施成華，李翔，雷明鋒，彭立敏

基坑上跨既有盾構(gòu)隧道坑底土體加固方式探究

施成華，李翔，雷明鋒，彭立敏

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

基于非線性接觸理論，建立三維非連續(xù)地鐵隧道模型?？紤]管片接頭之間、管片襯砌與圍巖之間、螺栓與螺栓孔之間的相互作用，以及基坑施工全過程的影響，對基底縱向加固、橫向抽條加固和格柵加固3種不同形式的加固措施在控制隧道整體豎向變形、管片接頭混凝土應(yīng)力、螺栓內(nèi)力方面進(jìn)行對比分析。研究結(jié)果表明：格柵加固效果最為理想。以此模型為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究隧道與基底加固區(qū)夾角與隧道隆起變形、接頭混凝土應(yīng)力的關(guān)系，得到最優(yōu)隧道與基底加固區(qū)夾角應(yīng)為2倍土體內(nèi)摩擦角與45°之間。

盾構(gòu)隧道；共線；管片接頭模型；格柵加固；隧道與基底加固區(qū)夾角

隨著城市化的不斷發(fā)展，對已建成的地鐵隧道上方進(jìn)行基坑開挖的現(xiàn)象也越來越常見?；娱_挖引起的土體卸載會破壞下方既有地鐵隧道的應(yīng)力平衡，造成隧道整體隆起，變形較大處的管片接頭、螺栓等破壞尤為明顯，進(jìn)而影響隧道結(jié)構(gòu)及列車運(yùn)營的安全。因此在既有地鐵上方進(jìn)行基坑開挖施工必須采取非常嚴(yán)格的變形控制措施。LIU等[1]采用三維黏彈塑性有限元數(shù)值計(jì)算方法，對臨近隧道施工影響下既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進(jìn)行了分析；梁榮柱等[2?5]將隧道?地層簡化為Timoshenko- Winkler模型，得到了隧道變形曲線與附加應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系，可用于研究鄰近基坑施工對既有隧道的影響。張治國等[6?7]運(yùn)用有限元軟件對深基坑開挖對鄰近地鐵產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究分析；劉波[8]通過對超深大基坑的信息化監(jiān)測，研究了上海陸家嘴基坑鄰近地層的時空位移特征，分析了深大基坑鄰近地層的變形機(jī)理與影響因素；李瑛等[9]以三維數(shù)值模擬的手段，對基坑上跨既有地鐵進(jìn)行全過程分析，從施工工序以及加固方式上進(jìn)行對比分析。SHI等[10]從基坑開挖對鄰近既有地鐵隧道的安全性在管片接頭、螺栓應(yīng)力等方面做了細(xì)致的研究分析。已有的研究雖然從隧道整體變形行為上分析了上方土體卸載帶來的影響，但是缺乏管片接頭、螺栓等細(xì)部結(jié)構(gòu)的分析研究。本文以深圳桂廟路快速化改造工程為背景，研究明挖隧道與既有地鐵共線段的地鐵隆起變形控制問題，通過模擬施工全過程，從隧道整體變形行為、接頭混凝土應(yīng)力等方面出發(fā)，對比幾類常見的基坑底部土體加固方式，并進(jìn)行優(yōu)化，為控制地鐵隧道隆起提供參考。

1 工程簡介

1.1 工程概況

桂廟路快速化改造工程實(shí)施范圍西起規(guī)劃振海路，止于后海濱路，道路全長約4.9 km，按城市快速路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，主路為雙向6車道加集散車道，地面輔路為雙向6車道。工程建設(shè)的內(nèi)容包括：隧道2座(振海路隧道和前海路至后海濱大道隧道)、現(xiàn)狀立交改造1座(南海立交)、人行天橋、地面道路、市政管線、交通工程及其他附屬設(shè)施。其中，振海路到南海立交段范圍為地鐵共建段，其余為非共建段。

共建段結(jié)構(gòu)底板距離地鐵盾構(gòu)外輪廓8 m左右，地鐵左右線均在開挖基坑內(nèi)，既有地鐵區(qū)間隧道與上跨基坑位置關(guān)系及地層條件如圖2所示。

圖1 桂廟路與地鐵11號線的關(guān)系示意圖

單位：cm

1.2 現(xiàn)場控制標(biāo)準(zhǔn)

地鐵11號線采用裝配式管片，過大的隆起差異變形必定會引起管片接縫張開量增大，造成滲漏水，重則導(dǎo)致管片破損，危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全。故該工程中對既有隧道變形控制有以下幾個控制標(biāo)準(zhǔn)：1) 地鐵隧道的絕對變形量應(yīng)不超過10 mm；2) 控制地鐵隧道的差異變形不超過4 mm/10 m； 3) 水平收斂變形不應(yīng)超過20 mm。

2 三維有限元非連續(xù)接觸模型

2.1 模型建立及材料參數(shù)

本工程屬于淺埋隧道，地應(yīng)力場以自重應(yīng)力為主，可不考慮構(gòu)造應(yīng)力。該模型主要針對桂廟路改造工程的K3+866~K3+966里程段，共計(jì)100 m。模型尺寸為長×寬×高=150 m×100 m×80 m，如圖3所示?；拥撞烤喽軜?gòu)隧道外緣8 m，基坑尺寸為長×寬×深=30 m×40 m×14 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)有1 m厚地下連續(xù)墻，1道混凝土支撐(截面1 m×1 m，間距4.5 m)，2道鋼支撐(609 mm，=16 mm，水平間距2.2 m，豎向間距3.0 m)。既有地鐵11號線隧道分塊采用1個封底塊K(17.5°)，2個鄰接塊(68.5°)和3個標(biāo)準(zhǔn)塊(68.5°)，內(nèi)外徑分別為6 m與6.7 m，管段長1.5 m，接縫連接包括16個環(huán)縫螺栓和12個縱縫螺栓。

圖3 三維有限元計(jì)算模型

模型鋼支撐采用梁單元模擬，混凝土支撐采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，螺栓尺寸依據(jù)M27高強(qiáng)螺栓確定，并考慮30 kN預(yù)緊力。圍巖彈塑性采用Mohr- Coulomb本構(gòu)模型，其余結(jié)構(gòu)均采用線彈性本構(gòu)模型[11]。各結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 地層及結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

2.2 接頭及三維接觸模型

為準(zhǔn)確模擬襯砌管片接頭的受力狀態(tài)，運(yùn)用AutoCAD和Hypemesh等對管片接頭進(jìn)行精確建模及前處理工作。建立包括螺栓孔、手孔及螺栓實(shí)體模型。如圖4所示。

(a) 螺栓孔；(b) 螺栓細(xì)部模型

管片與管片、螺栓與螺栓孔之間的接觸面法向行為采用“硬接觸”，即2個物體在壓緊狀態(tài)下才會傳遞法向壓力，一旦有空隙就不會傳遞應(yīng)力，接觸屬性為懲罰剛度模型[12]：

式中：為接觸法向壓力；為嵌入量；k為接觸面嵌入懲罰剛度；為懲罰函數(shù)，本文采用指數(shù)函數(shù)形式的罰函數(shù)。

接觸面切向行為中，若接觸面閉合，接觸面定義為可傳遞摩擦力。本模型中，管片接頭摩擦因數(shù)取0.62，螺栓孔摩擦因數(shù)取0.5。

管片與圍巖接觸對中，考慮到圍巖力學(xué)參數(shù)較弱而不可避免出現(xiàn)接觸面穿透的情況，通過設(shè)置接觸法向剛度及最大允許過盈量來控制接觸面穿透量，以上步驟在數(shù)值建模中實(shí)現(xiàn)。

該接觸面切向行為中，依舊采用Coulomb定律計(jì)算，摩擦因數(shù)取0.88。

3 方案比選

3.1 計(jì)算工況

為研究基坑底旋噴樁加固區(qū)域形式的影響，設(shè)置3種工況，各工況下加固區(qū)域總體積保持不變，研究縱向加固與橫向成條加固的效果差異，加固區(qū)范圍與隧道相對位置如圖5所示。

表2 各工況相關(guān)參數(shù)取值

為了更加貼近真實(shí)情況，模擬開挖工序按照“縱向分段、豎向分層”的原則，步長6 m，豎向分為4+4+4+2共4層，開挖方案示意圖如圖6所示，模型30 m范圍內(nèi)共計(jì)8個開挖步?？紤]到模型計(jì)算效率問題，在基坑開挖影響范圍外的隧道采用等效均質(zhì)模型替代管片模型，剛度上取0.78的折減系數(shù)[12]。基坑開挖步與縱向位置關(guān)系如圖6所示。

(a)基底縱向加固；(b)基底橫向抽條加固；(c)基底格柵加固

圖6 開挖工序示意圖

3.2 縱向變形分析

各工況下的右線隧道軸線最終隆起曲線如圖7所示。

圖7 右線隧道軸線最終隆起曲線

間隔10 m的實(shí)測值為現(xiàn)場所布監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測值，現(xiàn)場沒有采取加固措施，最終隧道實(shí)測變形結(jié)果與模型無加固工況計(jì)算結(jié)果接近，可見該三維模型具備較高的準(zhǔn)確度。

3種加固方案工況下隆起曲線最大值分別為8.61，8.36和7.61 mm，相比于無加固的11.16 mm，降幅達(dá)到20%~35%，可見對基坑底部進(jìn)行加固是非常必要的。對比前2個工況，工況2有比較明顯的變形控制效果。即在相同工程量的前提下，橫向抽條加固在隧道隆起變形控制方面比縱向全幅加固效果好。

對比3個工況可知，格柵加固在控制隧道隆起變形方面效果最好，但由于本案例中基坑寬度達(dá)到40 m，基底格柵加固寬度亦為40 m，而既有隧道外徑僅6.7 m，格柵加固的范圍寬度尚可進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3 管片接頭應(yīng)力分析

基底無加固工況下提取精細(xì)化管片整體變形圖如圖8(a)所示，可以發(fā)現(xiàn)，基坑處盾構(gòu)隧道雖然呈整體上升趨勢，但也可以劃分為2種狀態(tài)：精細(xì)化管片兩端的“扁平段”和中心部分的“隆起段”。作最小主應(yīng)力云圖剖面圖如8(b)所示，根據(jù)拱腰內(nèi)側(cè)是否受拉可知該2種狀態(tài)的分界限分別為從前往后第13環(huán)與第25環(huán)。即管片從前往后第1~13和26~30環(huán)處于“扁平段”，第14~25環(huán)處于“隆起段”。對應(yīng)到基坑范圍為距基坑邊緣6.5 m范圍內(nèi)均為“扁平段”，約為基坑長度的1/5。

(a) 右線隧道最終變形圖；(b) 右線隧道最小主應(yīng)力剖面圖

分別選取“扁平段”、“隆起段”狀態(tài)下管片接頭壓應(yīng)力最大的環(huán)段：1號環(huán)與24號環(huán)。作出其接頭處的混凝土壓應(yīng)力在3種基底加固方案下的圖線如圖9所示。

由圖9(a)可知，在基坑兩端的“扁平段”范圍內(nèi)，位于拱腳、拱底處的2號，1號，6號和5號接頭壓應(yīng)力較大，且遠(yuǎn)離基坑中心線的2號接頭壓應(yīng)力有最大值。對比3條折線，基底橫向抽條加固和格柵加固能在一定程度上減小這6個接頭的混凝土壓應(yīng)力，且拱腳和拱底接頭壓應(yīng)力減小程度明顯。綜合來看，基底格柵加固效果更優(yōu)。

由圖9(b)可知，靠近基坑中心部分的“隆起段”管片接頭混凝土壓應(yīng)力分布極不對稱，遠(yuǎn)離基坑中心線的拱底4號接頭混凝土壓應(yīng)力最大，拱腰處3號接頭和拱腳5號接頭壓應(yīng)力次之，拱頂1號和6號與靠近基坑中心的拱腰2號最小，基底加固后壓應(yīng)力分布趨勢也基本一致。整體來看，縱向加固接頭最大壓應(yīng)力為4.19 MPa，橫向抽條加固接頭最大壓應(yīng)力為4.51 MPa，格柵加固接頭最大壓應(yīng)力為3.56 MPa，且分布較為均勻。

3.4 螺栓內(nèi)力分析

該模型的螺栓內(nèi)力從2個方面分析：縱縫螺栓和環(huán)縫螺栓。由于該模型下“扁平段”螺栓受力較小，故此處僅選取23號環(huán)與24號環(huán)之間的一組環(huán)縫螺栓與24號環(huán)內(nèi)部的縱縫螺栓進(jìn)行分析。環(huán)縫螺栓從頂部順時針編號為1號~16號環(huán)縫螺栓，各基地加固方案下23號環(huán)與24號環(huán)之間環(huán)縫螺栓內(nèi)力大小如圖10所示。

單位：MPa

(a) 軸力；(b) 剪力

由圖10(a)可知，基底縱向加固方案下，位于盾構(gòu)隧道底部的環(huán)縫螺栓有較大的軸力，高達(dá)64.3 kN，明顯大于抽條加固和格柵加固方案下的螺栓軸力。抽條加固和格柵加固方案下的環(huán)縫螺栓軸力各有高低，但總體較穩(wěn)定在35 kN左右，相差不大。

由圖10(b)可知，3種加固方案下環(huán)縫螺栓剪力分布趨勢基本一致，即在隧道頂部和底部，環(huán)縫螺栓剪力較大，拱腰處剪力較小。明顯發(fā)現(xiàn)基底抽條加固方案對控制隧道頂部環(huán)縫螺栓剪力效果較差，其螺栓剪力高達(dá)21 kN，近乎縱向加固和格柵加固螺栓剪力的2倍。

24號環(huán)縱縫螺栓內(nèi)力如圖11所示，由圖11(a)可知，遠(yuǎn)離基坑中心的拱腰5號、拱腳4號縱縫螺栓軸力較大，3種加固方案下分布趨勢基本一致。在5號縱縫螺栓處，橫向抽條加固有比較明顯的變化，軸力達(dá)到50 kN?？v向加固和格柵加固在縱縫螺栓軸力方面控制效果接近，各位置螺栓軸力相差不大，穩(wěn)定在30~40 kN之間。

(a) 軸力(kN)；(b) 剪力(kN)

由圖11(b)可知，遠(yuǎn)離基坑中心的拱腰5號和拱頂6號縱縫螺栓剪力較大，在抽條加固方案下有最大值6 kN，可見在環(huán)縫螺栓剪力控制方面，抽條加固效果不如縱向加固和格柵加固。

4 方案優(yōu)化

綜合前文分析可以看出，基底格柵加固在整體縱向變形、接頭混凝土壓應(yīng)力、螺栓內(nèi)力方面表現(xiàn)更優(yōu)，但是上文模型中格柵加固范圍寬度達(dá)40 m，尚有優(yōu)化空間。提取基底無加固工況下的隆起曲線，其中峰值偏向既有隧道一側(cè)，可見盾構(gòu)隧道的存在影響著基坑底部土層的隆起變形大小[13]。相反，隧道上方一定范圍內(nèi)的圍巖也會影響隧道的隆起變形，由此本文引入隧道與基底加固區(qū)夾角，用此角度來描述基底加固寬度、與隧道相對位置等關(guān)系[14]，如圖12所示，可以更好地對比分析不同加固寬度對既有隧道隆起變形的影響。

圖12 旋噴樁加固區(qū)域與隧道位置關(guān)系

通過三維混合數(shù)值模型求解，在保證相同基底加固工程量的前提下，各工況右線隧道隆起最大值及接頭混凝土最大壓應(yīng)力如圖13所示。

表3 加固區(qū)域?qū)挾萀取值

圖13 隧道與基底加固區(qū)夾角α與隧道隆起最大值、接頭應(yīng)力最大值關(guān)系曲線

由圖13可知，基底旋噴樁格柵加固寬度過小、過大，作用效果均較差，隧道隆起明顯，接頭混凝土壓應(yīng)力過大。格柵加固最優(yōu)寬度應(yīng)處在2tan2與2tan45°之間，即最優(yōu)隧道與基底加固區(qū)夾角應(yīng)為2倍土體內(nèi)摩擦角與45°之間。

5 結(jié)論

1) 既有隧道上方基坑開挖會導(dǎo)致隧道整體隆起，最大隆起量達(dá)11.16 mm，已經(jīng)超過該項(xiàng)目既定的10 mm絕對變形控制值，基底加固十分必要。距基坑邊緣1/5范圍內(nèi)的隧道處于“扁平段”，中間部分變形為“隆起段”。2種形態(tài)下隧道結(jié)構(gòu)受力變形完全不同，應(yīng)分開進(jìn)行分析。

2) “扁平段”管片混凝土接頭應(yīng)力最大值位于拱腳和遠(yuǎn)離基坑中心的拱腰處。“隆起段”管片混凝土接頭應(yīng)力最大值位于遠(yuǎn)離基坑中心的拱腳處，分布趨勢基本一致，但在接頭混凝土壓應(yīng)力控制方面，格柵加固最優(yōu)，縱向加固最差。

3) 在螺栓受力方面，縱向加固對控制環(huán)縫螺栓剪力以及縱縫螺栓軸力、剪力大小方面，效果與格柵加固相近，且優(yōu)于抽條加固。抽條加固在環(huán)縫螺栓軸力方面表現(xiàn)更好?？傮w來看，縱向加固和抽條加固各有優(yōu)劣，但都不及格柵加固。

4) 基底格柵加固寬度過大過小均會造成隧道變形、接頭混凝土應(yīng)力增大。最優(yōu)隧道與基底加固區(qū)夾角應(yīng)處在2倍土體內(nèi)摩擦角與45°之間。

[1] LIU H Y, Small J C, Carter J P, et al. Effects of tunnelling on existing support systems of perpendicularly crossing tunnels[J]. Computers and Geotechnics, 2009, 36(5): 880?894.

[2] 梁榮柱, 林存剛, 夏唐代, 等. 考慮隧道剪切效應(yīng)的基坑開挖對鄰近隧道縱向變形分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2017, 36(1): 223?233. LIANG Rongzhu, LIN Cungang, XIA Tangdai, et al. Longitudinal deformation analysis of adjacent tunnels due to excavation of foundation pits considering tunnel shear effect[J]. Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2017, 36(1): 223?233.

[3] LIANG Rongzhu, XIA Tangdai, HUANG Maosong, et al. Simplified analytical method for evaluating the effects of adjacent excavation on shield tunnel considering the shearing effect[J]. Computers and Geotechnics, 2017(81): 167?187.

[4] LIANG R, WU W, YU F, et al. Simplified method for evaluating shield tunnel deformation due to adjacent excavation[J]. Tunnelling & Underground Space Technology, 2018(71): 94?105.

[5] 梁榮柱, 夏唐代, 胡軍華, 等. 新建隧道近距離上穿對既有地鐵隧道縱向變形影響分析[J]. 巖土力學(xué), 2016, 37(增1): 391?399. LIANG Rongzhu, XIA Tangdai, HU Junhua, et al. Analysis of the influence of the close-up of the new tunnel on the longitudinal deformation of the existing subway tunnel[J]. Geomechanics, 2016, 37(Suppl 1): 391?399.

[6] 張治國, 張謝東, 王衛(wèi)東. 臨近基坑施工對地鐵隧道影響的數(shù)值模擬分析[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報, 2007(11): 93?97. ZHANG Zhiguo, ZHANG Xiedong, WANG Weidong. Numerical simulation analysis of influence of adjacent foundation pit construction on subway tunnel[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2007(11): 93?97.

[7] 李偉強(qiáng), 孫宏偉. 鄰近深基坑開挖對既有地鐵的影響計(jì)算分析[J]. 巖土工程學(xué)報, 2012, 34(增1): 419?422. LI Weiqiang, SUN Hongwei. Calculation and analysis of influence of adjacent deep foundation pit excavation on existing subway[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(Suppl 1): 419?422.

[8] 劉波. 上海陸家嘴地區(qū)超深大基坑鄰近地層變形的實(shí)測分析[J]. 巖土工程學(xué)報, 2018, 40(10): 1950?1958. LIU Bo. Field measurement and analysis of deformation of adjacent stratum of super deep and large foundation pit in Lujiazui area of Shanghai[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 2018, 40(10): 1950?1958.

[9] 李瑛, 陳金友, 黃錫剛, 等. 大面積卸荷對下臥地鐵隧道影響的數(shù)值分析[J]. 巖土工程學(xué)報, 2013, 35(增2): 643?646. LI Ying, CHEN Jinyou, HUANG Xigang, et al. Numerical analysis of the effect of large-area unloading on the underlying subway tunnel[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(Suppl 2): 643?646.

[10] SHI Chenghua, CAO Chengyong, LEI Mingfeng, et al. Effects of lateral unloading on the mechanical and deformation performance of shield tunnel segment joints[J]. Tunneling and Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research, 2016(51): 175?188.

[11] SHI Jiangwei, Ng C W W, CHEN Yonghui. Three- dimensional numerical parametric study of the influence of basement excavation on existing tunnel[J]. Computers and Geotechnics, 2015(63): 146?158.

[12] 艾輝軍. 基于三維非連續(xù)接觸模型的管片與接頭結(jié)構(gòu)力學(xué)特性研究[D]. 長沙: 中南大學(xué), 2014. AI Huijun. Structural and mechanical properties of segment and joint based on three-dimensional discontinuous contact model[D]. Changsha: Central South University, 2014.

[13] 周俊宏, 宮全美, 周順華. 基于透明土的隧道上浮過程結(jié)構(gòu)與土相互作用模型試驗(yàn)[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報, 2016, 33(3): 1?6. ZHOU Junhong, GONG Quanmei, ZHOU Shunhua. Model test of interaction between structure and soil during tunnel uplift based on transparent soil[J]. Journal of East China Jiaotong University, 2016, 33(3): 1?6.

[14] 曾英俊, 楊敏, 熊巨華, 等. 雙線盾構(gòu)長距離穿越深基坑底部引起地下連續(xù)墻沉降分析及控制措施[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報, 2012, 33(2): 135?141. ZENG Yingjun, YANG Min, XIONG Juhua, et al. Settlement analysis and control measures of diaphragm wall caused by double-line shield tunneling long distance through the bottom of deep foundation pit[J]. Journal of Architectural Structures, 2012, 33(2): 135?141.

Study on reinforcement method for foundation pit of existing shield tunnel under foundation pit

SHI Chenghua, LI Xiang, LEI Mingfeng, PENG Limin

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Based on the nonlinear contact theory, a three-dimensional discontinuous subway tunnel model was established, which considered the interaction between segment joints, interaction between the segment and the surrounding rocks, and the interaction between the bolt and the bolt hole as well as the influence of the whole process of excavation construction.Contrast and analysis were made on controlling the whole vertical deformation of tunnel, the stress of segment joint concrete and the internal force of bolts based on three different reinforcement measures, i.e. longitudinal reinforcement, transverse strip reinforcement and grid reinforcement.The results show that the grid reinforcement effect is the optimal solution. On the basis of this model, the relationship between the width and diffusive angle of grille reinforcement and the deformation of tunnel uplift and the stress of joint concrete is further studied.The optimum diffusion angle should be between the 2 times the friction angle in the soil and 45 degrees.

shield tunnel;collineation; segment joint model; grille reinforcement; diffusion angle

TU-47

A

1672 ? 7029(2020)05 ? 1147 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190556

2019?06?21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51778636)

施成華(1973?)，男，安徽黃山人，教授，博士，從事隧道工程的教學(xué)與研究工作；E?mail：csusch@163.com

(編輯 涂鵬)