拱北明挖隧道超大基坑地基加固方案研究_陈飞飞.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202111052开放科学（资源服务）标识码（OSID）拱北明挖隧道超大基坑地基加固方案研究陈飞飞，李 波（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉430056）摘要：以港珠澳大桥珠海连接线工程拱北隧道明挖段为例，选取 ZK1+350+540 标段建立数值分析模型，讨论基坑满堂加固、隔水层裙边+抽条加固与仅裙边加固法三种方案对明挖隧道地基沉降、地下连续墙变形及围护结构受力特性的影响规律，提出推荐方案。关键词：软弱地层；地基加固；地基沉降；地连墙变形；支撑内力中图分类号：U231+.4文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0201 06 0 引言我国沿海一带软土分布很广且受地下水影响显著，一些特大城市如上海、天津和广州等都处在软土地区。这些城市的地铁或过江隧道，在修建过程及建成后，由于各种原因都会出现纵向沉降变形。国内外学者对如何预测地铁隧道引起地表沉降作了大量的研究工作，得到了一系列预测方法1，这些方法可概括为经验公式法、数值分析法、理论解析法和模型试验法等2。此类研究基本集中在隧道、基坑开挖工程的地表横向沉降槽预估、影响范围估算等领域，对于复杂施工和地质条件下隧道及狭长基坑纵向变形特性及不同加固方式下的地层、墙体变形特性研究不多3-11。本文通过数值模拟研究不同隧道基底加固方案对结构稳定性的影响规律，提出针对不同地段合理的地基加固方案，可为今后类似工程提供参考。1 工程概况港珠澳大桥珠海侧接线公路工程拱北隧道为高速公路双向六车道宽体隧道，中东段穿越拱北、澳门口岸，西段北侧贴近广珠城轨拱北站，隧道沿线周边环境，见图 1。隧道沿线密集分布有重要的地表建筑物及地下管线设施，必须将隧道施工引起的既有建（构）筑物基础和地层附加变形严格控制在规范允许的范围内。拱北海关隧道的地层自上而下为素填土、淤泥、淤泥质土、粗砂、粉质黏土、砾砂、砂质黏性土、全风化-强风化花岗岩等，下卧岩层约在地面以下 3035 m 处。淤泥质土层压缩性大，不适合作为隧道底板的持力层，且其具有高压缩性，对基坑支护稳定性及隧道工后沉降均有较大影响；地表水主要为海水，砂土层具有强透水性，海域基坑施工时，若处理不慎，可能会出现管涌、坑底隆起，影响正常施工。K1K2K线拱北隧道2740 mK3K4珠海接线人工岛粤海国际花园茂盛围R-1700广珠城际轨道拱北站图1隧道沿线周边环境 以海域段 ZK1+350+540 标段为例，基坑深度为 5.309.50 m，基坑宽度为 17.2532.34 m，采用 600 mm 厚地连墙，1 道混凝土撑+（12）道钢支撑的围护型式。地下连续墙厚 0.6 m，混凝土等级为 C30，第一道支撑采用钢筋混凝土支撑，混凝土等级 C30，截面形式为 0.8 m0.8 m。其余支撑采用 609 mm16 mm 的钢管支撑，钢材等级 Q235。地基采用水泥土搅拌桩加固，加固深度 4.0 m，基底浇筑厚300 mm 的 C20 素混凝土垫层。基坑开挖施工工序：场地平整，施工地连墙、冠梁、钻孔桩后进行坑内地层加固，在基坑开挖前施作降水井，确保坑内水位降低到设计要求深度。待围护结构达到设计强度后开挖土体至第一道钢筋混凝土支撑底面，及时架设第一道钢筋混凝土支 收稿日期：2022 06 10基金项目：广东省交通运输厅重大工程项目（科技 201601001）作者简介：陈飞飞（1984），男，江苏启东人。高级工程师，主要从事隧道与地下工程的设计与研究工作。E-mail：。陈飞飞，等：拱北明挖隧道超大基坑地基加固方案研究 201 撑。开挖至第二道支撑底面，设置第二道支撑。逐层开挖至基坑底部，及时施做底板垫层，敷设底板及侧墙防水层，浇筑结构底板、侧墙至支撑下方。待底板达到设计强度后，拆除第二道支撑，浇筑侧墙至第一道支撑下方 0.8 m 处。拆除第一道支撑，浇筑剩余侧墙，待侧墙达到设计强度后两侧分别回填至设计标高。ZK1+350+540 标段平面，见图 2。典型横断面，见图 3。基坑开挖工序，见图 4。采用 3 种不同的基坑加固方案，见图 5。满堂加固深度 5 m，坑底满堂加固；裙边加固深度 5 m，宽度5 m；裙边+抽条加固为裙边3 m，抽条加固3 m，间距 4 m。45ZH45A-450ZH600 m地下连续墙HJD-19拉森U型钢板桩HJD-9冠梁600800八字撑600800杦横撑800800人工岛护岸线ZK1+358.000+380.000+402.000+424.000+446.000+468.000+493.000+515.265+537.243+559.223+581.208左线敞开段终点左线暗埋段起点5500图2ZK1+350+540 标段平面 冠梁600800钢支撑609600厚地连墙钢筋混凝土支撑8008001000抗拔桩（余同）八字撑600800预埋钢板（余同）C20素混泥土垫层798218450（a）暗埋段（b）敞开段钢筋混凝土支撑600600预埋钢板（余同）600厚地连墙钢系杆立柱桩兼抗拔桩格构立柱9452300033639图3典型横断面（单位：mm）第一步第二步第三步第四步第五步第六步整平地面2.5地连墙抗拔桩冠梁整平地面2.5地连墙抗拔桩冠梁钢筋混凝土支撑钢支撑整平地面2.5地连墙抗拔桩冠梁钢筋混凝土支撑整平地面2.5地连墙抗拔桩冠梁钢筋混凝土支撑整平地面2.5地连墙抗拔桩冠梁钢筋混凝土支撑钢支撑地连墙抗拔桩冠梁回填地面4.8右线路面设计标高图4基坑开挖工序 5000地基加固3000300030004000（a）满堂加固（b）裙边加固（c）裙边+抽条加固图5基坑加固方案（单位：mm）2 明挖隧道地基加固技术研究 2.1 计算模型及物理力学参数运用 ABAQUS 软件，分别建立 3 种不同加固方案的计算模型，模拟基坑开挖-支护的整个过程，路基工程 202 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）桩、土采用四节点单元，桩假设为弹性，土体采用弹塑性本构模型。地连墙和周围土体间采用允许相对滑动的接触摩擦模型，桩侧、桩底与周围的土均建立硬接触。ZK1+493 地层物理力学参数，见表 1。表1地层物理力学参数地层厚度/m内摩擦角/（）c黏聚力/kPa-1淤泥11.4 8.9 8.7-2粉黏土 1.7 9.2 24.6-2砾砂 6.233.00-2粗砂 5.531.00-1砾质性黏土 3.1 7.9 30.2-1全风化花岗岩 4.932.0 50.0-2强风化花岗岩32.0100.0 2.2 不同地基加固方案对隧道地基沉降的影响基坑开挖完成以后，随着底板的浇筑完成，基础受到的扬压力会随着地下水位的上升而增大，底板在扬压力作用下会产生一定的上浮隆起，随着拆撑施工以及内衬结构的浇筑，底板的上浮隆起又会下降。底板变形云图，见图 6。坑底变形沿基坑轴线呈对称分布，底板施工完毕以后在扬压力、抗拔桩和自重作用下，产生一定的向上隆起，然后随着后续施工的拆撑和浇筑内衬结构而又会有一定的下降，不同基坑加固方案坑底沉降云图，见图 7。底板 C-D、坑底 E-F 测线位置，见图 8。底板 C-D 测线，随拆撑底板沿横向沉降趋势：由于连续墙的约束作用，底板两端变形小于中部变形，使得底板在扬压力作用下上浮隆起曲线呈凸形；随着拆除支撑、施作结构，基底逐渐加荷，地基压缩量也逐渐增大，围护结构的约束作用越突出，底板因扬压力而产生的最大上浮隆起逐渐减小，并且底板浇筑完成之初，在扬压力作用下底板产生最大的上浮隆起位移。+2.826e04+2.602e04+2.377e04+2.153e04+1.928e04+1.704e04+1.479e04+1.255e04+1.030e04+8.059e05+5.815e05+3.570e05+1.325e05zxy+1.586e03+1.449e03+1.312e03+1.175e03+1.038e03+9.009e04+7.639e04+6.268e04+4.898e04+3.528e04+2.158e04+7.873e055.829e05zxy+1.446e03+1.328e03+1.209e03+1.090e03+9.720e04+8.535e04+7.350e04+6.165e04+4.980e04+3.794e04+2.609e04+1.424e04+2.393e05zxy（a）地基满堂加固方案（b）隔水层裙边+抽条加固方案（c）仅裙边加固方案图6底板完成后底板变形云图 zxy+2.667e051.137e042.540e043.944e045.347e046.751e048.154e049.558e041.096e031.236e031.377e031.517e031.658e03zxy+8.540e04+6.251e04+3.963e04+1.674e046.150e052.904e045.192e047.481e049.770e041.206e031.435e031.664e031.892e03zxy+6.153e04+4.659e04+3.166e04+1.672e04+1.785e051.315e042.809e044.302e045.796e047.290e048.783e041.028e031.177e03（a）地基满堂加固方案（b）隔水层裙边+抽条加固方案（c）仅裙边加固方案图7拆撑完成后坑底沉降云图 EDFC图8C-D、E-F 测线位置 坑底 E-F 测线，底板随扬压力上升及拆撑纵向沉降趋势：底板施工完成后扬压力达到最大时，产生最大的上浮隆起位移，随着拆撑进行，底板纵向隆起位移值不断减小。根据计算结果，满堂加固的效果最好，能够最大程度降低基底土体的渗透系数，大大减小底板所受到的扬压力作用，底板的上浮隆起影响最小；随着拆撑及结构施工的后续进行，底板的隆起值逐渐降低，满堂加固更有下的趋势，根据底板最终位移及相对位移，满堂加固效果好于其他两种加固方案，裙边+抽条效果比仅裙边加固方案好。底板结构施作完成后及拆撑完成后不同地基加固情况下底板隆起变化，见图 9、图 10。0123410505105 m裙边裙边抽条满堂加固5 m裙边裙边抽条满堂加固0246850100150200底板竖向位移/mm底板横坐标/m底板竖向位移/mm底板纵坐标/m（a）横向（b）纵向图9底板结构施作完成后隆起变化 432108.54.50.53.57.55 m裙边裙边抽条满堂加固底板竖向位移/mm底板横坐标/m210120501001502005 m裙边裙边抽条满堂加固底板竖向位移/mm底板纵坐标/m（a）横向（b）纵向图10拆撑完成后底板隆起变化 陈飞飞，等：拱北明挖隧道超大基坑地基加固方案研究 203 2.3 不同加固方案对地下连续墙变形的影响拆撑完成后，地下连续墙的水平变形，见图 11。3 种加固方案下连续墙的变形趋势基本一致。满堂加固的最大位移值 5.14 mm；裙边+抽条加固的最大位移值 6.95 mm；裙边加固的最大位移值8.68 mm，说明满堂加固效果最好，仅裙边加固相对较差。20151050246810满堂加固裙边抽条加固隔水层裙边加固墙体深度/mm水平位移/mm图11拆撑完成后不同地基加固情况下跨中墙体水平变形 满堂加固方案基坑开挖和支护过程中地下连续墙向坑内方向的变形云图，见图 12、图 13。基坑开挖完成后，连续墙向坑内方向的最大变形值8.1 mm，出现在连续墙底部。施工底板、顶板、浇筑内衬及拆撑完毕，向坑内方向最大变形6.92 mm，出现在连续墙底部。连续墙中部 A-B 测线，水平变形随墙体深度的变化，见图 14。+8.100e03+7.342e03+6.585e03+5.827e03+5.070e03+4.312e03+3.555e03+2.798e03+2.040e03+1.283e03+5.252e042.322e049.896e04U1，U2图12基坑开挖后连续墙水平变形云图 U1，U2+6