软土地区基坑开挖降水引起既有高铁隧道变形分析研究

2020-03-12毛喜云

天津建设科技 2020年1期

□文/毛喜云

随着城市建筑复杂和密集程度越来越高，基坑工程周边环境变形控制要求也越来越严格。基坑施工会引起周边岩土体变形，为保证周边既有建（构）筑物、路面、地下管线等设施的正常使用，须将基坑施工引起的变形控制在安全范围以内。土方开挖和地下水控制是引起基坑周边变形的直接原因，其中，土方开挖卸载改变了周围岩土体的应力-应变状态，影响范围内的岩土体应力势能朝开挖面释放，进而引起岩土体的隆起变形[1～3]；而基坑降水主要是引起疏干范围内土体的固结沉降及水位下地下水渗流力引起土体变形[4～8]。实际施工过程中，土方开挖和降水往往是同时进行的，对周围岩土体的作用机理也是相互耦合的，计算机的有限元数值分析是基坑施工阶段渗流-应力耦合分析的重要手段[9～10]。

本文以天津市某邻近高铁隧道的基坑工程为背景，采用MIDAS GTS软件建立数值模型，运用摩尔-库伦本构模型，模拟基坑施工阶段周边岩土体应力-应变状态，对引起的隧道变形进行预测并结合基坑施工阶段隧道变形监测数据，对模拟结果进行了验证。

1 工程概况

1.1 地理位置与周边环境

泰达城三期工程位于天津市红桥区，为民用住宅，有2 栋33 层住宅楼及公用配套建筑。拟建场地建筑范围内设有整体2层地下室，基坑开挖面近似梯形，开挖面积约8 389 m2，整体开挖深度9.75 m，高层建筑地下室基坑开挖深度10.15 m。邻近一期工程侧的基坑与津秦高铁隧道天津西站—天津站地下直径线平行，长约150 m。见图1。

图1 工程地理位置与周边环境

1.2 基坑况

基坑开挖深度9.75 m、局部坑深10.15 m，基坑采用钻孔灌注桩+CSM 水泥土地下连续墙+内支撑结构形式，其中基坑南面靠近地下直径线一侧采用φ1 100 mm@1 300 mm 钻孔灌注桩，长度18.5 m，CSM 水泥土地下连续墙长33.5 m，采用环形支撑。见图2。

图2 基坑支护平面布置

1.3 既有隧道概况

津秦高铁天津地下直径线与基坑平行并行段对应的地下直径线隧道为明挖段，对应隧道运营里程为K13+119.44～K13+264.24（设计里程为DK1+586.7～DK1+731.5）。隧道围护结构采用800 mm 厚地下连续墙，不同隧道段落地下连续墙的深度不同，其中DK1+586.7～DK1+637.74 段墙底标高为-27.5 m，墙底土层为粉质黏土；DK1+637.74～DK1+691.105 段墙底标高为-29.0 m，墙底土层为粉质黏土；DK1+691.105～DK1+731.5 段墙底标高为-30.5 m，墙底土层为粉质黏土。见图3和图4。

图3 地质纵断面

图4 基坑与隧道断面位置关系

2 数值模拟

考虑到在基坑施工过程中，由于开挖卸载和施工降水引起的固结沉降等因素会引起地层移动和变形，进而导致邻近隧道结构发生移动和变形，针对特征断面建立二维有限元模型，以明确基坑施工对近邻津秦高铁隧道结构和运营安全的影响范围及程度。

数值建模采用岩土与隧道工程有限元分析与设计软件MIDAS GTS 实现，土体本构关系选用摩尔-库伦本构模型，土层参数见表1。

表1 土层计算参数

单元划分结果见图5。

图5 单元划分

根据基坑施工步序，分析步骤：

1）施加初始水头，形成初始渗流场；

2）形成初始应力场，位移清零；

3）基坑围护结构施工；

4）坑内降水至地面以下4 m 处，基坑开挖至地面以下3 m 处；

5）坑内降水至地面以下7 m 处，基坑开挖至地面以下6 m；

6）坑内降水至坑底以下1 m 处，基坑开挖至坑底施作基坑底板。

3 模拟结果分析

为明确基坑开挖降水的影响范围与周围岩土体的位移分布，从X、Y两个方向提取位移分布。见图6-图8。

图6 基坑开挖第一层土周围水平位移

图7 基坑开挖第一层土周围竖向位移

图8 基坑开挖第一层土周边隧道位移

从图6 和图7 可以看出，隧道所在位置处于基坑开挖影响范围以内，基坑第一层土开挖引起的周围土体最大值水平位移为5.59 mm，发生在基坑围护桩中段，位移指向基坑内侧；最大竖向位移为28.59 mm，发生在开挖面中部位置，位移指向竖向向上。从图8 可以看出，隧道管片最大位移为2.23 mm，发生在靠近基坑侧的上角，位移指向开挖区。

基坑开挖第二层土施工阶段，周围土体位移和隧道位移情况见图9-图11。

图9 基坑开挖第二层土周围水平位移

图10 基坑开挖第二层土周围竖向位移分布

图11 基坑开挖第二层土周边隧道位移

开挖第二层土方施工阶段所引起的周边土体位移分布趋势与前一施工阶段类似，只是幅度有所增加，其中隧道位移最大值达到3.13 mm，仍然是指向开挖区。基坑开挖第三层土施工阶段，周围土体位移和隧道位移情况见图12-图14。

图12 基坑开挖第三层土周围水平位移

图13 基坑开挖第三层土周围竖向位移

图14 基坑开挖第三层土周边隧道位移

从图14可以看出，基坑土方开挖至基底设计标高后，引起周边隧道最大位移为3.83 mm，比前一阶段增加0.7 mm，隧道两侧位移差异较大，靠近基坑侧位移较大且以竖向位移为主，而远离基坑侧位移较小且以水平位移为主。

4 现场实测分析

基坑自初开始开挖，坑内遵循按需降水原则，坑内地下水位始终控制在开挖面以下约1.0 m。为了实时监控隧道变形量与变形趋势，在隧道管片上设置位移监测点，采用全站仪自动监测系统24 h监测隧道位移量。基坑与隧道邻近一侧的中间位置的特征剖面上，靠近基坑两个监测点的位移见图15和图16。

图15 基坑施工阶段周边隧道测点1位移

图16 基坑施工阶段周边隧道测点2位移

从图15 和图16 可以看出，基坑开挖降水引起的隧道位移较为明显，隧道整体呈隆起趋势且位移量随基坑开挖深度增加呈现较为敏感的阶梯式增长趋势。第一层土方开挖引起的位移增量为1.22～1.55 mm，较预测最大值2.23 mm 偏小；实测第二层土开挖引起的位移量为1.42～1.70 mm，较预测值0.90 mm 偏大。而基坑开挖引起的隧道位移增量为3.71～3.78 mm，与预测值3.83 mm基本相符。