基坑三维渗流对紧邻区间隧道影响的数值分析

1、基坑三维渗流对紧邻区间隧道影响的数值分析             胡国新  刘庭金  陈俊生  邓飞皇  莫海鸿 摘要：基坑工程施工改变地下水渗流场,导致紧邻区间隧道受力和变形发生改变。为此,应用数值分析手段,采用流固耦合计算模式,对某基坑施工过程的渗流场和变形场进行三维模拟,分析了场地的水位下降规律和区间隧道的变形规律。并通过建立能反映止水条和螺栓作用的三维管片环实体计算模型,计算了管片变形和接头纵缝张开量。研究结果表明:该基坑施工诱

2、发的最大水位下降约为2m;水位下降2m时管片的纵缝张开增量为0.13mm,为纵缝张开控制总量的4.3%。因此,认为该基坑施工诱发的三维渗流对紧邻地铁区间隧道的影响较小。关键词:基坑工程三维渗流数值模拟地铁隧道水位下降管片环接头张开量0 前言   某深基坑工程紧邻广州地铁一号线某地铁车站和区间隧道,由于该基坑工程采用地下连续墙逆作法施工,基坑的侧向位移对紧邻区间隧道的影响相对较小。因此,需重点分析该基坑工程施工诱发的三维渗流对该区间隧道的影响。   为此,首先采用流固耦合计算模式,对该基坑施工引起的地下水渗流场和区间隧道变形场进行三维数值模拟;然后基于三维

3、渗流计算结果,通过建立能反映止水条和螺栓作用的三维管片环实体计算模型,分析管片环变形和接头纵缝张开量,为评估基坑施工对紧邻区间隧道的结构安全提供依据。1 三维渗流计算1.1 有限元模型及其参数   基坑附近区域场地的主要地层资料为:上部4m杂填土,中间10m左右的砂土层,下部18m左右的强风化砂岩,再往下则为中风化砂岩。场地地下水埋深约为-2m。地下连续墙深为21m。   根据该基坑工程及紧邻区间隧道的相关资料,对实际场地的几何形状和地层分布进行适当简化,建立三维渗流计算模型。地层分布如图1所示,基坑与地铁车站、区间隧道的三维模型如图2所示。整个计算模型

4、沿水平方向均为250m,沿垂直方向为40m。计算模型中地层、地下连续墙及盾构隧道均采用实体单元,共66155个单元,72125个节点。   一般情况下,中风化砂岩可视为不透水层和不可压缩层,因此,在计算时将下部约10m深的中风化砂岩视为强风化砂岩,这对渗流和变形计算结果都是偏安全的。   表1为场地地层的渗透系数和力学计算参数。由于杂填土和砂土的渗透系数远大于强风化砂岩的渗透系数,因此,当地下水绕地下连续墙发生渗流时,相对不透水层强风化砂岩成为渗流计算的关键控制土层。根据现场分段常水头注水试验,获得该场地强风化砂岩的渗透系数为1.84×10-7

5、7.31×10-8m/s。考虑到强风化砂岩中裂隙发育和分布的不确定性,在三维渗流计算中,将强风化砂岩的渗透系数放大约10倍,即2×10-6m/s。   在进行三维渗流场和应力场耦合计算时,假定:   1)地下连续墙墙体本身不发生位移;   2)地下连续墙墙体和接头部位不发生渗漏;   3)不考虑基坑开挖诱发荷载释放对地层和地铁区间隧道的影响,而仅考虑地下水渗流的影响。1.2 渗流计算结果及其分析   为分析地下水三维渗流及隧道变形计算结果,建立如图3所示的分析点、线示意图。&

6、#160;  图4为横向分析线B水位下降曲线。从渗流场计算结果可知,该基坑施工在区间隧道附近诱发的最大水位下降约为2m。            另外,对强风化砂岩实测渗透系数放大100倍,即2×10-5m/s进行了三维渗流计算,此时基坑施工在区间隧道附近诱发的最大水位下降约为4m。1.3 隧道变形计算结果及其分析   根据区间隧道变形计算结果可知:区间隧道最大变形部位发生距离地铁车站北端约20m处,且下行线隧道变形量大于上行线,其中下行线隧道最大竖向位移为

7、4.9mm,上行线隧道最大竖向位移为4.3mm。2 管片环受力与纵缝张开量2.1 计算模型及参数取值   水位下降导致作用在管片环外壁的有效压力增大,水压力减小。图5示水位下降导致管片环外壁的压力增量。其中为地下水重度,H为水位下降深度,K0为静止土压力侧向系数,可根据砂土的有效内摩擦角确定,取值为0.59。   为计算水位下降与管片环变形和接头张开量之间的关系,建立管片环实体计算模型,如图6所示。在模型中充分考虑了纵、环缝止水条及纵、环向螺栓的影响,如图7所示。并在管片环外侧设置1m厚的土体,采用接触分析考虑土体对管片环的地层抗力作用,计算时通过将土体

8、的弹性模量进行折减以反映土体的扰动。2.2 计算结果及分析   图8为水位下降2m时管片环的三维变形,变形放大120倍。图9为水位下降与管片环接头纵缝最大张开量关系曲线。根据管片环三维变形计算,管片环两侧腰部位外侧张开,且水平方向变形略大于垂直方向变形。因此,水平方向收敛位移成为控制管片环纵缝张开量的主导因素。水位下降2m时管片环接头纵缝最大张开增量可控制在0.13mm,为接头纵缝张开总控制量3mm(广州地铁总公司提供)的4.3%。3 结论及建议   采用流固耦合模式,计算了基坑施工地下水三维渗流场和区间隧道变形,分析了水位下降对管片环接头纵缝张开量的影

9、响,得到以下结论:   1)基坑施工诱发的最大水位降约为2m。2)基坑施工由于地下水渗流诱发区间隧道的最大沉降为5.6mm,且下行线隧道大于上行线。   3)水位下降2m时管片接头纵缝最大张开增量为其控制总量3mm的4.3%。   4)管片环侧腰部位外侧张开,且水平方向位移大于垂直方向位移。   5)若按纵缝控制总量3mm的38%富余计算,则管片环的水平方向收敛位移控制量为16.6mm。   鉴于地下结构工程中存在着诸多的不确定因素,特别是区间隧道结构目前的受力和变形状态不明确,因此,为确保地铁区间隧道的安全,基坑施工过程需加强对基坑围护结构