南京长江隧道工程非稳定渗流基坑变形分析

非稳定渗流基坑变形分析裴利华(铁道第四勘察设计院，武汉430063)摘要：本文以南京长江隧道工程为背景，研究了深基坑工程在非稳定渗流作用下，基坑中渗流场的变化规律以及在渗流作用下，桩体的最大水平位移、桩后的地表沉降以及坑底隆起的变化规律进行了研究，对工程具有一定的实际价值关键词：非稳定，渗流，基坑，桩体，沉降1.工程概况南京市地处我国东西水运大动脉长江与南北陆运大动脉京沪公路及京沪铁路的交汇点，素有“东南门户，南北咽喉”之称。河道呈南南西一北北东向展布，江面宽一般2.0～3.0公里，两侧高漫滩发育。沿岸地区河网发育。过江通道场地地形地貌为长江冲积平原区，地貌自设计方案起点，向长江水域至方案终点，由长江高漫滩渐变为长江低漫滩，再为长江水域，后为江心洲（梅子洲）。K2+000m～K2+890m为长江堤外高漫滩，现为农田及渔塘；K2+890m～K3+760m为堤内高漫滩，现为树林及苗铺地，由目前的长江大堤保护；K3+760m～K4+275m为堤内低漫滩，临近长江水域，枯水期裸于地表，丰水期被江水淹没，勘察时露出成为洲（九袱洲），将长江分为主江和北汊江，地表为砂性土，地形微向长江倾斜；K4+275m～K6+336m为长江水域，流向近北北东向；K6+336m～K6+790m为梅子洲，梅子洲把长江分为左汊（主江）、右汊，左汊深弘靠近右岸，水下地形呈不对称“V”型，南坡陡，平均坡角12°；北坡缓，平均坡角2°，岩性主要为细砂，近主江右岸江底有大量人工抛石。K8+060m～终点K8+130m为堤内高漫滩。南京长江隧道工程全长3837m，双向6车道，主要由江北岸边段、江北工作井、江中盾构段、梅子洲工作井及梅子洲岸边段组成。2.问题的提出近年来，基坑支护结构上的水土压力的计算越来越受到重视。其中一个主要的原因是由于地下水引发的工程事故不断发生。据统计，由于水引发的工程事故约占21.4％。这充分说明水是导致深基坑工程事故的重要因素。深基坑工程中，地下水的渗流将会使基坑周围形成较大的降水漏斗。随着开挖的进行，地下水自由面不断下降，从而使坑外土体的有效应力增加，墙后土体将发生不均匀固结沉降。深入研究基坑工程的渗流场特性以及研究考虑渗流效应的土体变形分析方法，具有十分重要的理论意义和实践价值。3．非稳定渗流基本方程式水在土体孔隙中的流动，由于土体孔隙的断面大小和形状十分不规则，因而是一个非常复杂的现象。目前，岩土工程中研究渗流的数值方法有：有限差分法、有限元法和边界元法等，有时将后两种方法耦合求解。其中，有限单元法对边界适应性好，精度高，能够使计算法则和程序标准化等优点，现已被广泛采用，是一种求解复杂渗流问题的较好方法。因而更适用于基坑工程的渗流分析。考虑土和水的压缩性，符合达西定律的二维非均质各向异性土体渗流，其水头函数所满足的基本方程为：xyshhhkkSxxyyt⎛⎞∂∂∂∂∂⎛⎞+=⎜⎟⎜⎟∂∂∂∂∂⎝⎠⎝⎠(1-1)初始条件：(,,)(,)hxyhxy=00边界条件：水头边界1(,,)Γ=hhxyt流量边界2(,,,)Γ∂=−∂nhkqhxytn作者简介：裴利华（1980－），男，湖北天门人，主要从事隧道设计与研究工作。式中：h=h(x、y、t)为待求水头函数；xk、yk是以x、y轴为主轴方向的渗透系数；)(βαρngSs+=称为单位贮水量（尺度1/l），这里的α和β分别为土和水的压缩系数；ωγρ=g为水的重度。1Γ为第一类边界，如上、下游水位边界面和自由渗出面等已知水头边界；2Γ为不透水边界面和潜流边界面等第二类边界（已知流量边界）。当不考虑水和土压缩时，0=sS，则式(1-1)变为：0)()(=∂∂∂∂+∂∂∂∂yhkyxhkxyx(1-2)这就是平面恒定渗流的微分方程。当结合变动的自由面边界情况后，就可解非恒定渗流问题，与式(1-1)比较仅在于未考虑土及水的压缩性。4．工程分析江北明挖段主要经过4号土层，即淤泥质粉质粘土层，本文选取江北明挖段JB11节这一典型断面对深基坑在渗流水的作用下，基坑的变形稳定规律作一分析。该断面处基坑宽32.5m，基坑深11.6m，采用600mm厚地下连续墙围护，墙深22.5m，共设有四道支撑，第一、三道为钢筋混凝土支撑，第二、四道是直径为609，壁厚16mm的钢支撑，第一道支撑截面为800*600mm(宽*高)，第二道支撑截面为1200*1100mm(宽*高)，施工的基本工序为：1)开挖至地面下1.5m，在0.2m处加800*600(宽*高)的混凝土支撑；2)继续开挖至地面下4.6m，在3.1m处加φ609的钢支撑；3)继续开挖至地面下8m，在7m处加1200*1100(宽*高)的混凝土支撑；4)继续开挖至基坑底，在9.1m处加φ609的钢支撑；5)施作底板(1300mm)及侧墙（600mm），并依次拆除各道支撑；在各级开挖时，地下水均降至开挖面以下2米。各级降水引起的基坑中渗流场的变化如下图中所示；图中单位为m图一第一级降水引起的渗流场水头势图图二第二级降水引起的渗流场水头势图图三第三级降水引起的渗流场水头势图图四第四级降水引起的渗流场水头势图从图中可以看出：墙后等势线分布较疏，墙前的等势线分布较密，可见，离墙越近，水力梯度越大；在墙后附近，地下水渗流方向向下，产生向下的渗流力，使土体加密，地下水绕过防渗体流向基坑底部时，流线基本上是垂直向上的，产生向上的渗流力，在防渗体下端附近等势线明显变密，说明地下水在此处有较高的流速，水力梯度较大。各级开挖工况下桩体的水平位移如下图五～图七所示：无渗流有渗流图五第二级开挖引起的桩体水平位移图无渗流有渗流图六第三级开挖引起的桩体水平位移图无渗流有渗流图七第四级开挖引起的桩体水平位移图从图中可以看出：1）桩体皆发生向基坑内的位移，是因为开挖释放荷载所引起。各级的水平位移随深度的变化规律相同，皆表现为首先随深度变大，达到一个最大点后，又逐渐变小，这是由于支撑的作用所致；2）在考虑渗流力的作用下，桩体的最大水平位移比不考虑渗流力时要大；在考虑渗流力的作用下，各级开挖工况下桩后的地表沉降如下图八～图十一所示：图八第一次开挖引起的地表沉降和坑底隆起图图九第二次开挖引起的地表沉降和坑底隆起图图十第三次开挖引起的地表沉降和坑底隆起图图十一第四次开挖引起的地表沉降和坑底隆起图从图中可以看出：1)随着离开桩体距离的增加，地面沉降逐渐增加，当达到某一个较大值后，又随着远离桩体，沉降又逐渐减小。2)随着离开桩体距离的增加，基底隆起值逐渐增加，在基坑中心处隆起值最大5．结语本文以南京长江隧道工程为背景，研究了深基坑在渗流作用下，桩体的最大水平位移及桩后地表沉降的变化规律，对工程具有一定的实际价值。参考文献：[1]裴利华有自由面的三维非稳定渗流研究及工程应用，硕士学位论文，河海大学，南京，2005，3[2]王媛裂隙岩体渗流及其与应力的全耦合分析，博士学位论文，河海大学，南京，1995，6[3]郭洪兴三维非稳定渗流计算中有限截止负压法的研究及应用，硕士学位论文，河海大学，南京，1997，3[4]DesaiCS.Anumericalprocedureforthree-dimensionaltransientfreesurfaceseepage[J].Adv.WaterResources,1983,9(6):175-181[5]毛昶熙渗流计算分析与控制，水利电力出版社，1988，12[6]张有天，陈平，王雷，有自由面渗流分析的初流量法，水利学报，1988，（8）[7]万吉、汪自力瞬态有自由面渗流分析的不动网格－高斯点有限元法大连理工大学学报1991，09Vol.31No.5[8]长江南京上游过江通道浦口试验段岩土工程勘察报告江苏省地质工程勘察院