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基坑降水对下卧地铁盾构隧道的影响

0 引言

在地下水较高的地区进行基坑施工往往需要降低基坑内地下水位,基坑降水势必引发基坑周边土层的地下水位与应力场发生改变,从而导致周边土层产生附加沉降,对周围环境产生不良影响,造成邻近建构筑物的破坏, 甚至出现严重的工程事故,特别是对临近基坑的地铁等重要设施的安全运行造成不良影响。所以确定基坑降水引起坑外地下水位的变化、应力场的变化及地面沉降,对于确定基坑支护及降水设计方案,避免降水对周边建构筑物的破坏具有重要意义。 目前,国内外学者主要采用简化理论 、数值模拟 与现场试验三种方法对基坑降水引起的地基附加应力及沉降进行研究。本文结合某基坑工程实例,针对地铁盾构隧道下穿该基坑的复杂环境条件,首先采用简化大井法、二维有限元渗流法,分别计算帷幕失效与有效两种降水工况下基坑降水坑外地层的水力坡降曲线;接着采用分层总和法计算基坑降水引起地铁盾构隧道的附加沉降,分析基坑降水对下卧地铁的影响。

1 工程背景

1.1 工程概述
某公寓地面 31层,地下2层,塔楼为框筒结构,基坑开挖深度为 6.0 m。某地铁盾构区间隧道在场地西南部下方斜穿,公寓建设之前施工盾构区间隧道,公寓基坑开挖及基础施工将有可能对区间盾构隧道造成影响。
1.2 工程条件
1.2.1 工程地质与水文地质条件
拟建场地原始地貌为海漫滩,经人工堆填后形成现状场地,勘探期间测得各钻孔孔口标高 2.26 ~3.81m, 相对高差 1.55m, 场地平坦。 根据勘察报告,场地内主要地层自上而下分布为:
(1) 人工填土层( Qml ):主要为中细砂;(2) 第四系海冲积土层( Qm+al ):按照岩性细分为四个亚层:淤泥、中粗砂、砂质黏土、有机质砂质黏土;(3)第四系残积土层( Qel ):主要为砾质黏性土;(4)花岗岩基岩: 按风化程度划分为全风化、强风化、中风化及微风化四层。
场地内地下水埋深 1.5~2.2m,平均2.0m,主要含水层为人工填砂层、海冲积砂层及下部强~ 中风化层。各含水层富水性好,透水性强,填砂层受大 气降水和侧向径流补给,海冲积砂层与下部基岩孔隙水与海水具有一定水力联系。
1.2.2 周边环境条件
基坑南侧相距地铁2号线端头井约 20.0m,西侧相邻碧涛苑别墅50.0m,北侧相邻拟建的招商局大厦深基坑,基坑东侧场地相对空旷。地铁2号线蛇口客运港—海上世界区间盾构隧道在基坑的西南角部斜向下穿越本基坑。地铁隧道顶埋深约12.0m,伍兹公寓基坑底至隧道顶埋深5.0~6.0m。根据深圳地铁公司关于城市轨道设施安全保护要求,伍兹公寓建设场地内的地铁隧道建成后, 伍兹公寓的建设必须满足以下条件:
(1)满足线路轨道静态尺寸容许偏差值( 如轨道竖向变形4mm);
m。
(2) 隧道纵向变形曲线的曲率半径R ≥ 15000
1.3 基坑支护设计方案
1.3.1 总体支护方案
场地有深厚的强透水砂层,周边有需要保护的地铁设施,基坑工程安全等级为二级。基坑采用封闭帷幕截水、复合土钉墙支护方案。其中,截水帷幕 采用双排叠合水泥搅拌桩,截水深度在基坑深度下入黏土层不少于2.0m。在砂层设置的土钉采用打入钢管注浆式锚杆,重要部位设置预应力锚杆。基坑土方分层开挖,分层厚度 1.2~ 1.5m,开挖一层施作一层土钉。
1.3.2 基坑与下卧隧道相交段截水帷幕预处理方案
地铁盾构隧道下穿伍兹公寓基坑段,隧道顶部侵入砂层。隧道建成后,施工基坑的截水帷幕很难在隧道相交段形成封闭帷幕,而且后续的施工会影响隧道结构的安全。为此,在隧道施工之前,应先做好该相交段的帷幕和支护结构,且先做的支护结构不能影响隧道施工。
经过比选,地铁隧道相交段采用帷幕和支护合一的搅拌桩格构式重力挡墙方案。搅拌桩重力式挡土墙垂直于盾构隧道方向。格构式挡土墙的布置宽度 3.75m,深入砂层以下不少于2m,支护深度 6.0m。搅拌桩格构重力式挡墙与隧道的立面关系如图1所示。

2 基坑降水引起坑外土层附加沉降的计算方法

根据勘察报告,在基坑开挖范围内及基坑下部存在强透水砂层,地下水丰富。基坑支护设计中设置双排搅拌桩截水帷幕。基坑开挖及工程桩施工过程中,不可避免地导致基坑外地下水位降低,有效应力增加,下卧土层引起再压缩导致地面产生附加沉降。基坑外水位下降引起基坑外土层的附加沉降采用如下分析方法:
(1)截水帷幕起理想作用时,基坑开挖后帷幕外侧的地下水有一定的变化,应处于原水位与基坑底之间,帷幕失效时基坑开挖后周边的水位最低点位于基坑底面。
(2)帷幕失效时,整个基坑降水采用等代大井法进行简化,计算水力坡降曲线。
(3)帷幕起到设计效果时,绕帷幕的渗流引起的基坑外水位坡降线,采用有限元程序计算。
2.1 简化大井法计算帷幕失效时的水力坡降
简化大井法计算简图如图2所示。
由式(1)求出距抽水井中心 r处的水头h,即:
式(1)中:r 为抽水井半径,m。当简化为大井时,为等效半径, 基坑为圆形或接近正方形时, r = F / π ;基坑为矩形时,r = η( L+b) / 4。其中,F 为抽水井分布区域面积,m2;L、b 分别为矩形的长边、短边长度,m;η 由 b / L 查表得。h 为抽水井内水位( 从不透水层顶面算起),m;H0 为潜水含水层厚度,m;
R 为降水影响半径,m。对于潜水含水层采用以下公式:


式中:s 为抽水井井底水位降深,m;k 为含水层的渗透系数,m / d
由式(1)求得水头 h,即可以得到降水坡降曲线。
2.2 帷幕有效时的水力坡降计算
帷幕有效时采用二维有限法进行渗流分析计算。计算原理如下:
(1)基本方程
有限单元法采用的渗流基本方程如下:

式中:H 为总水头;k 、k 、k 分别为 x、y、z 方向的渗透系数;Q 为流量;Θ 为体积含水率;t 为时间。
二维分析假定所有单元的厚度相同,基本渗流方程应用有限元可表达为:

式(4) 中:[B] 为动力坡度矩阵;[C] 为节点渗流系数矩阵;{ H} 为节点水头向量;〈N〉为形函数向量; q 为单元边的单位重量;λ 为非稳定流的阻尼项; 为随时间变化的水头。
(2)边界条件
根据施工分析工况,边界条件的施加分为两个阶段:① 基坑开挖前根据地下水埋深在基坑外部设定水头边界;② 基坑开挖后在基坑开挖面设定开挖后的水头边界。
基坑开挖后基坑内外存在水头差,形成地下水绕帷幕底部渗流.基坑外地下水位坡降曲线可根据上述有限元法求得。
2.3 降水引起的附加沉降计算
(1)因降水增加的有效应力 Δσ’
当水位变化时,土中总应力不变,根据有效应力原理,Δσ′ = -Δu,有效应力增量如图 3 所示。

对于降水疏干层( 降水面与天然水位之间的土层),为均质土层时,有效应力增量为三角形,取
其平均值并假设为矩形分布,即:
降水面以下土层,有效应力增量为定值,即:


式(5)、(6)中:γ 为水的容重,kN / m3 ;ΔH 为水位降深,m。
(2)分层总和法计算沉降
第 i 层土由于有效应力增加产生的附加沉降为:

式(7)中:Δσ′   为某降水深度处土层的有效应力增量,kPa;E 为第 i 层土的压缩模量, MPa; h 为第 i层土的厚度,m。基坑降水是引起周围环境变形的主导因素,它会改变地下水的渗流运动,形成一个以基坑为底面的水位下降漏斗面,在天然水位和降水面之间,水位下降会引起土层孔隙水压力消散, 有效应力增加,从而造成土体压缩,产生沉降 s1 降水面以下,土层有效应力也会因水位下降而增加, 产生沉降 s2。因此,基坑周边建( 构) 物基础产生的附加沉降由两部分构成,即:

式(8) 中:h 为降水疏干层土层的厚度;h 为降水面下第 i 层土的厚度。

3 基坑施工降水对下卧地铁盾构隧道的影响分析

3.1 计算分析断面及计算参数
根据基坑与下卧地铁盾构隧道的位置关系及地质资料,选取以地质钻孔 ZK70 作为计算分析的代表性地质断面,如图 4 所示。
该断面处地下水位埋深为1.5m,人工填土层、中粗砂层透水性大,地下水量丰富。该断面处土层计算参数如表 1 所示。
地铁隧道施工在基坑开挖前完成,地铁施工过程中土体经历着卸载阶段,当基坑开挖施工降水引起周边地下水位下降,由地下水位下降产生的附加应力作用在压缩层土体上,土体又经历着再加载压缩阶段.因此,在采用分层总和法计算地铁隧道沉降时,压缩模量采用卸载-再加载模量进行计算。
3.2 计算结果与分析
3.2.1 水位降深计算
本节根据基坑施工过程将降水分为二种工况
进行计算,如表 2 所示。
(1)工况一
将多边形布置的基坑简化为一个  “ 大井”,降水系统的平面为不规则多边形时:

式(9)中:r 为从第 i 个顶点到几何形心的距离,i =1,2,…,n。
“大井”等效半径:r=54.76m。
施工降水至基坑底面以下0.5m,计算参数如下:中心水位降深:s =5.8m,


(2)工况二
该工况采用专业有限元软件进行渗流分析,计算仅分析基坑外周边地下水下降的情况。建立的有限元计算模型如图 6,两种工况下降水曲线如图 7, 两种工况下基坑施工降水引起地铁右线中轴线处的水位降深如表 3 所示。由图 7与表3可见,工况一、工况二基坑施工降水引起地铁右线中轴线处水位降深分别为4.2m、1.5m。
3.2.2 附加沉降计算
根据降水曲线得到基坑周边各处的水位降深, 再利用式(8)计算得到两种工况下地表与地铁隧道底部土层的沉降曲线,如图 8、图 9 所示. 两种工况下基坑施工降水引起地表的最大沉降、地铁隧道右线中轴线处沉降如表 4 所示。由表 4 可见:考虑截水帷幕失效情况下,地铁右线隧道底部的最大沉降为-2.83mm;考虑截水帷幕起作用时,地铁右线隧道底部的最大沉降为-1.3mm.两工况下基坑降水引起地铁盾构隧道在轨道竖向变形 4mm 控制标准范围内。



4 结语

介绍了某公寓基坑支护设计方案,针对地铁盾构隧道下穿该基坑等复杂周边环境条件,结合该基分帷幕失效与有效两种降水方案,分别采用简化大井法、二维有限元渗流方法计算基坑降水坑外土层的水力坡降曲线,分析基坑施降水对下卧地铁盾构隧道的影响.结果表明:
(1)考虑截水帷幕失效与有效两种降水方案,基坑施工降水引起下卧地铁盾构隧道右线中轴线处水位降深分别为4.2、1.5m。
(2)考虑截水帷幕失效情况下,基坑施工降水引起下卧地铁盾构隧道底部最大沉降为-2.83mm;考虑截水帷幕起作用时,下卧地铁盾构隧道底部的最大沉降为-1.3mm,两种降水方案下基坑施工降水引起地铁盾构隧道在轨道竖向变形4mm控制标准范围内,满足轨道交通安全运营的要求。

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