流固耦合作用下基坑开挖及降水对下卧既有地铁隧道的影响研究

2020-04-26岳云鹏郑先昌刘晓玉张龙云刘继强

铁道标准设计 2020年4期

岳云鹏,郑先昌,刘晓玉,张龙云,刘继强

(1.广州大学土木工程学院,广州 510006； 2.中铁南方投资集团有限公司,深圳 518052)

随着我国近年来城市规模的不断扩大，地下空间开发越来越多，地下城市轨道交通已成为城市发展的重要组成部分。随之而来的是下卧既有地铁隧道的建设安全问题。隧道上方基坑开挖卸荷会使原状土体的应力状态发生改变，进而引起隧道结构的内力变化，严重时会危及地铁隧道的运营安全。为满足基坑开挖条件，施工时通常要进行降水处理，然而基坑开挖及降水都会引起隧道变形。针对基坑施工对地表及隧道变形的影响，有部分学者进行了大量的研究。陈仁朋等[1]总结了近年来基坑开挖对地铁隧道的影响规律和控制措施；高盟等[2]应用三维弹塑性模型，对邻近运营隧道的基坑开挖过程进行数值分析；郑刚等[3-4]采用土体小应变刚度的本构模型，分析天津某邻近既有隧道基坑开挖过程及隧道变形规律，划分了隧道变形的影响区域；张强等[5]对考虑注浆加固基坑开挖引起的既有盾构隧道上浮变形进行影响性分析；陈晓丹等[6]通过分析岩溶地区近距离基坑施工对已建地铁隧道变形影响因素，提出沉降发生后的抢险措施和处理方案；一些学者[7-8]分析了砂卵石地层中基坑开挖对邻近隧道的影响，得出了隧道在砂卵石地层中内径收敛的趋势；肖潇等[9]针对隧道与基坑之间的连接墙进行数值分析，探讨了深基坑施工对明挖隧道的影响规律；卜康正等[10-11]基于Mindlin应力解，推导得到在侧摩阻力作用下复合地基的下卧地铁隧道轴线上的附加荷载及位移计算公式；孟小伟[12]分析了坑内加固及时空效应对隧道变形的影响；章润红等[13]利用HSS本构模型，对基坑卸载作用下，地铁结构附加弯矩和位移的影响性进行分析；聂浩等[14]对双排桩支护施工时，盾构隧道的变形影响进行数值分析；杨帆等[15]通过数值模拟，对控制隧道变形的隔离柱进行敏感性分析。

目前，考虑流固耦合作用下，基坑开挖降水对下卧地铁隧道的影响问题研究相对较少。金晓飞等[16]对考虑渗流影响的基坑开挖施工过程进行分析；王春波等[17]总结了近年来基坑工程流固耦合理论的研究现状；一些学者[18-19]基于比奥固结理论，对基坑开挖及降水引起地面沉降进行数值分析；章荣军等[20]将基坑开挖降水对邻近桩基的影响规律利用考虑流固耦合作用的数值模拟方法进行了探讨；黄戡等[21-22]基于流固耦合理论，分析了基坑开挖及降水的受力特性对邻近地铁隧道区间的影响；张治国等[23]对基坑降水及加固等施工措施对开挖过程与隧道变形的影响规律进行数值分析。

结合深圳前海地铁保护区某基坑工程，分析基坑降水深度、降水速度等不同条件下基坑开挖及降水施工对下卧地铁隧道变形影响，并与现场实测结果进行对比，分析结果能为基坑降水及开挖时下卧地铁隧道的运营安全提供参考。

1 工程概况及隧道监测

1.1 工程概况

深圳前海区某地铁保护区基坑工程基坑里程K0+080～K0+194，基坑开挖范围为113.8 m×51.5 m，最大开挖深度约为13.4 m。其基坑工程与地铁11号线空间分布平面关系如图1所示，区间隧道下穿基坑，基坑坑底距隧道竖向距离约为5.3 m。基坑内部采用φ1 000 mm的钻孔灌注桩进行支护，坑外止水帷幕为φ600 mm的旋喷桩，基坑内采用井点降水，降水至基坑底以下1 m处，开挖方式为横向放坡分层分块开挖的方法，按照由A至D的施工顺序进行跳挖施工。

图1 地铁保护区平面示意(单位：m)

1.2 隧道监测

地铁隧道双线轴线间水平距离为18 m，衬砌内外径分别为5.7 m和6.3 m，环宽1.5 m，厚0.35 m，每环管片由3块管片通过螺栓进行连接，衬砌结构混凝土强度等级为C50。双线隧道自里程K0+080开始进入支护桩下侧，按照《城市轨道交通工程检测技术规范》的要求，在基坑开挖及降水期间，控制地铁隧道的水平与竖向位移不大于25 mm。为了确保基坑在开挖及降水中隧道变形满足控制要求，隧道两侧采用φ550@1 000 mm抗拔桩进行围护，并在基坑开挖结束时在坑底施作抗浮板。在里程K0+60～K0+200，每隔10 m布置1个隧道监测断面，左、右线各布置15个监测断面，每个监测断面内布置5个监测点，其中拱脚和拱腰各2个，拱顶布置1个，监测方案如图1、图2所示。

图2 基坑典型断面示意(单位：m)

2 数值模拟

2.1 模型建立

利用MIDAS GTS NX软件中的渗流分析模块对模型进行流固耦合分析，计算基坑开挖降水及围护结构各个施工阶段中隧道变形及衬砌结构内力的变化。本模型整体尺寸为160 m×210 m×43.6 m，基坑开挖范围为115 m×75 m×13.4 m。

土层在模型中自上而下分别为：填石、填土10.9 m，淤泥层2.7 m，黏土层6.1 m，砂质黏性土层7.9 m，全风化花岗岩层4 m，强风化花岗岩层7.4 m，土层计算参数如表1所示。模型中支护排桩长10.6 m，桩间坡面挂网喷射C20混凝土；抗拔桩长20 m；隧道衬砌为长20 m的C50混凝土管片，地下水位为-1.7 m。土层采用3D实体单元进行模拟；利用2D板单元对隧道衬砌、抗浮板、挂网喷射混凝土进行模拟；排桩、抗拔桩采用1D梁单元进行模拟，各结构单元计算参数如表2所示。

表1 土层计算参数

表2 结构计算参数

止水帷幕利用等效刚度法模拟成地连墙，地连墙通过2D板单元模拟，在止水帷幕与土体间建立刚性连接的界面单元，设置强度折减系数为0.65，用以模拟围护结构与土的共同作用。通过修改单元模拟属性，设置渗透系数为0 m/d的界面单元模拟止水帷幕截水性质，以达到防水、止水效果。在模型底部设置约束及不透水层，四周设置水平约束及节点水头模拟坑外初始水位，在模型上表面设置自由位移面，通过设置压力水头来模拟坑内降水。

2.2 流固耦合理论

考虑水流连续性和土体位移平衡的三维比奥固结理论方程为

(1)

(2)

式中，G为剪切模量；μ为泊松比；wx、wy、wz为位移分量；u为孔隙水压力；K为等效渗透系数。

将比奥固结方程以增量的形式表示

(3)

2.3 施工步骤模拟

本基坑采用分层降水、分层分块开挖的原则，按照“降水—开挖—支护”的形式进行，模拟施工步骤如表3所示。

表3 施工模拟步骤

2.4 模型及参数验证

基于以上参数及工况，对K0+120、K0+130、K0+140三个横断面隧道监测点1竖向位移进行模拟，基坑与隧道关系模型如图3所示，施工工序11结束后左右线隧道竖向位移模拟值和实测值如图4所示。数值模拟结果与现场监测结果较接近，土层参数与结构参数取值合理。

图3 开挖基坑与隧道关系示意

图4 K0+120～K0+140横断面隧道竖向位移曲线

3 计算结果分析

3.1 施工阶段分析

基坑开挖卸荷会使下卧地铁隧道产生不良影响，有必要对不同工况下隧道变形进行模拟分析。主要模拟对比工况降水深度在基坑底1 m的模型与不进行基坑降水模型在基坑开挖过程中隧道竖向位移情况，开挖过程中右线隧道R07-1监测点竖向位移如图5所示。

图5 不同工况下R07-1监测点竖向位移

对比两种工况下隧道竖向变形可发现，考虑降水工况下，地铁隧道的位移变化有所不同。未考虑降水工况的本构模型造成的坑外土附加变形要比基坑开挖卸荷作用引起的土体变形大，使隧道产生了较大的隆起。本基坑工程若是不考虑基坑降水进行计算，隧道最终竖向隆起值为33.65 mm，与实际结果产生了较大偏差。计算结果表明：在基坑开挖过程中，抗浮板与抗拔桩相结合的围护结构可使隧道的竖向位移满足《城市轨道交通工程检测技术规范》对应的控制要求，但在土体开挖过程中，监测到隧道竖向变形已多次达到预警值(20 mm)，在变形控制要求较为严格的工程中，需要采取一定的工程措施，保护隧道变形。

3.2 降水深度分析

基于Midas GTS NX中的完全应力-渗流耦合分析模块，对水位分别降至基坑底以下1，3，5，7，9，11 m进行计算，隧道在施工工序11结束后基坑纵断面上隧道监测点1竖向位移如图6所示。

由于基坑开挖方式为从A到D分块开挖施工，每块土体的开挖施工都会引起隧道一定的位移量，在分块开挖效应累计的作用下，最后一块土体(即D块)开挖引起的位移增量最高，使得隧道最终呈“M”形曲线隆起，竖向位移最大处位于隧道中部的两侧位置。且由于基坑两侧土体(即A块)受约束较大，中部土体受约束较小，使得开挖结束后导致下卧隧道两端竖向位移小于中部近20 mm。

对比不同降水方案下隧道结构竖向位移曲线可以发现，地铁隧道在原方案降水开挖的情况下，隧道数值模拟最高隆起值为26.5 mm，现场实际监测结果为22.9 mm，满足设计要求。随着降水深度的增加，基坑降水会使土体产生固结，使隧道产生较大沉降。从隧道竖向位移曲线可以看出，基坑降水至基坑底7 m以下后对隧道隆起的增加量较小，沉降量开始上升，当基坑降水至坑底11 m时，隧道隆起量较小，但隧道边缘沉降量较大，左线最大值为18.05 mm，右线最大沉降值为17.86 mm，在现场施工中降水量应引起重视。因此当基坑在开挖过程中，如果隧道竖向位移控制要求较严格，可适当增加基坑降水的深度控制隧道隆起，基坑降水深度最佳宜设置在基坑底5 ～7 m。

图6 不同降水方案隧道竖向位移曲线

本工程在降水深度为基坑底1 m时隧道水平方向的位移结果见图7。基坑开挖范围内隧道水平方向位移沿基坑中轴线对称分布，隧道左线水平方向最大位移为9.06 mm，隧道右线水平方向最大位移为9.24 mm。隧道左、右线水平方向位移最大值均在隧道纵向中部位置，且基坑开挖范围内隧道中部位移以竖向隆起为主，竖向位移整体大于水平位移。

在基坑施工过程中，隧道上方土体因开挖卸荷会使原状土体的应力状态发生改变，进而使下卧隧道衬砌结构受力而产生变形。当衬砌结构变形过大时会产生裂缝、渗水等事故，严重时会造成隧道内部基础设施发生故障，甚至影响地铁的运营安全。因此，基坑下卧隧道衬砌结构的变形也应得到重视，11号线在基坑开挖完成时，K0+140横断面衬砌结构变形趋于稳定时的云图如图8所示(变形放大100倍)。

图7 隧道区间水平方向位移

图8 K0+140横断面衬砌结构变形稳定时云图

地铁区间衬砌结构变形趋势表现为地铁隧道靠近基坑横断面中轴线方向侧向变形，变形趋势呈“水平向压缩、竖向拉伸”的竖椭圆状。隧道顶部及两侧腰部变形相对较大，且左线隧道变形稳定值比右线隧道稍大，在基坑开挖范围内左线隧道最大变形值为26.40 mm，最小变形值为15.36 mm；右线隧道最大变形值为19.72m，最小变形值为15.00 mm。在基坑开挖时建议采取分层分块的方式进行开挖，减少对隧道的不利影响。

3.3 渗流速度分析

基坑底部抗浮板与止水帷幕完成施工后，渗流呈曲线流经在抗浮板结构周围。渗流速度云图如图9所示，渗流速度在不同平面内的空间差异性较为明显，xy方向，yz方向和xz方向基坑周围渗流速度分别为0.000 3～0.65 m/d，0.001 4～0.64 m/d和0.001～0.53 m/d，基坑周围总的渗流速度为0.001 2～0.067 m/d。

3.4 降水速度分析

为了分析降水速度对隧道变形的影响，建立4种工况进行分析，降水速度分别设置为0.25，0.5，1，2，3 m/d。降水速度对地铁隧道与抗拔桩竖向变形的影响见图10，降水速度对抗拔桩内力的影响见图11。

图9 渗流速度云图

图10 降水速度对地铁隧道与抗拔桩竖向变形的影响

图11 降水速度对抗拔桩内力的影响

由于隧道所在区间土层为弱透水层，在不同降水速度条件下，隧道竖向位移基本保持不变；抗拔桩在降水速度加快至0.5 m/d后，水平剪力由116 kN增至119 kN，弯矩由125 kN·m增至128 kN·m，竖向位移小幅度增大；在降水速度加快至1 m/d后，抗拔桩剪力、弯矩变化趋于稳定，轴力由5 004 kN增长至5 153 kN。因此降水速度应该在现场施工中进行控制，虽然在弱透水土层中，降水速度对隧道变形的影响较小，但降水过程中抗拔桩围护结构内力的增长情况应该引起重视。