富水砂层过河明挖隧道基坑围堰方案比选及结构稳定性分析

刘建华

(中铁十八局集团第五工程有限公司,天津 300459)

地下空间的开发和利用,比如隧道工程,已在各个国家和地区得到了快速的发展。随着计算机技术的不断进步,使得数值模拟方法逐步应用于验证基坑开挖及基坑支护结构稳定性方面。在该方面的研究中:杨博维等[1]采用数值模拟方法研究了基坑4种不同支护方式的开挖过程,对基坑顶部和底部的位移及坑壁水平方向的变形进行了对比;夏国志等[2]对北京天坛地铁车站折返区间进行了不同局部开挖顺序的数值模拟,提供了减少施工工序对周围地表沉降扰动的最优方案;袁定辉等[3]对深基坑地下连续墙内支撑支护结构进行数值模拟,分析了基坑在不同开挖阶段下的位移、应变增量及内撑轴力等;胡建林等[4]对摩尔-库伦进行简单修正后,能够很好模拟深基坑开挖过程中土体变形、支撑受力特点。

围堰是基坑工程中常用的封闭方式,在围堰施工前对基坑处的水文条件进行充分调查,仔细比选施工方案,在满足施工条件下,选择合适的施工方法可以大大降低施工措施费用,同时也可简化施工程序,提高施工进度。目前已有较多研究:颜彬彬[5]采用数值模拟方法,对比分析了拉森钢板桩围堰在涉水深基坑中的受力情况,保证了涉水承台深基坑的安全性和稳定性;陈明等[6]采用有限元数值模拟软件,分析验证了深水中利用砂袋围堰作为挡水结构抽水后再开挖基坑的施工方法的可行性;刘少雄[7]对围堰施工及水下基坑开挖施工中所使用的技术方法进行分析介绍,提出施工中需要注意的各项要点,并经实践验证了该特大桥所用围堰施工及水下基坑开挖技术方法的合理性与可行性;彭长胜等[8]针对海相软土,提出采用明挖截留围堰法进行施工,取得了较好的工程应用效果。

本文依托安徽省亳州市某过河隧道工程,利用连续介质有限元软件Plaxis建立计算模型,进行渗流与受力耦合分析,对比研究了钢板桩围堰、充砂模袋围堰的应用特点,并结合现场监测数据研究了工程在围堰明挖法施工过程中的土体变形及基坑支护结构的受力特点,研究结果能够为类似明挖基坑工程提供参考。

1 工程概况

安徽省亳州市涡河隧道工程位于汤王大道与涡河、洪河交汇处,也是老城区与涡北新城区连接的重要过河通道,路线全长约1 345 m,隧道段长1 241 m,其中暗埋段长882 m,水下段长约500 m,水下段全部采用围堰明挖法施工。

表1 土层摩尔-库伦模型参数

基坑内支撑系统由冠梁、支撑、连梁、格构柱组成,竖向采用3道支撑。冠梁采用1 200 mm×1 000 mm钢筋混凝土梁,连梁采用600 mm×600 mm钢筋混凝土梁,首道支撑采用800 mm×1 000 mm钢筋混凝土支撑,其他采用∅609 mm×16 mm钢支撑。支撑系统所用材料均为C30混凝土,型钢及钢管采用Q235B钢材,围护灌注桩桩径为1.0 m,桩中心距1.2 m。从现场施工监控周报中发现南岸施工变形量要大于北岸,所以数值模型拟选取的断面桩号范围为K0+570-K0+580,具体监测结果如图1所示(注:水平位移包括x、y两个方向)。

图1 南岸围堰各测点水平位移累积变化(单位:mm)

2 工程围堰方案优化与模型建立

2.1 围堰方案优化设计

隧道采用围堰明挖法施工,下穿涡河及洪河段围堰原方案采用双排拉森钢板桩,钢板桩下部插入河床下地基土,上部使用对拉螺杆连接,两排钢板桩之间填充砂土,并打设一排高压旋喷桩止水。施工时发现打桩机无须振动即可将钢板桩压至设计标高,且插打后的钢板桩易出现偏移。将钢板桩加长3 m后情况依旧。经实地回访勘察发现,由于受到河道采砂影响,导致原状地层被破坏,河道内上部软弱地层厚度不均且不规律。河道现状地层易造成原设计钢板桩围堰局部产生较大变形,严重时可能会造成围堰渗漏,乃至管涌、失稳的风险,存在一定的安全隐患。根据现场施工情况和讨论研究,围堰方案由钢板桩围堰变更为充砂模袋围堰[9,10],即围堰由内外两排充砂管袋堆砌而成,两排充砂管袋之间填筑黏土心墙,黏土心墙中插入一排拉森钢板桩止水,围堰顶宽10 m,迎水面和背水面坡度分别为1∶2.5和1∶2.0,围堰顶浇筑混凝土防洪墙。

2.2 过河隧道基坑开挖工程模型建立

计算模型范围包括隧道周边围堰、围堰中部明挖基坑、基坑支护结构以及周围土体,考虑开挖影响范围,取模型断面宽度总长为270 m。根据已有土层资料进行土体标高设计,模型底部标高为-20.0 m,顶部标高为37.0 m,基坑顶部标高为27.0 m。

根据该隧道工程施工设计图建模,模型尺寸270 m×57 m,共划分3 750个单元,计算采用的模型如图2所示。

图2 整体模型网格图示(单位:m)

模型中土层采用实体单元,桩结构采用Embedded单元、梁结构采用beam单元进行建模,结构与土体间建立粘弹性接触,结构间采用刚性连接。桩结构单元参数根据工程设计资料计算得出,格构柱在发挥作用时与工程桩连接,在本研究中看作一个整体,考虑主要影响因素,梁结构所取参数如表2所示,其他参数为:弹性模量E30.0 GPa,泊松比v0.28,横截面积A0.48 m2,y轴惯性矩Iy0.02 m4,极惯性矩J0.04 m4,剪切耦合弹簧单位长度上的内聚力cs200.0 kPa,剪切耦合弹簧的摩擦角φs30°,剪切耦合弹簧单位长度上刚度Ks130.0 GPa,法向耦合弹簧单位长度上的内聚力cn200.0 kPa,法向耦合弹簧的摩擦角φn30°,法向耦合弹簧单位长度上刚度Kn130.0 GPa,外圈长度P2.83 m,密度ρ2 420 kg/m3。

表2 梁结构单元参数汇总

2.3 明挖基坑数值模拟工况

结合基坑开挖的变形规律,根据工程基坑围护方案,通过数值仿真计算的方法进行渗流耦合分析[11],研究明挖基坑围堰优化设计前后的渗流特征,并分析明挖基坑开挖时的围护结构稳定性。明挖基坑模拟施工过程工序如表3所示。

表3 明挖基坑模拟施工过程具体工序

3 结果分析

3.1 初始应力计算与分析

围堰方案优化前后的竖向初始应力计算结果如图3所示。地应力基本呈水平分布,计算结果与土力学理论方法得到的应力分布基本一致。

图3 不同围堰方案初始应力计算结果

3.2 基坑开挖渗流耦合计算结果

根据基坑排水设置初始水位大小,对两种围堰方案的施工工况进行渗流耦合计算,结果如图4所示。采用钢板桩围堰方案时,土体渗流速率最大值为0.13 m/d;而采用充砂模袋围堰方案时,土体渗流速率最大值为0.045 m/d。这是由于采用充砂模袋围堰有效延长了土体中的渗流路径,从而使渗流速率有效降低,土体渗流稳定性明显增强。且采用钢板桩围堰方案时,渗流速率最大值出现在钢板桩桩端处,导致钢板桩桩端受到渗流力的水平作用,产生较大的水平位移,在实际施工过程中会出现钢板桩的倾斜或偏移。

图4 不同围堰方案渗流计算结果

3.3 围堰方案可行性分析

采用钢板桩围堰方案时,钢板桩变形及受力情况如图5所示。钢板桩水平位移最大值为6.0 cm,轴力最大值为539.1 kN,弯矩最大值为494.5 kN·m。在实际施工过程中,由于河道内采砂采空区的存在,会导致钢板桩水平位移进一步增加,严重影响钢板桩围堰效果,且较大的弯矩会导致钢板桩局部变形,最大弯矩出现在钢板桩下部1/3左右位置处。而在进行基坑开挖计算时,由于采用拉森钢板桩围堰方案时桩身位移过大导致土体发生破坏变形,使计算无法继续进行,因此采用充砂模袋围堰方案进行基坑开挖计算,这也与实际工程情况相符。

3.4 南侧基坑土体变形结果与监测对比

根据隧道开挖实际施工步骤,模拟所得南侧基坑的变形云图及变化趋势如图6、图7所示。

图5 钢板桩围堰方案钢板桩变形及受力情况

图6 南侧基坑沉降变形云图

图7 南侧基坑沉降变形曲线

在基坑开挖至1.0 m时,此时开挖深度不大,土体受的剪切和拉伸破坏范围较小,因此土体变形量较小,设置第1道钢筋混凝土支撑作用效果并不明显;当开挖到5.6 m时,沉降变形最大为32.5 mm,但受力变形范围并未发生明显的改变,此时添加第2道钢支撑后受力变形范围和变形位移量也没有发现明显的变化;当开挖到9.5 m时,受力变形范围和变形位移量与开挖5.6 m时大小基本相同,最大沉降变形为35.9 mm;继续开挖至12.7 m时,最大沉降仅达到47.9 mm,土体变形范围未发生明显扩大,如图7所示基坑沉降变形趋势仍保持稳定,因此说明第3道支撑有效承担了土体变形产生的应力,后文中的支撑受力情况也可以佐证。

基坑开挖完成后,将数值仿真计算所得的围堰沉降、水平变形量与施工监控实测数据进行对比,如图8所示。变形对比可以发现,模拟明挖基坑的围堰沉降量、水平位移量与实测数据所反映的变形与受力规律基本一致,且数值结果相近;但L-4(测点位置见图1)水平位移模拟值与实测值相差15.2 mm,可能受土体均匀性等因素的影响,与实际数据有一定的差异,但所反映的变化规律是一致的。

图8 围堰沉降、水平变形量(绝对值)对比

3.5 明挖基坑支护结构受力结果与监测对比

基坑开挖各施工工况下,沿基坑宽度进行积分得到每道支撑结构的轴力如图9所示。

由于施工过程中进行水平方向开挖,因此同一道支撑上的轴力是一致的。开挖至5.6 m过程中,第1道钢筋混凝土支撑轴力最大为342.5 kN,在加第2道钢支撑后,分担了第1道钢筋混凝土支撑的受压支撑轴力;开挖到9.5 m时,第1道支撑轴力受压轴力小幅度增加到358.7 kN,第2道钢支撑的轴力从受拉转变为受压,最大值为343.2 kN;当开挖到12.7 m时,第1道钢筋混凝土支撑为受压轴力最大值达到380.5 kN,第2、3道支撑最大值分别为955.1 kN和309.9 kN。支撑受力状态与基坑变形相一致。

基坑开挖完成后,将数值仿真计算所得的钢支撑轴力与实际监测数据进行对比,如图10所示。第2道模拟钢支撑轴力比实际监测受压轴力高394.3 kN,但所反映的变化规律是一致的。

4 结论

通过分析安徽省亳州市某过河隧道工程基坑明挖到底的数值模拟结果,可以得出以下结论:由于过河隧道穿越砂层深厚、渗透系数大,导致钢板桩围堰受到较大的渗流力作用,容易发生偏移,因此适宜采用充砂模袋作为基坑围堰,延长渗流路径从而有效降低渗流力对基坑开挖的影响。数值模拟所得到的计算结果与实际监测结果差别较小,趋势一致,基坑稳定性符合施工要求。本文验证了利用数值模拟方法对富水砂层内明挖隧道工程的渗流及基坑维护结构的稳定性分析是合理可行的,相关结论可为相关工程的设计提供参考。

图9 开挖土层各支撑轴力

图10 钢支撑轴力(绝对值)对比