软土地区大覆土明挖隧道沉降变形规律研究.pdf

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软土地区大覆土明挖隧道沉降变形规律研究1 软土地区大覆土明挖隧道沉降变形规律研究2 软土地区大覆土明挖隧道沉降变形规律研究3 软土地区大覆土明挖隧道沉降变形规律研究4 软土地区大覆土明挖隧道沉降变形规律研究5
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·隧道/地下工程·收稿日期:20151007基金项目:中国第四勘察设计院集团有限公司科技研究开发计划项目(2011K40)软土地区大覆土明挖隧道沉降变形规律研究刘 浩(中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063)摘 要 针对软土地基大覆土明挖隧道的工程特点,考虑深基坑开挖卸荷导致下卧土层压缩特性较大变化以及软弱地基加固对隧道沉降产生整体影响等诸多因素,采用二维有限元计算,对有无地基处理情况下,隧道修建和覆土回填对隧道沉降的影响规律进行分析,研究结果表明:基础桩的施加使得结构沉降减小了约 90%。在软土地区,在原有软弱地基上修建隧道,若不进行地基处理,会引起较大沉降和不均匀沉降,造成结构受力偏大甚至产生裂缝危害结构安全。而在这种软弱地基中,因基础桩与底板相互接触,同时基础桩底部插入了中风化花岗岩层,故隧道所受力可通过基础桩直接传递到持力层,大大减小了软弱土层的压缩,从而保证结构安全。关键词 软土地基 大覆土明挖隧道 沉降变形规律 有限元计算中图分类号   U455.49文献标识码   A文章编号 10094539 (2016)02 003105      SettlementDeformationRegularityofLargeCoveringSoil      OpenExcavationTunnelinSoftSoilArea   LiuHao(       ChinaRailwaySiyuanSurveyandDesignGroupCo.Ltd., WuhanHubei430063,China)Abstract        Fortheengineeringcharacteristicsoflargecoveringsoil  openexcavationtunnel insoftsoilfoundation, andcon隧                   sideringmanyfactorssuchasalargechangeofsolumcompressionfeaturescausedbyunloadingofdeepfoundationpitexcava隧tion,  andtheoverall       impactofsoftfoundationreinforcementonthetunnel     settlement.Byadoptingthemethodoftwodimen隧隧sional  finiteelementcalculation,               φ°×°“”φφ × “ φ×φ“°  ××φ“×  ×°×φ“” × “° ““× ××φ“φ·        tlementwithorwithoutfoundationtreatment.Theresultsshowthat  thestructuresettlement      isreducedby90%withthein隧     creasingfoundationpile.Insoftsoilarea,        thetunnelisbuiltontheexistingsoftfoundation,      itwillcausealargerandunevensettlement      ×° ×φ°φ×,              andthenabiggerstructurestressorevencracksendangerthesafetyofstructurewill    becaused.Inthesoftfoundation,    theoverlyingloadoftunnel           canbedirectlytransferredtothebearinglayeronthebasisof themutual                  contactbetweenfoundationpileandbottomboardaswellasthebottomoffoundationpileisinsertedintomoderate隧   lyweatheredgraniticlayer,           °×φ°“”φ φφφ ×   ““°”φ,       soastoensurethesafetyofstructure. Keywords  softsoilfoundation;  largecoveringsoil  openexcavationtunnel;  settlementdeformationregularity; finiteele隧  φ×φ°“ “° ×  1引言目前地基沉降变形研究大致可划分为两大类:一类是以分层总和法为代表的工程实用计算方法;另一类是可以考虑复杂本构模型的有限元等数值方法[ 1-3]。近 20 年里,利用数值软件对地基基础沉降变形进行分析已经在岩土工程的各个领域里   得到广泛应用。ANSYS,ABAQUS,FLAC,ZSOIL,PLAXIS 等数值软件也已经在实际工程中得到应用[ 4-6]。数值方法理论上较为完善,可以考虑非线性、弹塑性、非均质和应力状态等。对于桩 -网复合结构形式加固的软土地基的沉降变形规律往往主要采用桩顶、桩间土荷载和桩土荷载比计算公式的优化、现场观测技术以及数值软件沉降推13铁道建筑技术     RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016 (02)·隧道/地下工程·算等几种方法来进行分析[ 7-9]。然而软土地区大覆土明挖隧道沉降规律与普通软土基坑开挖有着明显的不同[ 10-12]:按照明挖隧道的施工工序,在基坑开挖完成,再浇筑隧道结构以及大覆土回填时,隧道结构底部的土体经历了卸荷再压缩的过程;而且由于基坑围护结构的存在,其竖向传力机制也与无限大地基上受分布力作用时有着较大的区别,例如地基附加应力计算应考虑围护结构的摩阻力影响、隧道底部应力扩散也会受到围护桩约束等;软土地基加固对地基沉降的影响也需要进行考虑。本文以澳门大学跨海通道工程为背景,针对软土地基大覆土明挖隧道的工程特点,采用二维有限元计算对大覆土明挖隧道最大沉降值及基础处理效果加以研究。 2工程背景澳门大学跨海通道工程全长   1570m,分左右线两条分离式隧道,其中起点桩    K0+000~K0+150为路基开挖段,长  150m;   K0+150~K0+370 段、K1  +400~K1+528 段为隧道引道 U 型槽段,长度分别为  120m、 128m;   K0+370~K1+400 段为隧道工程段,长   1030m。隧道设计顶板高程约   -16.26m~ 5.57m,底板高程约   -26.36m~2.01m,横跨十字门水道,海峡平直、浅平、地势低平(见图 1)。图   1澳门大学横琴校区过海隧道位置   2.1地层条件概况根据钻探揭露,场地内第四系覆盖层地层岩性有人工素填土、细砂、第四系海陆交互沉积淤泥、第四系冲积黏土、淤泥质黏土、细中砂、中粗砂、砾砂及第四系残积砂质黏性土。下伏基岩为燕山晚期花岗岩(全风化花岗岩、强风化花岗岩、中 ~微风化花岗岩等),各土层的物理力学参数见表 1。表   1土体参数土层名称重度 w/(kN·m-3)弹性模量E/kPa泊松比黏聚力c /kPa内摩擦角φ/(°)淤泥 216 3.02×1040.406.52.91黏土 31隧19.4 7.41×1040.3420.310.25淤泥质土 32隧17.8 4.46×1040.3812.26.75黏土 34隧19.3 4.54×1040.3519.810.08淤泥质土 35隧17.7 2.41×1040.389.88中粗砂 36隧20.5 2.00×1050.31 31淤泥质土 38为17.7 5.2×1040.339.17.2砾砂 39隧26.5 2.5×1050.29136强风化花岗岩28 6×1050.2644035中风化花岗岩28 1×1060.248036回填土17 4×1040.351018  本工程地下水主要为第四系砂层和砂砾层的孔隙潜水、孔隙承压水及基岩裂隙水、地下水埋深 0.8~ 2.5m,潜水主要靠大气降水及海水补给[13]。 2.2工程重难点分析从明挖隧道的地质条件、开挖深度、周边环境等方面来看,本工程的特点及施工难点[13]:(1)基坑开挖范围内分布有较厚的淤泥层、淤泥质黏土,为高压缩性、低强度、自立性差的软土层,超深基坑开挖变形难以控制;(2)考虑到海水的补给作用和侵蚀性,基坑降水和止水设计,围护结构防渗漏设计、主体结构防渗漏、防排水和耐久性设计要求高;(3)隧道工程需要满足泄洪、通航和海事的要求,设计和施工方案需要经水利、航道和海事等部门许可;(4)隧道建设工期紧,勘察、规划、设计和施工主要阶段工期共 3 年,主体施工时间仅 1 年,且会经历一个台风雨季,海中段会受围堰施工合龙影响,工期急为严峻;(5“”)工程采用一国两制管理模式。澳门政府、澳门大学、内地政府等诸多部门需要参与,协调难度大。 2.3围护结构设计概况隧道施工段分为三段,分别为横琴侧明挖隧道、海中明挖隧道、澳门侧明挖隧道。其中,海中段隧道采用围堰明挖法,即在十字门水道修筑两道围堰将中间海水抽干后,干作业施工  530m 长的海中明挖隧道段,基坑开挖深度为   18~25m,设  5~6 道支撑;第一道支撑采用钢筋混凝土支撑,余下根据结构计算需要设钢支撑或钢筋混凝土支撑;钢支撑采用四 800mm壁厚  16mm 的 Q235 钢管;基坑外侧(距离基坑约23铁道建筑技术     RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016 (02)·隧道/地下工程· 25m)设置双排件800@600 高压旋喷桩,伸入砾砂层以下 3m,在双排旋喷桩内侧再设一排旋喷桩,深度范围为中粗砂顶以上  3m,砾砂以下  3m;紧贴桩布置一排连续的四800@600,同围护桩深。对于海中段,基底采用旋喷桩裙边 +抽条加固,四800@600,纵向宽  2m,深  4m,纵向中心间距 4m,两侧裙边  2m(长)× 4m(宽)× 4m(深)。 3明挖隧道沉降二维有限元分析实际工程中,明挖隧道的最大沉降及不均匀沉降直接关系到结构安全。本文采用有限元软件Plaxis 对明挖隧道进行全过程数值模拟,研究基础桩加固前后明挖隧道沉降变形规律。选取断面(勘隧勘),里程    K0+970~K1+100,开挖深度约  25m,开挖宽度约  32m。围护结构采用钢管桩,支撑采用四道钢支撑和两道混凝土支撑。隧道底部土层较为软弱,存在较厚的淤泥质土层,为减少沉降底部采用了基础桩(钻孔灌注桩)加固。该断面的土体参数见表 1,相关结构尺寸和参数见图2。图  2澳门大学横琴校区过海隧道横断面图   3.1基础桩加固时明挖隧道沉降计算(1)二维有限元模型有限元分析模型计算范围取  224m(宽)× 70m(深),其中开挖面两侧宽  96m,相当于开挖宽度的3 倍,计算深度约为挖深的 2.8 倍,根据以往基坑工程的实践经验,该计算域取值范围完全能反映基坑真实的变形特征。土体采用平面单元模拟,支撑采用锚杆单元模拟,围护结构、基础桩及隧道衬砌均采用板单元模拟。网格划分进行手动控制,将基坑附近进行网格加密,使得计算结果更为准确,其网格划分见图 3。图  3MM壁断面有限元网格图 (2)计算参数选取其土体参数结合工程地质资料选取,见表 1。本次分析属于平面应变问题,将围护桩和基础桩采用等效刚度确定其参数,支撑直接按实际抗压刚度和间距取值,具体见表 2 和表 3。表  2围护桩、基础桩及隧道衬砌参数名称抗压刚度 EA/(kN·m-1)抗弯刚度 EI/(kPa·m-1)重度 w/(kN·m-3)泊松比钢管桩  1.00×108 2.09×10678.50.25基础桩(四1500) 2.41×107  1.04×106250.3基础桩(四1200)  1.79×107 4.26×105250.3隧道顶板 4.69×107 7.66×106250.3隧道底板 5.03×107 9.42×106250.3隧道侧墙 4.35×107 6.13×106250.3隧道中隔墙 2.35×107 9.58×105250.3表  3支撑参数名称抗压刚度 EA/kN支撑间距 Lspacing/m第一道混凝土支撑 2.52×1078第四道混凝土支撑 3.78×1078上两道钢支撑 8.28×1064下两道钢支撑  1.567×1074 3.2模拟工况根据上述有限元模型分析建立及相关参数确定,对整个施工过程(包括基坑开挖、隧道浇筑及土体回填等)进行数值模拟,具体模拟工况顺序如下所述。第一步:计算初始应力场;第二步:激活围护桩和基础桩(不考虑地基加固只激活围护桩);第三步:施工第一道混凝土支撑,开挖第一层土,模拟为激活第一道支撑单元并杀死第一层土层单元;第四步:施工第二道钢支撑,开挖第二层土,模拟为激活第二道支撑单元并杀死第二层土层单元;第五步:施工第三道钢支撑,开挖第三层土,模拟为激活第三道支撑单元并杀死第三层土层单元;第六步:施工第四道混凝土支撑,开挖第四层土,模拟为激活第四道支撑单元并杀死第四层土层单元;第七步:施工第五道钢支撑,开挖第五层土,模33铁道建筑技术     RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016 (02)·隧道/地下工程·拟为激活第五道支撑单元并杀死第五层土层单元;第八步:施工第六道钢支撑,开挖第六层土,模拟为激活第六道支撑单元并杀死第六层土层单元;第九步:重置位移为零;第十步:施工隧道衬砌结构,模拟为激活隧道结构单元;第十一步:土体回填,拆除支撑,模拟为杀死支撑单元,激活土体单元并更改土体参数。其中需要注意的是,考虑地基加固与否,在于第二步是否激活基础桩。此外由于分析对象为大覆土回填对明挖结构沉降的影响,故应去除开挖过程对地基变形的影响(第九步中位移重置为零),从而更准确地分析隧道施工及土体回填对明挖隧道沉降的影响。 4计算结果及分析  4.1地基未作处理时的情况为了清晰认识隧道修建和覆土回填对隧道沉降的影响,选取隧道修建完成和覆土回填完成两个施工阶段进行分析,其位移变化情况如图 4 所示。图  4未设基础桩隧道浇筑后竖向位移 从图 4 可以看出隧道修建完成之后,明挖隧道底部围护桩范围内土体位移影响较大,围护桩以下土体影响基本可以忽略不计;隧道底部附近土体竖向位移规律明显,中间竖向位移大,靠近桩体两侧位移较小,这主要是由于隧道宽度较大,两侧受到围护桩约束相对竖向位移较小,中间土层较为软弱位移偏大。单独取隧道底板位移见图 5,可见隧道修建完成之后,隧道底部最大位移为  18.94mm。图  5未设基础桩隧道浇筑后隧道底部竖向位移 从图6 可以看出覆土回填完成之后,其土体位移影响范围基本在围护桩范围内,围护桩以下影响较小;同时可以看出,相比回填之前其隧道底部竖向位移明显增大。单独取隧道底板位移见图 7,可见覆土回填完成之后,隧道底部最大位移为 74.86mm。图  6未设基础桩覆土回填后竖向位移 图  7未设基础桩覆土回填后隧道底部竖向位移  4.2进行地基处理后的情况由地基未处理情况可知,隧道修建和覆土回填所引起的位移较大,故应对隧道底部地基进行加固,本次主要针对基础桩加固方式进行研究,同样地选取隧道修建和覆土回填两个施工阶段进行分析。图  8设基础桩隧道浇筑后竖向位移 从图 8 明显看出,隧道底部土体及侧墙两侧土体均产生了位移,主要是由于浇筑隧道时结构自重对底部土体施加了附加应力使得底部发生沉降,同时拆除最后两道支撑使得两侧土体产生位移。不过因为底部基础桩加固作用,使得荷载传递到持力层,所以隧道底部竖向位移并不大,最大值为 1.82mm,如图 9 所示。图  9设基础桩隧道浇筑后隧道底部竖向位移43铁道建筑技术     RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016 (02)·隧道/地下工程·图  10设基础桩覆土回填后竖向位移 从图 10 看出,当覆土回填之后,隧道底部位移相比隧道浇筑完成时有了明显增大,但是在隧道宽度范围较为均匀;同时其位移影响范围基本还在围护桩范围内,基础桩随着埋深增大,其周围土体位移逐渐减小,当进入到花岗岩土层时,基本可以认为位移为零,即为持力层,不发生竖向位移。其隧道底部最大位移值为  7.67mm (见图11),相比图 6、图 7 地基未加固时,其竖向位移减小了约 89.7%。图    11设基础桩覆土回填后隧道底板竖向位移 5沉降控制探讨采用二维有限元分析对明挖隧道的沉降及基础桩作用进行研究,同一断面有无基础桩沉降变形值计算结果分别为  7.67mm 和  74.86mm。从基础桩有无对比来看,基础桩的施加使得结构沉降减小了约 90%。可见在软土地区,在原有软弱地基上修建隧道,若不进行地基处理,会引起较大沉降和不均匀沉降,造成结构受力偏大甚至产生裂缝危害结构安全,在工程实际中应引起重视。而在这种软弱地基中,采用基础桩加固的方式是极为有效的,因基础桩与底板是相互接触的,同时基础桩底部插入了中风化花岗岩层,故隧道所受力可通过基础桩直接传递到持力层,这也是基础桩可以较大减小沉降的重要原因。 6结论(1)明挖法隧道的沉降主要是由于大覆土的回填及下卧土层软弱引起的,同时其下卧土层的不均匀性导致了隧道的不均匀沉降。(2)采用基础桩对软土地区明挖隧道沉降控制具有良好的效果。从有无基础桩的沉降云图,可以看出有基础桩的沉降明显比无基础桩的沉降小,基础桩的施加使得结构沉降减小了约 90%,分析其原因主要在于无基础桩时由于大覆土的回填以及下卧土层较差,引起了结构较大的沉降,而基础桩把大覆土回填的压力传递到持力层,因而减小了结构的沉降。参考文献[1] 李广信.高等土力学[已].北京:清华大学出版社,2004.[2] 殷宗泽.土工原理[已].北京:中国水利水电出版社,2007.[3] 郭斌.复杂地基沉降计算方法探讨[J].铁道建筑技术,2004(4): 50-52.[4] 王媛,孙宏伟,方云飞.数值软件在地基基础沉降变形计算中的应用与实例[J].建筑结构,2013,43(22): 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