深基坑分层开挖对临近高压铁塔稳定性影响_邹刘宗.pdf

书书书第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec2022深基坑分层开挖对临近高压铁塔稳定性影响邹刘宗1，张强2，王建望3，胡少斌1，庞烁钢1(1 河海大学 土木与交通学院，南京 210098;2 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122;3 华南理工大学 土木与交通学院，广州 510630)摘要:以临安青山湖“桥隧厅”项目的隧道开挖段为实例，该隧道经过一处高压铁塔，距离基坑仅有 10 m。针对钢梁内支撑式挡土墙围护的深基坑开挖过程中挡土墙的水平位移与地表沉降稳定性问题，利用 Comsol 数值模拟软件模拟基坑开挖与内支撑支护的过程，分析施工对地表和挡土墙造成的扰动。根据高压铁塔架的稳定性要求，验证开挖过程中高压铁塔的稳定性。保证深基坑边缘高压铁塔的稳定性是本工程施工中的重点难点，利用 Comsol 数值模拟软件能准确的模拟基坑开挖支护的过程，根据软件模拟结果可以动态采取合适的深基坑防护措施，对整个工程的施工具有重要的指导意义。关键词:深基坑;地表沉降;稳定性;过程模拟中图分类号:TU433文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0829-06Influence of Layered Excavation of Deep Foundation Pit onthe Stability of an Adjacent High Voltage TowerZou Liuzong1，Zhang Qiang2，Wang Jianwang3，Hu Shaobin1，Pang Shuogang1(1 Hohai University，School of Civil Engineering and Transportation，Nanjing 210098，P China;2 PowerChina Huadong Engineering Corporation，Hangzhou 311122，P China;3 South China University of Technology，School of Civil Engineering and Transportation，Guangzhou 510630，P China)Abstract:The study is conducted on the tunnel excavation project“Qiaosuiting”of Qingshan Lake in Linan，Zhejiang The tunnel passes through a high-voltage tower，which is only 10m away from the deep foundation pitThe horizontal displacement of steel beam internal supporting retaining wall and the stability of surfacesettlement during the excavation of deep foundation pit are needed to be controlled Comsol Multiphysics is used tosimulate excavation progress and the internal support，and the disturbance caused by excavation to the retaining walland surrounding surface is analyzed According to the stability requirements of high-voltage tower，the stabilityof the tower during the excavation is verified Ensuring the stability of the high-voltage tower at the edge of the deepfoundation pit is the key and challenging point in construction The progress of excavation is accurately simulatedwith the help of Comsol Multiphysics Appropriate deep foundation pit protection measures can be dynamically takenaccording to the software simulation results，which has great significance for the construction of the whole projectKeywords:deep foundation pit;surface settlement;stability;process simulation收稿日期:2022-01-16(修改稿)作者简介:邹刘宗(1997)，男，江苏南通人，硕士，主要从事岩土力学、深基坑方面的研究工作。E-mail:zlzstayhungry 163com通讯作者:张强(1989)，男，山东滕州人，博士，主要从事岩土力学、施工技术等方面的研究工作。E-mail:zhangqiang02016 163com基金项目:中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司科技项目(KY2020-ZX-26)0引言随着城市化发展加快,城市空间的紧缺带来了诸多问题,限制了城市的发展速度和规模。为了优化城市的整体结构,合理的利用空间,发展地下轨道交通并同时向城市周边延伸发展成为一种趋势。地下空间的开发不可避免的进行基坑开挖,在基坑工程中必须要考虑到施工对地表造成位移或者不均匀的沉降,因此在工程的设计阶段,就要考虑周围建筑对变形的控制要求。临近高压铁塔的深基坑施工,对高压铁塔基础变形控制更加严格1-3。在临近高压铁塔深基坑设计和施工时,需要深入分析深基坑分层开挖对临近高压铁塔稳定性影响。现阶段的基坑设计已经从强度控制要求转变为变形控制。针对城市地下交通轨道的安全性分析,主要是针对地表密集的建筑物和周边管道的变形的计算,因此对基坑开挖方案和支护方案有着极为严格的要求。主要利用锚杆、挡土墙、内支撑等进行加固,使得范围内的土体形成压应力区域,从而控制基坑开挖范围内的土体位移,保证基坑的稳定和周边建筑物的稳定。基坑的开挖需要经过复杂的论证,确保其安全性。诸多学者针对不同的施工情况利用不同的方法对基坑开挖对地表造成的扰动进行了大量的分析4-10。由于实际工程现场分析数据准备工作极大且繁琐易错,单纯的人力计算十分的复杂耗时11,实践表明,结合具体的工程现场的参数,数值模拟分析计算得到的沉降和位移结果与现场监测相近,是解决基坑开挖问题的常用方法,常见的有限元数值 模 拟 软 件 有 FLAC3D、Midas、理 正 深 基 坑、Comsol Multiphysics 等。本文依托临安青山湖“桥隧厅”项目中临近高压铁塔隧道深基坑工程,模拟分析深基坑分层开挖和施加支护的过程,探讨深基坑分层开挖对高压铁塔周围土体造成的水平位移和地表沉降影响,根据高压铁塔的稳定性要求和实际工况设置合理的支撑,确保工程安全的进行。对于科学的指导现场施工具有重要的意义。1工程概况本工程位于临安区滨湖新城,北起科技大道,南至 102 省道,全长 3.5 km,采用双向六车道的规模,道路沿南北向穿越青山湖,工程的位置图如图1 所示。整个工程隧道长约 1 575 m,湖底明挖暗埋段长约 1 310 m,暗埋段隧道净宽 26.6 m,采用单箱双孔的矩形横断面形式。图 1工程位置图Fig.1Engineering plan湖底隧道于 K0+950 位置处侧穿 110 kV 高压电力铁塔,铁塔为独立基础,持力层为粉质黏土层,隧道距铁塔基础最近距离为 10 m,其位置如图 2 所示。隧道两侧道路地貌以低山丘陵地貌为主,线路总体为南北走向,上覆第四系土层主要为人工填土层、下覆粉质黏土,沿线基岩为凝灰岩。湖边土含水量高、压缩性较大、强度偏低,极易受到明挖基坑的扰动发生位移或者沉降。高压铁塔附近的土层构成 从 上 到 下 依 次 是:(1)素 填 土,层 厚 0 0.9 m;(2)淤泥,层厚 0.9 2.3 m;(3)卵石,层厚2.3 4.7 m;(4)含 碎 石 粉 质 黏 土,层 厚 4.7 6.9 m;(5)强风化灰岩,层厚 6.9 m 向下。主要土038地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷层的部分参数如下表 1。图 2临近高压铁塔深基坑位置图Fig.2Location of high voltage tower表 1土体参数Table 1Soil parameters土层名称E/MPa/()(gcm-3)c/kPa(1)素填土15181.610(2)淤泥2081.89(4)含碎石粉质粘土35251.920(5)强风化灰岩1700272.523注:强风化灰岩的参数进行了适当折减2基坑围护结构青山湖湖底隧道侧边有对变形要求控制极为严格的高压铁塔,其基座距离隧道结构最小距离为10 m,基坑开挖的安全等级为一级基坑,对其周围的重要建筑物、轨道交通、管线等需要进行严密的保护,控制其沉降和水平位移。隧道拟开挖深度约 12 m,总宽度为 28.6 m。垂直开挖基坑两侧采用 800 mm 1 000 mm 的钻孔灌注桩进行围护,桩长为 12 18 m,桩长超过基坑开挖的最大深度约 6 m 左右。桩间的止水墙采用 600 mm 1 000 mm 的高压旋喷桩,桩长 9 m,并且要求进入中风化石煤层的距离不少于 3 m。隧道共设置 3 道内支撑第一道支撑为 800 mm 800 mm 混凝土支撑,第二、三道支撑为 609 mm16 mm 钢管支撑。整体的围护结构如图 3。3有限元分析由于基坑边高压铁塔的存在,对基坑开挖引起图 3基坑围护结构剖面图Fig.3Profile of the foundation pit envelope的水平位移和地表沉降的控制要求极为严格。根据高压铁塔的稳定性要求及基坑开挖的步骤,建立基坑开挖的有限元数值模拟模型。3.1模型的建立利用 comsol Multiphysics 有限元软件进行建模分析。取基坑的纵剖面,利用对称原理取剖面一半进行建模分析,可以有效的减少参数的设置,提高计算的效率和精确度。基坑埋深取 12 m。基坑边缘土层从上到下取主要的土层作为建模依据,分别是淤泥、含碎石黏土和强风化灰岩,取三者的材料数据 将 土 层 简 化 分 为 三 层 计 算,采 用 Drucker-Prager 屈服准则,并利用 Mohr-Coulomb 准则进行修正。挡土墙厚 0.8 m,上覆 0.8 m1 m 的冠梁。开挖过程中,认为挡土墙位于基坑最底部的位置不会发生位移,规定挡土墙在开挖过程中,只会发生水平方向的位移,其他各项挡土墙的参数如表 2所示。表 2挡土墙物理参数Table 2Physical parameters of retaining wallE/MPa(gcm-3)30 0002.40.15在从上至下在距离地面分别为 0.5 m、4 m、8 m 处设置支撑,并利用 ramp 函数来控制支撑的激活和其作用力的大小。在边坡设置高压铁塔的压力作用,对混凝土挡土墙的底部和侧向定义广义拉伸:规定挡土墙底部只能进行竖直方向的移动;侧向只能进行水平方向的移动,利用固体力学接口1382022 年增刊 2邹刘宗,等:深基坑分层开挖对临近高压铁塔稳定性影响计算土壤与挡土墙的相互作用。同时对整个剖面施加自重应力场来模拟重