張治國，奚曉廣，吳 玲

(1.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2.巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心， 湖北 武漢 430074；3.桂林理工大學(xué)廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室，廣西 桂林 541004；4.中建三局第二建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

基坑施工會引起周圍土體應(yīng)力場的改變，對鄰近地下結(jié)構(gòu)造成影響，特別是在上海等軟弱土層地區(qū)。針對基坑開挖導(dǎo)致鄰近地下隧道變形的問題，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者采用簡化理論方法、數(shù)值分析方法以及現(xiàn)場監(jiān)測方法進行了研究。在簡化理論方法研究方面，黃栩等[1]對基坑內(nèi)土體卸荷所造成的下臥隧道變形進行分析，得出Kerr模型相對于Winkler模型與Pasternak模型更具有優(yōu)勢。Huang等[2]結(jié)合具體工程建立有限元模型，得到了基于彈性理論基礎(chǔ)的隧道回彈預(yù)測的半經(jīng)驗公式。謝雄耀等[3]分析上海某分區(qū)分塊開挖基坑對下方電力隧道變形的影響，結(jié)果表明MJS工法對控制土體變形具有良好效果。周澤林等[4]對層狀地基中基坑開挖對鄰近隧道的影響進行了研究，并將理論計算結(jié)果與試驗和工程實測數(shù)據(jù)進行對比驗證。

在數(shù)值分析方法方面，初振環(huán)等[5]采用平面應(yīng)變滲流耦合有限元法，對緊鄰地鐵盾構(gòu)隧道超深基坑設(shè)計方案進行了計算分析。黃兆緯等[6]研究得出地鐵上蓋基坑施工會導(dǎo)致鄰近地鐵隧道變形的結(jié)論。左殿軍等[7]采用ABAQUS軟件模擬了基坑施工對既有隧道的變形影響。胡海英等[8]采用數(shù)值模擬方法并結(jié)合現(xiàn)場實測綜合分析了基坑施工對鄰近既有隧道變形的影響，結(jié)果表明基坑開挖會對隧道產(chǎn)生卸荷或加荷的影響。劉濤等[9]對攪拌樁施工引起地鐵隧道豎向變形進行了分析。Sharma等[10]研究得出襯砌剛度能夠顯著影響隧道的位移與變形。張俊峰等[11]結(jié)合實際施工監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)編制的單純形反分析程序，采用有限元方法，預(yù)測了基坑開挖最終引起的隧道隆起量。

在現(xiàn)場監(jiān)測研究方面，Shi等[12]對上海地區(qū)某三角形基坑施工導(dǎo)致既有地鐵隧道變形的問題進行了研究，發(fā)現(xiàn)隧道明挖法開挖與盾構(gòu)法開挖交界處產(chǎn)生最大角變形。鄭剛等[13]等通過對實測數(shù)據(jù)進行分析，得出分塊開挖、分段壓載對于減小基坑開挖所導(dǎo)致的既有隧道變形有良好效果。Chang等[14]對基坑開挖導(dǎo)致的鄰近地鐵隧道管片脫落事故進行了分析。魏綱等[15]對杭州市某基坑施工導(dǎo)致的既有地鐵隧道變形問題進行了研究，得出樁基施工階段隧道變形主要表現(xiàn)為豎向下沉，基坑開挖階段隧道變形主要表現(xiàn)為上浮與水平向收斂。張立明等[16]基于工程實測數(shù)據(jù)，針對基坑分區(qū)開挖對于鄰近地鐵結(jié)構(gòu)位移的控制效果進行了分析。

綜上，目前基坑開挖誘發(fā)周邊鄰近隧道變形的研究成果主要集中在對城鎮(zhèn)地區(qū)地鐵隧道位移影響規(guī)律的分析上，而關(guān)于基坑開挖對鄰近大直徑越江隧道影響的研究較少。本文以鄰近上海市西藏南路越江隧道(直徑為11.36 m，約為普通地鐵隧道直徑的2倍)的綠谷一期基坑工程為依托，建立有限元數(shù)值模型，分析基坑分區(qū)與不分區(qū)開挖對地下連續(xù)墻位移和既有越江隧道收斂變形的影響。然后根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，將地下連續(xù)墻變形與隧道收斂變形結(jié)合起來進行考慮，研究基坑分區(qū)開挖下既有隧道和地下連續(xù)墻的變形規(guī)律。

1 工程概況及監(jiān)測方案

綠谷一期工程位于上海市浦東高科西路、博成路、白蓮涇路以及規(guī)劃道路合圍地塊?；有螤顬椴灰?guī)則矩形，南北寬約150 m，東西長約220 m，基坑總面積約為32 000 m2，平均開挖深度約為15 m?；A(chǔ)底板厚度為1 000 mm。西藏南路越江雙線盾構(gòu)隧道位于基坑西側(cè)。單孔隧道直徑達11.36 m，管片厚0.5 m，隧道中心埋深14.6～21.5 m，隧道與地下連續(xù)墻最近距離為9.7 m。

本基坑工程環(huán)境保護對象中最為困難的是高科西路下的西藏南路大直徑盾構(gòu)區(qū)間隧道。因此，考慮在西藏南路隧道一側(cè)分隔出寬度約為14 m的長條形基坑(Ⅱ區(qū)基坑)進行分區(qū)開挖?；优c越江隧道相對位置及監(jiān)測點布置如圖1所示。

圖1 基坑與越江隧道相對位置及監(jiān)測點布置圖Fig.1 Relationship between foundation pit and river-crossing tunnel and layout of monitoring points

地下連續(xù)墻測斜點共6處：Ⅱ-2區(qū)靠近越江隧道側(cè)測點CX20、CX7；Ⅱ-1區(qū)靠近越江隧道側(cè)測點CX12；Ⅰ區(qū)與Ⅱ-2區(qū)交界處測點CX23；Ⅰ區(qū)與Ⅲ區(qū)交界處測點CX53；Ⅲ區(qū)遠離越江隧道側(cè)測點CX38。越江隧道收斂監(jiān)測截面共3處：靠近地下連續(xù)墻測點CX12的隧道截面收斂測點XX14與DX17；靠近地下連續(xù)墻測點CX7的隧道截面收斂測點DX14。

基坑采用地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)，其中東、北、西三側(cè)墻厚度均為1 m，南側(cè)和中部隔墻厚度為0.8 m，深度為24.2～44.2 m。基坑采用分區(qū)開挖，Ⅰ區(qū)與Ⅲ區(qū)設(shè)置3道鋼筋混凝土支撐，Ⅱ區(qū)設(shè)置4道支撐，除首道采用鋼筋混凝土支撐，其余各道均采用鋼支撐。基坑土方開挖以及圍護結(jié)構(gòu)施工步驟如表1所示。施工場地A-A截面情況如圖2所示。

場地主要為正常沉積區(qū)，①層為填土，②—⑤層為全新世Q4沉積層，⑥層為上更新世Q3沉積層，在24 m埋深以下分布有⑥層暗綠色硬土，土層分布情況如表2所示。

表1 基坑開挖及支護施工工序Table 1 Excavation and supporting construction processes of foundation pit

圖2A-A剖面圖(單位: m)
Fig.2 Profile ofA-Asection (unit: m)

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physico-mechanical parameters of soils

2 有限元計算

2.1 有限元模型建立

選取基坑A-A剖面建立二維有限元模型，如圖3所示。模型共28 080個單元，水平向長度為250 m，豎直向高度為63 m。左邊界至隧道的距離為145 m，大約為隧道直徑的10倍，底邊界至基坑底板的距離為48 m，大約為基坑深度的3倍，基本可以消除邊界效應(yīng)影響。模型側(cè)邊為上下滑動約束，底邊為固定約束。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

本文選取基坑A-A截面進行平面有限元計算分析。針對分區(qū)開挖與不分區(qū)開挖2種工況進行了有限元計算。分區(qū)開挖工況按照實際工程施工步驟：1)生成所有土體并產(chǎn)生初始地應(yīng)力；2)生成隧道襯砌同時開挖隧道內(nèi)土體并清零位移；3)生成內(nèi)側(cè)、外側(cè)地下連續(xù)墻并清零位移；4)逐層開挖Ⅰ區(qū)內(nèi)土體并設(shè)置圍護結(jié)構(gòu)；5)逐層開挖Ⅱ-1區(qū)內(nèi)土體并設(shè)置圍護結(jié)構(gòu)。不分區(qū)開挖工況施工步驟為：1)生成所有土體并產(chǎn)生初始地應(yīng)力；2)生成隧道襯砌同時開挖隧道內(nèi)土體并清零位移；3)生成內(nèi)側(cè)、外側(cè)地下連續(xù)墻并清零位移；4)生成外側(cè)地下連續(xù)墻并清零位移；5)將Ⅰ區(qū)與Ⅱ-1區(qū)合并為同一區(qū)域，逐層開挖并設(shè)置圍護結(jié)構(gòu)。

地下連續(xù)墻混凝土強度等級為C30，混凝土支撐及基坑底板強度等級為C35，鋼支撐強度等級為Q235B，隧道管片混凝土強度等級為C55，立柱樁混凝土強度等級為C30。結(jié)合工程經(jīng)驗，圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)尺寸及材料信息Table 3 Structure size and material information

2.2 有限元計算結(jié)果分析

為研究基坑分區(qū)開挖對圍護結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境的保護效果，分別提取分區(qū)開挖與不分區(qū)開挖工況下地下連續(xù)墻水平位移和隧道變形進行對比分析。此外，還將地下連續(xù)墻與隧道變形的實測數(shù)據(jù)與有限元計算結(jié)果進行了對比驗證。

2.2.1 地下連續(xù)墻位移

外側(cè)地下連續(xù)墻水平位移曲線如圖4所示。其中：圖4(a)為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)開挖結(jié)束后地下連續(xù)墻實測值與有限元計算結(jié)果對比圖；圖4(b)為基坑開挖結(jié)束后分區(qū)開挖、不分區(qū)開挖工況下的基坑外側(cè)地下連續(xù)墻水平位移有限元計算結(jié)果對比圖；實測值位置選取為基坑A-A截面處地下連續(xù)墻測點CX12。

(a) 有限元計算結(jié)果與實測值對比

(b) 不同開挖方式對比

由圖4(a)可知：有限元計算結(jié)果與實測值位移曲線變形趨勢一致，墻頂位移較小，隨著深度的增加位移逐漸增加，最大位移出現(xiàn)在地表下20 m深度處，位于基坑底板下方。由圖4(b)可知：分區(qū)開挖工況下的地下連續(xù)墻最大位移明顯小于不分區(qū)開挖工況，說明分區(qū)開挖可有效減小基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形。

本工程基坑深度H與西藏南路隧道之間的距離S關(guān)系為H≤S，根據(jù)上海市DG/TJ08-61—2010《基坑工程技術(shù)規(guī)范》，環(huán)境保護等級應(yīng)設(shè)置為一級，圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移須控制在0.18%H以內(nèi)。在分區(qū)開挖的情況下，實測數(shù)據(jù)以及有限元計算結(jié)果的地下連續(xù)墻最大位移值分別為20.6 mm和26.7 mm，符合控制標(biāo)準(zhǔn)。在不分區(qū)情況下，有限元計算結(jié)果中最大值為33.1 mm，已經(jīng)超出控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 隧道收斂變形

隧道截面收斂變形如圖5所示。圖5(a)為基坑開挖結(jié)束后東線與西線隧道收斂變形有限元計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的對比圖。由圖5(a)可知：有限元計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)較為一致，雙線隧道均發(fā)生了壓扁變形。

(a) 有限元計算結(jié)果與實測值對比

(b) 不同開挖方式對比

2.2.3 分區(qū)效應(yīng)評價

為分析基坑分區(qū)開挖對鄰近地下結(jié)構(gòu)的保護效果，分別提取分區(qū)與不分區(qū)工況下地下連續(xù)墻的最大水平位移以及東西線隧道的水平與豎直位移。計算得到各變量在不分區(qū)開挖工況下相對于分區(qū)開挖工況的百分率增量，繪制分區(qū)效應(yīng)評價圖，如圖6所示。

圖6 分區(qū)效應(yīng)評價圖Fig.6 Effect evaluation of division excavation of foundation pit

由圖6可知：基坑開挖方式對地下連續(xù)墻最大水平位移以及鄰近越江隧道的位移均有一定的影響。其中，對地下連續(xù)墻最大水平位移和東線隧道豎直位移的影響最大，其增量分別為23.9%和35.4%。說明為減小基坑開挖對鄰近越江隧道的擾動，采取分區(qū)開挖的施工方式是十分有效的。

3 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 隧道洞周收斂現(xiàn)場監(jiān)測分析

為研究基坑施工過程中不同施工步下越江隧道收斂變形的變化規(guī)律，選取了具有代表性的XX14與DX17測點，繪制越江隧道截面變形圖，如圖7和圖8所示。

由圖7可知：越江隧道西線截面測點XX14在Ⅰ區(qū)第2、3道支撐施工時未發(fā)生明顯變形，直到Ⅰ區(qū)土方開挖完成時，才產(chǎn)生了較為明顯的斜向壓扁變形，底板施工完成后，變形稍有增加。Ⅱ-1區(qū)開挖開始后，產(chǎn)生了較大變形，并逐漸發(fā)展至水平向的壓扁變形。由圖8可知：東線越江隧道截面測點DX17在整個施工過程中均發(fā)生了較大的變形，且變形量遠大于測點XX14的變形量。

對比圖7和圖8可知：基坑開挖對越江隧道變形的影響存在空間效應(yīng)，西線越江隧道斜向壓扁變形不如東線越江隧道明顯。在Ⅱ-1區(qū)底板施工結(jié)束后，東西線越江隧道均產(chǎn)生了較大的壓扁變形。

(a) Ⅰ區(qū)第2道支撐完成 (b) Ⅰ區(qū)第3道支撐完成

(c) Ⅰ區(qū)土方開挖完成 (d) Ⅰ區(qū)底板完成

(e) Ⅱ-1區(qū)第2道支撐完成 (f) Ⅱ-1區(qū)第4道支撐完成

(g) Ⅱ-1區(qū)土方開挖完成 (h) Ⅱ-1區(qū)底板完成

圖7不同施工節(jié)點XX14測點截面收斂變形
Fig.7 Convergence deformation of section XX14 during different construction stages

(a) Ⅰ區(qū)第2道支撐完成 (b) Ⅰ區(qū)第3道支撐完成

(c) Ⅰ區(qū)土方開挖完成 (d) Ⅰ區(qū)底板完成

(e) Ⅱ-1區(qū)第2道支撐完成 (f) Ⅱ-1區(qū)第4道支撐完成

(g) Ⅱ-1區(qū)土方開挖完成 (h) Ⅱ-1區(qū)底板完成

圖8不同施工節(jié)點DX17測點截面收斂變形
Fig.8 Convergence deformation of section DX17 during different construction stages

3.2 圍護墻體水平位移現(xiàn)場監(jiān)測分析

為研究基坑不同施工階段地下連續(xù)墻變形的變化規(guī)律，選取6個測點進行分析，測點包括：Ⅰ區(qū)靠近越江隧道側(cè)CX23、遠離越江隧道側(cè)CX53，Ⅱ區(qū)靠近越江隧道側(cè)CX20、CX7、CX12，Ⅲ區(qū)遠離越江隧道側(cè)CX38。為消去基坑開挖前土體加固等因素的影響，地下連續(xù)墻位移取相對位移，即每個時間節(jié)點相對于第1個時間節(jié)點的位移。

地下連續(xù)墻水平位移曲線如圖9所示。對比圖9(a)、9(b)可以發(fā)現(xiàn)：在Ⅰ區(qū)土方開挖完成時，靠近越江隧道一側(cè)測點CX23最大變形為26.7 mm，而遠離越江隧道一側(cè)測點CX53最大變形達到了71.6 mm，為CX23最大變形的2.7倍。在Ⅰ區(qū)底板施工完成時靠近越江隧道一側(cè)測點CX23最大變形為33.1 mm，而遠離越江隧道一側(cè)測點CX53最大變形達到了74.5 mm，約為CX23最大變形的2.3倍，這是由于在基坑分區(qū)開挖之前各區(qū)地下連續(xù)墻都已經(jīng)施工完成，而隧道一側(cè)Ⅱ區(qū)地下連續(xù)墻對Ⅰ區(qū)靠近越江隧道側(cè)地下連續(xù)墻外圍土體具有遮攔效應(yīng)，有效減小了Ⅰ區(qū)開挖造成的越江隧道一側(cè)土體產(chǎn)生的變形。

(a) CX23

(b) CX53

(c) CX20

(d) CX7

(e) CX38

(f) CX12

圖9地下連續(xù)墻水平位移曲線
Fig.9 Horizontal displacement curves of underground diaphragm wall

由圖9(c)與圖9(d)可知：CX20測點與CX7測點在Ⅰ區(qū)第1道支撐完成到Ⅰ區(qū)底板完成這2個時間節(jié)點之間的最大變形增量分別為14.95 mm和5.7 mm，從Ⅰ區(qū)底板完成到Ⅱ-1區(qū)底板完成這2個時間節(jié)點上最大變形增量分別為1.87 mm和0.62 mm，從Ⅱ-1區(qū)底板完成到Ⅱ-2區(qū)底板完成這2個時間節(jié)點上最大變形增量分別為20.14 mm和12.68 mm?？梢园l(fā)現(xiàn)，Ⅱ-2區(qū)開挖與Ⅰ區(qū)開挖所產(chǎn)生的變形增量遠大于Ⅱ-1區(qū)開挖所產(chǎn)生的變形增量。這是因為Ⅱ-1區(qū)開挖所產(chǎn)生的土體卸荷主要對Ⅱ-2區(qū)分區(qū)左側(cè)的地下連續(xù)墻測點CX20與CX7產(chǎn)生沿墻體縱向的作用力，因此對其產(chǎn)生的變形作用有限。

將圖9(a)、9(b)、9(e)與圖9(c)、9(d)、9(f)進行對比可以發(fā)現(xiàn)：Ⅰ、Ⅲ區(qū)開挖時地下連續(xù)墻變形較Ⅱ區(qū)開挖時更大，Ⅱ-2區(qū)土方開挖完成時CX7最大變形僅為18.9 mm，底板澆筑完成時變形僅為21.2 mm，Ⅱ-1區(qū)底板澆筑完成時CX12最大變形僅為20.7 mm，而Ⅰ區(qū)土方開挖完成時CX53最大變形為71.6 mm，底板澆筑完成時最大變形達到了77.8 mm，Ⅲ區(qū)土方開挖完成時CX38最大變形為59.9 mm，底板澆筑完成時最大變形達到了65.1 mm。Ⅰ區(qū)與Ⅲ區(qū)施工過程中地下連續(xù)墻變形為Ⅱ-2區(qū)和Ⅱ-1區(qū)施工時的3～4倍，這是因為Ⅰ區(qū)與Ⅲ區(qū)開挖面積比Ⅱ區(qū)大很多，因此其卸荷產(chǎn)生的墻體兩側(cè)的土體壓力差較大，且Ⅱ區(qū)除了第1道支撐為混凝土支撐外，其余皆為鋼支撐，其架設(shè)速度非?？?，可以確保在土體產(chǎn)生完全流變之前阻止地下連續(xù)墻發(fā)生位移。

3.3 圍護墻體位移對隧道收斂的預(yù)測

為進一步研究基坑開挖對越江隧道收斂變形的影響，將地下連續(xù)墻變形和越江隧道收斂變形結(jié)合考慮。將基坑靠近隧道側(cè)地下連續(xù)墻中部的兩處測點CX12、CX7的最大水平位移分別與其鄰近越江隧道收斂監(jiān)測截面DX17、DX14在靠近基坑位置處的水平收斂值進行對比分析。將越江隧道水平向收斂設(shè)置為橫坐標(biāo)，地下連續(xù)墻最大水平位移設(shè)置為縱坐標(biāo)，繪制散點圖，如圖10所示。

由圖10可知：隨著施工步的增加，地下連續(xù)墻最大水平位移與越江隧道水平向收斂值同步增加。線性擬合結(jié)果表明，地下連續(xù)墻最大水平位移y與越江隧道水平向收斂x的關(guān)系約為y=3.6x。這一關(guān)系說明地下連續(xù)墻產(chǎn)生的變形大小對于鄰近隧道的收斂變形具有一定的預(yù)測作用，進一步說明在基坑靠近越江隧道一側(cè)劃分出小基坑進行分區(qū)施工，可減小外側(cè)地下連續(xù)墻的變形，有效保護周邊既有越江隧道的安全。

圖10地下連續(xù)墻最大水平位移與越江隧道水平收斂變化曲線

Fig.10 Maximum horizontal displacement curves of underground diaphragm wall and horizontal convergence deformation curves of river-crossing tunnel

4 結(jié)論與討論

1)基坑開挖存在一定的空間效應(yīng)，距離基坑較近的隧道受到基坑內(nèi)土體卸荷所誘發(fā)的收斂變形影響較大。在有效性評價方面，基坑分區(qū)開挖施工對其距離較近隧道的保護效果更好。

2)本文研究的大直徑越江隧道在基坑施工過程中發(fā)生了斜向壓扁的不規(guī)則收斂變形，隨著開挖范圍的增加逐漸向水平向變形發(fā)展。

3)采用Hardening Soil 土體本構(gòu)模型建模能夠較好地預(yù)測和分析基坑圍護結(jié)構(gòu)以及周邊地下結(jié)構(gòu)的變形。采用分區(qū)開挖的方式，圍護結(jié)構(gòu)最大位移減小23.9%，鄰近隧道豎向位移減小35.4%。數(shù)值計算結(jié)果與相關(guān)規(guī)范要求的對比結(jié)果表明，在本工程中采用分區(qū)開挖施工是十分必要的。

4)若將二維計算截面中的隧道襯砌視作埋置于土中的梁單元，則相同襯砌厚度下大直徑隧道的柔性較小直徑隧道更大，因此在周圍土體荷載作用下易產(chǎn)生更大的收斂變形。本文實測數(shù)據(jù)表明，大直徑越江隧道的水平向收斂變形與地下連續(xù)墻水平位移存在一定的相關(guān)性。后續(xù)研究工作可在不同直徑的鄰近隧道基坑開挖工程中就這一相關(guān)性進行研究分析。