基坑降水對(duì)下臥地鐵盾構(gòu)隧道的影響

時(shí)間：2022-09-21作者：六安江浙滬皖鉆井工程有限公司瀏覽：183

在地下水較高的地區(qū)進(jìn)行基坑施工往往需要降低基坑內(nèi)地下水位，基坑降水勢(shì)必引發(fā)基坑周邊土層的地下水位與應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致周邊土層產(chǎn)生附加沉降，對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生不良影響，造成鄰近建構(gòu)筑物的破壞， 甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的工程事故，特別是對(duì)臨近基坑的地鐵等重要設(shè)施的安全運(yùn)行造成不良影響。

所以確定基坑降水引起坑外地下水位的變化、應(yīng)力場(chǎng)的變化及地面沉降，對(duì)于確定基坑支護(hù)及降水設(shè)計(jì)方案，避免降水對(duì)周邊建構(gòu)筑物的破壞具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用簡(jiǎn)化理論 、數(shù)值模擬 與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)三種方法對(duì)基坑降水引起的地基附加應(yīng)力及沉降進(jìn)行研究。

本文結(jié)合某基坑工程實(shí)例，針對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道下穿該基坑的復(fù)雜環(huán)境條件，首先采用簡(jiǎn)化大井法、二維有限元滲流法，分別計(jì)算帷幕失效與有效兩種降水工況下基坑降水坑外地層的水力坡降曲線；接著采用分層總和法計(jì)算基坑降水引起地鐵盾構(gòu)隧道的附加沉降，分析基坑降水對(duì)下臥地鐵的影響。

１、工程背景

1.1 工程概述某公寓地面 31層，地下2層，塔樓為框筒結(jié)構(gòu)，基坑開(kāi)挖深度為 6.0 ｍ。某地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道在場(chǎng)地西南部下方斜穿，公寓建設(shè)之前施工盾構(gòu)區(qū)間隧道，公寓基坑開(kāi)挖及基礎(chǔ)施工將有可能對(duì)區(qū)間盾構(gòu)隧道造成影響。1.2 工程條件1.2.1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件擬建場(chǎng)地原始地貌為海漫灘，經(jīng)人工堆填后形成現(xiàn)狀場(chǎng)地，勘探期間測(cè)得各鉆孔孔口標(biāo)高 2.26 ～3.81ｍ， 相對(duì)高差 1.55ｍ， 場(chǎng)地平坦。 根據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)地內(nèi)主要地層自上而下分布為：（1） 人工填土層（ Ｑｍｌ ）：主要為中細(xì)砂；（2） *四系海沖積土層（ Ｑｍ＋ａｌ ）：按照巖性細(xì)分為四個(gè)亞層：淤泥、中粗砂、砂質(zhì)黏土、**質(zhì)砂質(zhì)黏土；（3）*四系殘積土層（ Ｑｅｌ ）：主要為礫質(zhì)黏性土；（4）花崗巖基巖： 按風(fēng)化程度劃分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化及微風(fēng)化四層。場(chǎng)地內(nèi)地下水埋深 1.5～2.2ｍ，平均2.0ｍ，主要含水層為人工填砂層、海沖積砂層及下部強(qiáng)～ 中風(fēng)化層。各含水層富水性好，透水性強(qiáng)，填砂層受大 氣降水和側(cè)向徑流補(bǔ)給，海沖積砂層與下部基巖孔隙水與海水具有一定水力聯(lián)系。1.2.2 周邊環(huán)境條件基坑南側(cè)相距地鐵２號(hào)線端頭井約 20.0ｍ，西側(cè)相鄰碧濤苑別墅50.0ｍ，北側(cè)相鄰擬建的招商局大廈深基坑，基坑?xùn)|側(cè)場(chǎng)地相對(duì)空曠。地鐵2號(hào)線蛇口客運(yùn)港—海上世界區(qū)間盾構(gòu)隧道在基坑的西南角部斜向下穿越本基坑。地鐵隧道**埋深約12.0ｍ，伍茲公寓基坑底至隧道**埋深5.0～6.0ｍ。關(guān)于城市軌道設(shè)施安全保護(hù)要求，伍茲公寓建設(shè)場(chǎng)地內(nèi)的地鐵隧道建成后， 伍茲公寓的建設(shè)必須滿足以下條件：（1）滿足線路軌道靜態(tài)尺寸容許偏差值（ 如軌道豎向變形４ｍｍ）；（2） 隧道縱向變形曲線的曲率半徑Ｒ ≥15000ｍ。1.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案1.3.1 總體支護(hù)方案場(chǎng)地有深厚的強(qiáng)透水砂層，周邊有需要保護(hù)的地鐵設(shè)施，基坑工程安全等級(jí)為二級(jí)?；硬捎梅忾]帷幕截水、復(fù)合土釘墻支護(hù)方案。其中，截水帷幕 采用雙排疊合水泥攪拌樁，截水深度在基坑深度下入黏土層不少于2.0ｍ。在砂層設(shè)置的土釘采用打入鋼管注漿式錨桿，重要部位設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨桿。基坑土方分層開(kāi)挖，分層厚度 1.2～ 1.5ｍ，開(kāi)挖一層施作一層土釘。1.3.2 基坑與下臥隧道相交段截水帷幕預(yù)處理方案地鐵盾構(gòu)隧道下穿伍茲公寓基坑段，隧道**部侵入砂層。隧道建成后，施工基坑的截水帷幕很難在隧道相交段形成封閉帷幕，而且后續(xù)的施工會(huì)影響隧道結(jié)構(gòu)的安全。為此，在隧道施工之前，應(yīng)先做好該相交段的帷幕和支護(hù)結(jié)構(gòu)，且先做的支護(hù)結(jié)構(gòu)不能影響隧道施工。經(jīng)過(guò)比選，地鐵隧道相交段采用帷幕和支護(hù)合一的攪拌樁格構(gòu)式重力擋墻方案。攪拌樁重力式擋土墻垂直于盾構(gòu)隧道方向。格構(gòu)式擋土墻的布置寬度 3.75ｍ，深入砂層以下不少于2ｍ，支護(hù)深度 6.0ｍ。攪拌樁格構(gòu)重力式擋墻與隧道的立面關(guān)系如圖1所示。




２、基坑降水引起坑外土層附加沉降的計(jì)算方法

根據(jù)勘察報(bào)告，在基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)及基坑下部存在強(qiáng)透水砂層，地下水豐富。基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中設(shè)置雙排攪拌樁截水帷幕?；娱_(kāi)挖及工程樁施工過(guò)程中，不可避免地導(dǎo)致基坑外地下水位降低，有效應(yīng)力增加，下臥土層引起再壓縮導(dǎo)致地面產(chǎn)生附加沉降?；油馑幌陆狄鸹油馔翆拥母郊映两挡捎萌缦路治龇椒ǎ海?）截水帷幕起理想作用時(shí)，基坑開(kāi)挖后帷幕外側(cè)的地下水有一定的變化，應(yīng)處于原水位與基坑底之間，帷幕失效時(shí)基坑開(kāi)挖后周邊的水位較低點(diǎn)位于基坑底面。（2）帷幕失效時(shí)，整個(gè)基坑降水采用等代大井法進(jìn)行簡(jiǎn)化，計(jì)算水力坡降曲線。（3）帷幕起到設(shè)計(jì)效果時(shí)，繞帷幕的滲流引起的基坑外水位坡降線，采用有限元程序計(jì)算。2.1 簡(jiǎn)化大井法計(jì)算帷幕失效時(shí)的水力坡降 簡(jiǎn)化大井法計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。




由式（1）求出距抽水井中心 r處的水頭h，即：




式（1）中：ｒｗ 為抽水井半徑，ｍ。當(dāng)簡(jiǎn)化為大井時(shí)，為等效半徑， 基坑為圓形或接近正方形時(shí)， ｒｗ ＝ Ｆ ／ π ；基坑為矩形時(shí)，ｒｗ ＝ η（ Ｌ＋ｂ） ／ ４。其中，Ｆ 為抽水井分布區(qū)域面積，ｍ２；Ｌ、ｂ 分別為矩形的長(zhǎng)邊、短邊長(zhǎng)度，ｍ；η 由 ｂ ／ Ｌ 查表得。ｈｗ 為抽水井內(nèi)水位（ 從不透水層**面算起），ｍ；Ｈ０ 為潛水含水層厚度，ｍ；

Ｒ 為降水影響半徑，ｍ。對(duì)于潛水含水層采用以下公式：




式中：ｓｗ 為抽水井井底水位降深，ｍ；ｋ 為含水層的滲透系數(shù)，ｍ ／ ｄ由式（1）求得水頭 ｈ，即可以得到降水坡降曲線。2.2 帷幕有效時(shí)的水力坡降計(jì)算帷幕有效時(shí)采用二維有限法進(jìn)行滲流分析計(jì)算。計(jì)算原理如下：（1）基本方程有限單元法采用的滲流基本方程如下：




式中：Ｈ 為總水頭；ｋｘ 、ｋｙ 、ｋｚ 分別為 ｘ、ｙ、ｚ 方向的滲透系數(shù)；Ｑ 為流量；Θ 為體積含水率；ｔ 為時(shí)間。

二維分析假定所有單元的厚度相同，基本滲流方程應(yīng)用有限元可表達(dá)為：




式（4） 中：［Ｂ］ 為動(dòng)力坡度矩陣；［Ｃ］ 為節(jié)點(diǎn)滲流系數(shù)矩陣；｛ Ｈ｝ 為節(jié)點(diǎn)水頭向量；〈Ｎ〉為形函數(shù)向量； ｑ 為單元邊的單位重量；λ 為非穩(wěn)定流的阻尼項(xiàng)；




為隨時(shí)間變化的水頭。（2）邊界條件根據(jù)施工分析工況，邊界條件的施加分為兩個(gè)階段：① 基坑開(kāi)挖前根據(jù)地下水埋深在基坑外部設(shè)定水頭邊界；② 基坑開(kāi)挖后在基坑開(kāi)挖面設(shè)定開(kāi)挖后的水頭邊界?；娱_(kāi)挖后基坑內(nèi)外存在水頭差，形成地下水繞帷幕底部滲流．基坑外地下水位坡降曲線可根據(jù)上述有限元法求得。2.3 降水引起的附加沉降計(jì)算（1）因降水增加的有效應(yīng)力 Δσ’當(dāng)水位變化時(shí)，土中總應(yīng)力不變，根據(jù)有效應(yīng)力原理，Δσ′ ＝ －Δｕ，有效應(yīng)力增量如圖 ３ 所示。




對(duì)于降水疏干層（ 降水面與**水位之間的土層），為均質(zhì)土層時(shí)，有效應(yīng)力增量為三角形，取其平均值并假設(shè)為矩形分布，即：降水面以下土層，有效應(yīng)力增量為定值，即：










式（5）、（6）中：γｗ 為水的容重，ｋＮ ／ ｍ３ ；ΔＨ 為水位降深，ｍ。（2）分層總和法計(jì)算沉降* ｉ 層土由于有效應(yīng)力增加產(chǎn)生的附加沉降為：




式（7）中：Δσ′ 為某降水深度處土層的有效應(yīng)力增量，ｋＰａ；Ｅｓｉ 為* ｉ 層土的壓縮模量， ＭＰａ； ｈｉ 為* ｉ層土的厚度，ｍ?；咏邓且鹬車h(huán)境變形的主導(dǎo)因素，它會(huì)改變地下水的滲流運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)以基坑為底面的水位下降漏斗面，在**水位和降水面之間，水位下降會(huì)引起土層孔隙水壓力消散， 有效應(yīng)力增加，從而造成土體壓縮，產(chǎn)生沉降 ｓ１ 降水面以下，土層有效應(yīng)力也會(huì)因水位下降而增加， 產(chǎn)生沉降 ｓ２。因此，基坑周邊建（ 構(gòu)） 物基礎(chǔ)產(chǎn)生的附加沉降由兩部分構(gòu)成，即：




式（８） 中：ｈ１ 為降水疏干層土層的厚度；ｈｉ 為降水面下* ｉ 層土的厚度。

３、基坑施工降水對(duì)下臥地鐵盾構(gòu)隧道的影響分析

3.1 計(jì)算分析斷面及計(jì)算參數(shù)根據(jù)基坑與下臥地鐵盾構(gòu)隧道的位置關(guān)系及地質(zhì)資料，選取以地質(zhì)鉆孔 ＺＫ７０ 作為計(jì)算分析的代表性地質(zhì)斷面，如圖 ４ 所示。




該斷面處地下水位埋深為1.5ｍ，人工填土層、中粗砂層透水性大，地下水量豐富。該斷面處土層計(jì)算參數(shù)如表 １ 所示。




地鐵隧道施工在基坑開(kāi)挖前完成，地鐵施工過(guò)程中土體經(jīng)歷著卸載階段，當(dāng)基坑開(kāi)挖施工降水引起周邊地下水位下降，由地下水位下降產(chǎn)生的附加應(yīng)力作用在壓縮層土體上，土體又經(jīng)歷著再加載壓縮階段．因此，在采用分層總和法計(jì)算地鐵隧道沉降時(shí)，壓縮模量采用卸載－再加載模量進(jìn)行計(jì)算。3.2 計(jì)算結(jié)果與分析3.2.1 水位降深計(jì)算 本節(jié)根據(jù)基坑施工過(guò)程將降水分為二種工況進(jìn)行計(jì)算，如表 ２ 所示。




（1）工況一將多邊形布置的基坑簡(jiǎn)化為一個(gè) “ 大井”，降水系統(tǒng)的平面為不規(guī)則多邊形時(shí)：




式（9）中：ｒｉ 為從* ｉ 個(gè)**點(diǎn)到幾何形心的距離，ｉ ＝１，２，…，ｎ?！按缶钡刃О霃剑海颍鳎?4.76ｍ。施工降水至基坑底面以下0.5ｍ，計(jì)算參數(shù)如下：中心水位降深：ｓｗ ＝5.8ｍ，
















（2）工況二該工況采用專業(yè)有限元軟件進(jìn)行滲流分析，計(jì)算僅分析基坑外周邊地下水下降的情況。建立的有限元計(jì)算模型如圖 ６，兩種工況下降水曲線如圖 ７， 兩種工況下基坑施工降水引起地鐵右線中軸線處的水位降深如表 ３ 所示。由圖 7與表3可見(jiàn)，工況一、工況二基坑施工降水引起地鐵右線中軸線處水位降深分別為4.2ｍ、1.5ｍ。3.2.2 附加沉降計(jì)算 根據(jù)降水曲線得到基坑周邊各處的水位降深， 再利用式（8）計(jì)算得到兩種工況下地表與地鐵隧道底部土層的沉降曲線，如圖 ８、圖 ９ 所示． 兩種工況下基坑施工降水引起地表的較大沉降、地鐵隧道右線中軸線處沉降如表 ４ 所示。由表 ４ 可見(jiàn)：考慮截水帷幕失效情況下，地鐵右線隧道底部的較大沉降為－2.83ｍｍ；考慮截水帷幕起作用時(shí)，地鐵右線隧道底部的較大沉降為－1.3ｍｍ.兩工況下基坑降水引起地鐵盾構(gòu)隧道在軌道豎向變形 4ｍｍ 控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。


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