基坑三維滲流對緊鄰區(qū)間隧道影響的數(shù)值分析

1、基坑三維滲流對緊鄰區(qū)間隧道影響的數(shù)值分析         08-12-16 09:48:00     編輯：studa0714胡國新  劉庭金  陳俊生  鄧飛皇  莫海鴻 摘要:基坑工程施工改變地下水滲流場,導致緊鄰區(qū)間隧道受力和變形發(fā)生改變。為此,應用數(shù)值分析手段,采用流固耦合計算模式,對某基坑施工過程的滲流場和變形場進行三維模擬,分析了場地的水位下降規(guī)律和區(qū)間隧道的變形規(guī)律。并通過建立能反映止水條和螺栓作用的三維管片環(huán)實體計算模型

2、,計算了管片變形和接頭縱縫張開量。研究結(jié)果表明:該基坑施工誘發(fā)的最大水位下降約為2m;水位下降2m時管片的縱縫張開增量為0.13mm,為縱縫張開控制總量的4.3%。因此,認為該基坑施工誘發(fā)的三維滲流對緊鄰地鐵區(qū)間隧道的影響較小。關(guān)鍵詞:基坑工程三維滲流數(shù)值模擬地鐵隧道水位下降管片環(huán)接頭張開量 0 前言      某深基坑工程緊鄰廣州地鐵一號線某地鐵車站和區(qū)間隧道,由于該基坑工程采用地下連續(xù)墻逆作法施工,基坑的側(cè)向位移對緊鄰區(qū)間隧道的影響相對較小。因此,需重點分析該基坑工程施工誘發(fā)的三維滲流對該區(qū)間隧道的影響。  &

3、#160;   為此,首先采用流固耦合計算模式,對該基坑施工引起的地下水滲流場和區(qū)間隧道變形場進行三維數(shù)值模擬;然后基于三維滲流計算結(jié)果,通過建立能反映止水條和螺栓作用的三維管片環(huán)實體計算模型,分析管片環(huán)變形和接頭縱縫張開量,為評估基坑施工對緊鄰區(qū)間隧道的結(jié)構(gòu)安全提供依據(jù)。1 三維滲流計算1.1 有限元模型及其參數(shù)      基坑附近區(qū)域場地的主要地層資料為:上部4m雜填土,中間10m左右的砂土層,下部18m左右的強風化砂巖,再往下則為中風化砂巖。場地地下水埋深約為-2m。地下連續(xù)墻深為21m。  

4、60;   根據(jù)該基坑工程及緊鄰區(qū)間隧道的相關(guān)資料,對實際場地的幾何形狀和地層分布進行適當簡化,建立三維滲流計算模型。地層分布如圖1所示,基坑與地鐵車站、區(qū)間隧道的三維模型如圖2所示。整個計算模型沿水平方向均為250m,沿垂直方向為40m。計算模型中地層、地下連續(xù)墻及盾構(gòu)隧道均采用實體單元,共66155個單元,72125個節(jié)點。      一般情況下,中風化砂巖可視為不透水層和不可壓縮層,因此,在計算時將下部約10m深的中風化砂巖視為強風化砂巖,這對滲流和變形計算結(jié)果都是偏安全的。   

5、0;  表1為場地地層的滲透系數(shù)和力學計算參數(shù)。由于雜填土和砂土的滲透系數(shù)遠大于強風化砂巖的滲透系數(shù),因此,當?shù)叵滤@地下連續(xù)墻發(fā)生滲流時,相對不透水層強風化砂巖成為滲流計算的關(guān)鍵控制土層。根據(jù)現(xiàn)場分段常水頭注水試驗,獲得該場地強風化砂巖的滲透系數(shù)為1.84×10-77.31×10-8m/s。考慮到強風化砂巖中裂隙發(fā)育和分布的不確定性,在三維滲流計算中,將強風化砂巖的滲透系數(shù)放大約10倍,即2×10-6m/s。      在進行三維滲流場和應力場耦合計算時,假定:   

6、60;  1)地下連續(xù)墻墻體本身不發(fā)生位移;      2)地下連續(xù)墻墻體和接頭部位不發(fā)生滲漏;      3)不考慮基坑開挖誘發(fā)荷載釋放對地層和地鐵區(qū)間隧道的影響,而僅考慮地下水滲流的影響。1.2 滲流計算結(jié)果及其分析      為分析地下水三維滲流及隧道變形計算結(jié)果,建立如圖3所示的分析點、線示意圖。      圖4為橫向分析線B水位下降曲線。從滲流場計算結(jié)果可知,該基坑施工在區(qū)間隧

7、道附近誘發(fā)的最大水位下降約為2m。     08-12-16 09:48:00     編輯：studa0714      另外,對強風化砂巖實測滲透系數(shù)放大100倍,即2×10-5m/s進行了三維滲流計算,此時基坑施工在區(qū)間隧道附近誘發(fā)的最大水位下降約為4m。 1.3 隧道變形計算結(jié)果及其分析      根據(jù)區(qū)間隧道變形計算結(jié)果可知:區(qū)間隧道最大變形部位發(fā)生距離地鐵車站北端約20m處,且下行線隧道變形量大

8、于上行線,其中下行線隧道最大豎向位移為4.9mm,上行線隧道最大豎向位移為4.3mm。2 管片環(huán)受力與縱縫張開量2.1 計算模型及參數(shù)取值      水位下降導致作用在管片環(huán)外壁的有效壓力增大,水壓力減小。圖5示水位下降導致管片環(huán)外壁的壓力增量。其中為地下水重度,H為水位下降深度,K0為靜止土壓力側(cè)向系數(shù),可根據(jù)砂土的有效內(nèi)摩擦角確定,取值為0.59。      為計算水位下降與管片環(huán)變形和接頭張開量之間的關(guān)系,建立管片環(huán)實體計算模型,如圖6所示。在模型中充分考慮了縱、環(huán)縫止水條及縱、環(huán)向螺栓的

9、影響,如圖7所示。并在管片環(huán)外側(cè)設(shè)置1m厚的土體,采用接觸分析考慮土體對管片環(huán)的地層抗力作用,計算時通過將土體的彈性模量進行折減以反映土體的擾動。2.2 計算結(jié)果及分析      圖8為水位下降2m時管片環(huán)的三維變形,變形放大120倍。圖9為水位下降與管片環(huán)接頭縱縫最大張開量關(guān)系曲線。根據(jù)管片環(huán)三維變形計算,管片環(huán)兩側(cè)腰部位外側(cè)張開,且水平方向變形略大于垂直方向變形。因此,水平方向收斂位移成為控制管片環(huán)縱縫張開量的主導因素。水位下降2m時管片環(huán)接頭縱縫最大張開增量可控制在0.13mm,為接頭縱縫張開總控制量3mm(廣州地鐵總公司提供)的4.3%

10、。3 結(jié)論及建議      采用流固耦合模式,計算了基坑施工地下水三維滲流場和區(qū)間隧道變形,分析了水位下降對管片環(huán)接頭縱縫張開量的影響,得到以下結(jié)論:      1)基坑施工誘發(fā)的最大水位降約為2m。2)基坑施工由于地下水滲流誘發(fā)區(qū)間隧道的最大沉降為5.6mm,且下行線隧道大于上行線。      3)水位下降2m時管片接頭縱縫最大張開增量為其控制總量3mm的4.3%。      4)管片環(huán)側(cè)腰部位外側(cè)張開,且水平方向位移大于垂直方向位移。      5)若按縱縫控制總量3mm的38%富余計算,則管片環(huán)的水平方向收斂位移控制量為16.6mm。      鑒于地下結(jié)構(gòu)工程中存在著諸多的不確定因素,特別是區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)目前的受力和變形狀態(tài)不明確,因此,為確保地鐵區(qū)間隧道的安全