 土層摩爾-庫倫模型參數

基坑內支撐系統由冠梁、支撐、連梁、格構柱組成,豎向采用3道支撐。冠梁采用1 200 mm×1 000 mm鋼筋混凝土梁,連梁采用600 mm×600 mm鋼筋混凝土梁,首道支撐采用800 mm×1 000 mm鋼筋混凝土支撐,其他采用?609 mm×16 mm鋼支撐。支撐系統所用材料均為C30混凝土,型鋼及鋼管采用Q235B鋼材,圍護灌注樁樁徑為1.0 m,樁中心距1.2 m。從現場施工監控周報中發現南岸施工變形量要大于北岸,所以數值模型擬選取的斷面樁號范圍為K0+570-K0+580,具體監測結果如圖1所示(注:水平位移包括x、y兩個方向)。

圖1 南岸圍堰各測點水平位移累積變化(單位:mm)

2 工程圍堰方案優化與模型建立

2.1 圍堰方案優化設計

隧道采用圍堰明挖法施工,下穿渦河及洪河段圍堰原方案采用雙排拉森鋼板樁,鋼板樁下部插入河床下地基土,上部使用對拉螺桿連接,兩排鋼板樁之間填充砂土,并打設一排高壓旋噴樁止水。施工時發現打樁機無須振動即可將鋼板樁壓至設計標高,且插打后的鋼板樁易出現偏移。將鋼板樁加長3 m后情況依舊。經實地回訪勘察發現,由于受到河道采砂影響,導致原狀地層被破壞,河道內上部軟弱地層厚度不均且不規律。河道現狀地層易造成原設計鋼板樁圍堰局部產生較大變形,嚴重時可能會造成圍堰滲漏,乃至管涌、失穩的風險,存在一定的安全隱患。根據現場施工情況和討論研究,圍堰方案由鋼板樁圍堰變更為充砂模袋圍堰[9,10],即圍堰由內外兩排充砂管袋堆砌而成,兩排充砂管袋之間填筑黏土心墻,黏土心墻中插入一排拉森鋼板樁止水,圍堰頂寬10 m,迎水面和背水面坡度分別為1∶2.5和1∶2.0,圍堰頂澆筑混凝土防洪墻。

2.2 過河隧道基坑開挖工程模型建立

計算模型范圍包括隧道周邊圍堰、圍堰中部明挖基坑、基坑支護結構以及周圍土體,考慮開挖影響范圍,取模型斷面寬度總長為270 m。根據已有土層資料進行土體標高設計,模型底部標高為-20.0 m,頂部標高為37.0 m,基坑頂部標高為27.0 m。

根據該隧道工程施工設計圖建模,模型尺寸270 m×57 m,共劃分3 750個單元,計算采用的模型如圖2所示。

圖2 整體模型網格圖示(單位:m)

模型中土層采用實體單元,樁結構采用Embedded單元、梁結構采用beam單元進行建模,結構與土體間建立粘彈性接觸,結構間采用剛性連接。樁結構單元參數根據工程設計資料計算得出,格構柱在發揮作用時與工程樁連接,在本研究中看作一個整體,考慮主要影響因素,梁結構所取參數如表2所示,其他參數為:彈性模量E30.0 GPa,泊松比v0.28,橫截面積A0.48 m2,y軸慣性矩Iy0.02 m4,極慣性矩J0.04 m4,剪切耦合彈簧單位長度上的內聚力cs200.0 kPa,剪切耦合彈簧的摩擦角φs30°,剪切耦合彈簧單位長度上剛度Ks130.0 GPa,法向耦合彈簧單位長度上的內聚力cn200.0 kPa,法向耦合彈簧的摩擦角φn30°,法向耦合彈簧單位長度上剛度Kn130.0 GPa,外圈長度P2.83 m,密度ρ2 420 kg/m3。

表2 梁結構單元參數匯總

2.3 明挖基坑數值模擬工況

結合基坑開挖的變形規律,根據工程基坑圍護方案,通過數值仿真計算的方法進行滲流耦合分析[11],研究明挖基坑圍堰優化設計前后的滲流特征,并分析明挖基坑開挖時的圍護結構穩定性。明挖基坑模擬施工過程工序如表3所示。

表3 明挖基坑模擬施工過程具體工序

3 結果分析

3.1 初始應力計算與分析

圍堰方案優化前后的豎向初始應力計算結果如圖3所示。地應力基本呈水平分布,計算結果與土力學理論方法得到的應力分布基本一致。

圖3 不同圍堰方案初始應力計算結果

3.2 基坑開挖滲流耦合計算結果

根據基坑排水設置初始水位大小,對兩種圍堰方案的施工工況進行滲流耦合計算,結果如圖4所示。采用鋼板樁圍堰方案時,土體滲流速率最大值為0.13 m/d;而采用充砂模袋圍堰方案時,土體滲流速率最大值為0.045 m/d。這是由于采用充砂模袋圍堰有效延長了土體中的滲流路徑,從而使滲流速率有效降低,土體滲流穩定性明顯增強。且采用鋼板樁圍堰方案時,滲流速率最大值出現在鋼板樁樁端處,導致鋼板樁樁端受到滲流力的水平作用,產生較大的水平位移,在實際施工過程中會出現鋼板樁的傾斜或偏移。

圖4 不同圍堰方案滲流計算結果

3.3 圍堰方案可行性分析

采用鋼板樁圍堰方案時,鋼板樁變形及受力情況如圖5所示。鋼板樁水平位移最大值為6.0 cm,軸力最大值為539.1 kN,彎矩最大值為494.5 kN·m。在實際施工過程中,由于河道內采砂采空區的存在,會導致鋼板樁水平位移進一步增加,嚴重影響鋼板樁圍堰效果,且較大的彎矩會導致鋼板樁局部變形,最大彎矩出現在鋼板樁下部1/3左右位置處。而在進行基坑開挖計算時,由于采用拉森鋼板樁圍堰方案時樁身位移過大導致土體發生破壞變形,使計算無法繼續進行,因此采用充砂模袋圍堰方案進行基坑開挖計算,這也與實際工程情況相符。

3.4 南側基坑土體變形結果與監測對比

根據隧道開挖實際施工步驟,模擬所得南側基坑的變形云圖及變化趨勢如圖6、圖7所示。

圖5 鋼板樁圍堰方案鋼板樁變形及受力情況

圖6 南側基坑沉降變形云圖

圖7 南側基坑沉降變形曲線

在基坑開挖至1.0 m時,此時開挖深度不大,土體受的剪切和拉伸破壞范圍較小,因此土體變形量較小,設置第1道鋼筋混凝土支撐作用效果并不明顯;當開挖到5.6 m時,沉降變形最大為32.5 mm,但受力變形范圍并未發生明顯的改變,此時添加第2道鋼支撐后受力變形范圍和變形位移量也沒有發現明顯的變化;當開挖到9.5 m時,受力變形范圍和變形位移量與開挖5.6 m時大小基本相同,最大沉降變形為35.9 mm;繼續開挖至12.7 m時,最大沉降僅達到47.9 mm,土體變形范圍未發生明顯擴大,如圖7所示基坑沉降變形趨勢仍保持穩定,因此說明第3道支撐有效承擔了土體變形產生的應力,后文中的支撐受力情況也可以佐證。

基坑開挖完成后,將數值仿真計算所得的圍堰沉降、水平變形量與施工監控實測數據進行對比,如圖8所示。變形對比可以發現,模擬明挖基坑的圍堰沉降量、水平位移量與實測數據所反映的變形與受力規律基本一致,且數值結果相近;但L-4(測點位置見圖1)水平位移模擬值與實測值相差15.2 mm,可能受土體均勻性等因素的影響,與實際數據有一定的差異,但所反映的變化規律是一致的。

圖8 圍堰沉降、水平變形量(絕對值)對比

3.5 明挖基坑支護結構受力結果與監測對比

基坑開挖各施工工況下,沿基坑寬度進行積分得到每道支撐結構的軸力如圖9所示。

由于施工過程中進行水平方向開挖,因此同一道支撐上的軸力是一致的。開挖至5.6 m過程中,第1道鋼筋混凝土支撐軸力最大為342.5 kN,在加第2道鋼支撐后,分擔了第1道鋼筋混凝土支撐的受壓支撐軸力;開挖到9.5 m時,第1道支撐軸力受壓軸力小幅度增加到358.7 kN,第2道鋼支撐的軸力從受拉轉變為受壓,最大值為343.2 kN;當開挖到12.7 m時,第1道鋼筋混凝土支撐為受壓軸力最大值達到380.5 kN,第2、3道支撐最大值分別為955.1 kN和309.9 kN。支撐受力狀態與基坑變形相一致。

基坑開挖完成后,將數值仿真計算所得的鋼支撐軸力與實際監測數據進行對比,如圖10所示。第2道模擬鋼支撐軸力比實際監測受壓軸力高394.3 kN,但所反映的變化規律是一致的。

4 結論

通過分析安徽省亳州市某過河隧道工程基坑明挖到底的數值模擬結果,可以得出以下結論:由于過河隧道穿越砂層深厚、滲透系數大,導致鋼板樁圍堰受到較大的滲流力作用,容易發生偏移,因此適宜采用充砂模袋作為基坑圍堰,延長滲流路徑從而有效降低滲流力對基坑開挖的影響。數值模擬所得到的計算結果與實際監測結果差別較小,趨勢一致,基坑穩定性符合施工要求。本文驗證了利用數值模擬方法對富水砂層內明挖隧道工程的滲流及基坑維護結構的穩定性分析是合理可行的,相關結論可為相關工程的設計提供參考。

圖9 開挖土層各支撐軸力

圖10 鋼支撐軸力(絕對值)對比