富水砂層過河明挖隧道基坑圍堰方案比選及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

劉建華

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司,天津 300459)

地下空間的開發(fā)和利用,比如隧道工程,已在各個(gè)國家和地區(qū)得到了快速的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步,使得數(shù)值模擬方法逐步應(yīng)用于驗(yàn)證基坑開挖及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面。在該方面的研究中:楊博維等[1]采用數(shù)值模擬方法研究了基坑4種不同支護(hù)方式的開挖過程,對(duì)基坑頂部和底部的位移及坑壁水平方向的變形進(jìn)行了對(duì)比;夏國志等[2]對(duì)北京天壇地鐵車站折返區(qū)間進(jìn)行了不同局部開挖順序的數(shù)值模擬,提供了減少施工工序?qū)χ車乇沓两禂_動(dòng)的最優(yōu)方案;袁定輝等[3]對(duì)深基坑地下連續(xù)墻內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了基坑在不同開挖階段下的位移、應(yīng)變增量及內(nèi)撐軸力等;胡建林等[4]對(duì)摩爾-庫倫進(jìn)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(diǎn)。

圍堰是基坑工程中常用的封閉方式,在圍堰施工前對(duì)基坑處的水文條件進(jìn)行充分調(diào)查,仔細(xì)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(fèi)用,同時(shí)也可簡化施工程序,提高施工進(jìn)度。目前已有較多研究:顏彬彬[5]采用數(shù)值模擬方法,對(duì)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(tái)深基坑的安全性和穩(wěn)定性;陳明等[6]采用有限元數(shù)值模擬軟件,分析驗(yàn)證了深水中利用砂袋圍堰作為擋水結(jié)構(gòu)抽水后再開挖基坑的施工方法的可行性;劉少雄[7]對(duì)圍堰施工及水下基坑開挖施工中所使用的技術(shù)方法進(jìn)行分析介紹,提出施工中需要注意的各項(xiàng)要點(diǎn),并經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證了該特大橋所用圍堰施工及水下基坑開挖技術(shù)方法的合理性與可行性;彭長勝等[8]針對(duì)海相軟土,提出采用明挖截留圍堰法進(jìn)行施工,取得了較好的工程應(yīng)用效果。

本文依托安徽省亳州市某過河隧道工程,利用連續(xù)介質(zhì)有限元軟件Plaxis建立計(jì)算模型,進(jìn)行滲流與受力耦合分析,對(duì)比研究了鋼板樁圍堰、充砂模袋圍堰的應(yīng)用特點(diǎn),并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)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(hù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),研究結(jié)果能夠?yàn)轭愃泼魍诨庸こ烫峁﹨⒖肌?/p>

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(qū)與渦北新城區(qū)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(shù)

基坑內(nèi)支撐系統(tǒng)由冠梁、支撐、連梁、格構(gòu)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(tǒng)所用材料均為C30混凝土,型鋼及鋼管采用Q235B鋼材,圍護(hù)灌注樁樁徑為1.0 m,樁中心距1.2 m。從現(xiàn)場施工監(jiān)控周報(bào)中發(fā)現(xiàn)南岸施工變形量要大于北岸,所以數(shù)值模型擬選取的斷面樁號(hào)范圍為K0+570-K0+580,具體監(jiān)測結(jié)果如圖1所示(注:水平位移包括x、y兩個(gè)方向)。

圖1 南岸圍堰各測點(diǎn)水平位移累積變化(單位:mm)

2 工程圍堰方案優(yōu)化與模型建立

2.1 圍堰方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(duì)拉螺桿連接,兩排鋼板樁之間填充砂土,并打設(shè)一排高壓旋噴樁止水。施工時(shí)發(fā)現(xiàn)打樁機(jī)無須振動(dòng)即可將鋼板樁壓至設(shè)計(jì)標(biāo)高,且插打后的鋼板樁易出現(xiàn)偏移。將鋼板樁加長3 m后情況依舊。經(jīng)實(shí)地回訪勘察發(fā)現(xiàn),由于受到河道采砂影響,導(dǎo)致原狀地層被破壞,河道內(nèi)上部軟弱地層厚度不均且不規(guī)律。河道現(xiàn)狀地層易造成原設(shè)計(jì)鋼板樁圍堰局部產(chǎn)生較大變形,嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成圍堰滲漏,乃至管涌、失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn),存在一定的安全隱患。根據(jù)現(xiàn)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(nèi)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(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)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(jù)已有土層資料進(jìn)行土體標(biāo)高設(shè)計(jì),模型底部標(biāo)高為-20.0 m,頂部標(biāo)高為37.0 m,基坑頂部標(biāo)高為27.0 m。

根據(jù)該隧道工程施工設(shè)計(jì)圖建模,模型尺寸270 m×57 m,共劃分3 750個(gè)單元,計(jì)算采用的模型如圖2所示。

圖2 整體模型網(wǎng)格圖示(單位:m)

模型中土層采用實(shí)體單元,樁結(jié)構(gòu)采用Embedded單元、梁結(jié)構(gòu)采用beam單元進(jìn)行建模,結(jié)構(gòu)與土體間建立粘彈性接觸,結(jié)構(gòu)間采用剛性連接。樁結(jié)構(gòu)單元參數(shù)根據(jù)工程設(shè)計(jì)資料計(jì)算得出,格構(gòu)柱在發(fā)揮作用時(shí)與工程樁連接,在本研究中看作一個(gè)整體,考慮主要影響因素,梁結(jié)構(gòu)所取參數(shù)如表2所示,其他參數(shù)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(nèi)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(nèi)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(jié)構(gòu)單元參數(shù)匯總

2.3 明挖基坑數(shù)值模擬工況

結(jié)合基坑開挖的變形規(guī)律,根據(jù)工程基坑圍護(hù)方案,通過數(shù)值仿真計(jì)算的方法進(jìn)行滲流耦合分析[11],研究明挖基坑圍堰優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的滲流特征,并分析明挖基坑開挖時(shí)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(jié)果分析

3.1 初始應(yīng)力計(jì)算與分析

圍堰方案優(yōu)化前后的豎向初始應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖3所示。地應(yīng)力基本呈水平分布,計(jì)算結(jié)果與土力學(xué)理論方法得到的應(yīng)力分布基本一致。

圖3 不同圍堰方案初始應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.2 基坑開挖滲流耦合計(jì)算結(jié)果

根據(jù)基坑排水設(shè)置初始水位大小,對(duì)兩種圍堰方案的施工工況進(jìn)行滲流耦合計(jì)算,結(jié)果如圖4所示。采用鋼板樁圍堰方案時(shí),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(shí),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?jié)B流速率有效降低,土體滲流穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)。且采用鋼板樁圍堰方案時(shí),滲流速率最大值出現(xiàn)在鋼板樁樁端處,導(dǎo)致鋼板樁樁端受到滲流力的水平作用,產(chǎn)生較大的水平位移,在實(shí)際施工過程中會(huì)出現(xiàn)鋼板樁的傾斜或偏移。

圖4 不同圍堰方案滲流計(jì)算結(jié)果

3.3 圍堰方案可行性分析

采用鋼板樁圍堰方案時(shí),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(shí)際施工過程中,由于河道內(nèi)采砂采空區(qū)的存在,會(huì)導(dǎo)致鋼板樁水平位移進(jìn)一步增加,嚴(yán)重影響鋼板樁圍堰效果,且較大的彎矩會(huì)導(dǎo)致鋼板樁局部變形,最大彎矩出現(xiàn)在鋼板樁下部1/3左右位置處。而在進(jìn)行基坑開挖計(jì)算時(shí),由于采用拉森鋼板樁圍堰方案時(shí)樁身位移過大導(dǎo)致土體發(fā)生破壞變形,使計(jì)算無法繼續(xù)進(jìn)行,因此采用充砂模袋圍堰方案進(jìn)行基坑開挖計(jì)算,這也與實(shí)際工程情況相符。

3.4 南側(cè)基坑土體變形結(jié)果與監(jiān)測對(duì)比

根據(jù)隧道開挖實(shí)際施工步驟,模擬所得南側(cè)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(cè)基坑沉降變形云圖

圖7 南側(cè)基坑沉降變形曲線

在基坑開挖至1.0 m時(shí),此時(shí)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(shè)置第1道鋼筋混凝土支撐作用效果并不明顯;當(dāng)開挖到5.6 m時(shí),沉降變形最大為32.5 mm,但受力變形范圍并未發(fā)生明顯的改變,此時(shí)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(fā)現(xiàn)明顯的變化;當(dāng)開挖到9.5 m時(shí),受力變形范圍和變形位移量與開挖5.6 m時(shí)大小基本相同,最大沉降變形為35.9 mm;繼續(xù)開挖至12.7 m時(shí),最大沉降僅達(dá)到47.9 mm,土體變形范圍未發(fā)生明顯擴(kuò)大,如圖7所示基坑沉降變形趨勢仍保持穩(wěn)定,因此說明第3道支撐有效承擔(dān)了土體變形產(chǎn)生的應(yīng)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(shù)值仿真計(jì)算所得的圍堰沉降、水平變形量與施工監(jiān)控實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如圖8所示。變形對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),模擬明挖基坑的圍堰沉降量、水平位移量與實(shí)測數(shù)據(jù)所反映的變形與受力規(guī)律基本一致,且數(shù)值結(jié)果相近;但L-4(測點(diǎn)位置見圖1)水平位移模擬值與實(shí)測值相差15.2 mm,可能受土體均勻性等因素的影響,與實(shí)際數(shù)據(jù)有一定的差異,但所反映的變化規(guī)律是一致的。

圖8 圍堰沉降、水平變形量(絕對(duì)值)對(duì)比

3.5 明挖基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力結(jié)果與監(jiān)測對(duì)比

基坑開挖各施工工況下,沿基坑寬度進(jìn)行積分得到每道支撐結(jié)構(gòu)的軸力如圖9所示。

由于施工過程中進(jìn)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(dān)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(shí),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(zhuǎn)變?yōu)槭軌?最大值為343.2 kN;當(dāng)開挖到12.7 m時(shí),第1道鋼筋混凝土支撐為受壓軸力最大值達(dá)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(tài)與基坑變形相一致。

基坑開挖完成后,將數(shù)值仿真計(jì)算所得的鋼支撐軸力與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如圖10所示。第2道模擬鋼支撐軸力比實(shí)際監(jiān)測受壓軸力高394.3 kN,但所反映的變化規(guī)律是一致的。

4 結(jié)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(shù)值模擬結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:由于過河隧道穿越砂層深厚、滲透系數(shù)大,導(dǎo)致鋼板樁圍堰受到較大的滲流力作用,容易發(fā)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(duì)基坑開挖的影響。數(shù)值模擬所得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果差別較小,趨勢一致,基坑穩(wěn)定性符合施工要求。本文驗(yàn)證了利用數(shù)值模擬方法對(duì)富水砂層內(nèi)明挖隧道工程的滲流及基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析是合理可行的,相關(guān)結(jié)論可為相關(guān)工程的設(shè)計(jì)提供參考。

圖9 開挖土層各支撐軸力

圖10 鋼支撐軸力(絕對(duì)值)對(duì)比