岳云鵬,劉曉玉,張龍?jiān)?李志遠(yuǎn),劉繼強(qiáng),鄭先昌

(1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院,廣州 510006； 2.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院,浙江紹興 312000； 3.中鐵南方投資集團(tuán)有限公司,深圳 518052)

隨著我國城市軌道交通的不斷發(fā)展，建立在地鐵隧道上方的基坑工程日益增多，基坑開挖卸荷會(huì)導(dǎo)致下臥盾構(gòu)隧道產(chǎn)生豎向位移與水平位移，同時(shí)造成橫截面收斂變形。當(dāng)隧道變形過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)隧道開裂、滲水，嚴(yán)重影響地鐵隧道的安全運(yùn)營(yíng)。針對(duì)基坑開挖對(duì)下臥地鐵隧道的變形影響問題，許多學(xué)者通過數(shù)值分析、理論計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法展開研究。在數(shù)值模擬分析方面，陳仁朋等[1]采用小應(yīng)變硬化土模型，對(duì)下臥盾構(gòu)隧道的明挖通道基坑進(jìn)行數(shù)值分析，統(tǒng)計(jì)了基坑開挖過程中下臥隧道上浮規(guī)律；鄭剛等[2]對(duì)天津地區(qū)某地鐵區(qū)間上方基坑開挖過程進(jìn)行數(shù)值分析，研究不同控制措施對(duì)下臥隧道變形的效果；章潤(rùn)紅等[3]分析了不同隧道埋深的地鐵隧道在施工結(jié)束時(shí)的附加彎矩與位移；岳云鵬等[4]基于流固耦合理論對(duì)基坑降水過程中隧道的影響規(guī)律進(jìn)行數(shù)值分析，研究了降水深度、降水速度對(duì)隧道產(chǎn)生的影響；孟小偉[5]對(duì)坑內(nèi)加固控制隧道上浮影響進(jìn)行分析；劉天正[6]分析了U形槽基坑開挖對(duì)隧道變形的影響，得到了隧道內(nèi)徑在開挖卸荷過程中的收斂規(guī)律。

在理論解析推導(dǎo)方面，張治國等[7]結(jié)合Loganathan與Poulos理論解對(duì)卸載引起土體位移場(chǎng)進(jìn)行分析，得到隧道豎向位移與內(nèi)力的簡(jiǎn)化表達(dá)式；陳郁等[8]基于Mindlin解對(duì)開挖導(dǎo)致下臥隧道的附加應(yīng)力進(jìn)行推導(dǎo)，得到了隧道隆起值的簡(jiǎn)化計(jì)算公式；周澤林等[9]對(duì)層狀地層中明挖卸荷對(duì)下臥隧道影響進(jìn)行分析，并將隧道變形的解析解與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證；卜康正等[10]分析了深圳地區(qū)某基坑開挖對(duì)復(fù)合地基下臥隧道附加荷載的影響，結(jié)果表明側(cè)摩阻力與“雙洞效應(yīng)”會(huì)對(duì)隧道附加荷載產(chǎn)生較大影響。

在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究方面，向亮[11]通過對(duì)砂巖層深基坑施工過程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出開挖過程中圍護(hù)樁與隧道的變形規(guī)律；Chang等[12]通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)開挖卸荷過程中導(dǎo)致某盾構(gòu)隧道管片開裂事故進(jìn)行分析；馮虎等[13]基于層次分析法對(duì)地鐵基坑工程進(jìn)行研究，為基坑施工過程中的整體安全性指標(biāo)提供了更規(guī)范的評(píng)判準(zhǔn)則；魏綱[14]對(duì)國內(nèi)14個(gè)基坑實(shí)例的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)，提出了下臥隧道在基坑開挖過程中的最大位移預(yù)估公式。

綜上，目前基坑開挖對(duì)下臥盾構(gòu)隧道的研究成果主要集中在對(duì)隧道變形及位移影響規(guī)律的分析上，而針對(duì)具體開挖順序?qū)ο屡P隧道的影響規(guī)律研究比較少見。文獻(xiàn)[15-17]研究表明，基坑在開挖過程中具有時(shí)空效應(yīng)，合理的選擇分塊開挖順序可較好地控制鄰近隧道的變形。但上述研究均未考慮分塊開挖對(duì)下臥隧道的影響規(guī)律。基于此，以深圳前海區(qū)某深基坑工程為依托，建立三維有限元模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析不同分塊開挖方式對(duì)下臥地鐵隧道的變形影響，并將坑底土體加固等隧道保護(hù)措施與分塊開挖相結(jié)合進(jìn)行考慮，對(duì)下臥隧道深基坑的開挖方式進(jìn)行優(yōu)化，為類似深基坑工程開挖工序的合理選擇提供理論依據(jù)。

1 工程概況

1.1 基坑概況

深圳市前海區(qū)雙界河路段某地鐵保護(hù)區(qū)基坑工程開挖范圍為114 m×52 m×13.5 m，其基坑工程與地鐵11號(hào)線空間分布平面關(guān)系如圖1所示，基坑下臥盾構(gòu)地鐵隧道，基坑坑底距隧道豎向距離平均5.3 m。采用1：1.5橫向放坡結(jié)合φ1 000 mm@1 200 mm的鉆孔灌注樁對(duì)基坑進(jìn)行支護(hù)，開挖前將基坑水位降低至基坑底部1 m處。基坑分3步進(jìn)行開挖，每次分別開挖至-3、-5.5 m和-13.5 m，并采用橫向分塊開挖的方式對(duì)每層土體進(jìn)行開挖。

1.2 下臥隧道

盾構(gòu)地鐵隧道左、右線水平距離約為17.8 m，襯砌內(nèi)徑為5.7 m、外徑為6.3 m，盾構(gòu)管片環(huán)寬1.5 m，壁厚0.3 m，每環(huán)管片由6塊管片通過螺栓進(jìn)行連接，盾構(gòu)管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。地鐵隧道自里程K0+080開始進(jìn)入基坑支護(hù)排樁下側(cè)，隧道兩側(cè)采用φ550 mm@1 000 mm抗拔樁進(jìn)行圍護(hù)，在基坑施工結(jié)束時(shí)與坑底抗浮板形成門式抗浮結(jié)構(gòu)控制隧道上浮。按照深圳市相應(yīng)規(guī)范的要求，在基坑開挖期間，控制地鐵隧道的位移≯25 mm。

在地鐵保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，每隔10 m布置1個(gè)隧道監(jiān)測(cè)斷面，左、右線共布置30個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，編號(hào)L、R01～15每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并在坑底布置9個(gè)抗隆起監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)KD01～09，監(jiān)測(cè)布置方案如圖1、圖2所示。

圖1 基坑與下臥地鐵隧道平面關(guān)系(單位：m)

圖2 基坑K0+140縱斷面示意(單位：m)

1.3 工程地質(zhì)條件

區(qū)間隧道地層屬于典型軟弱土層，地下水位約為地表下1 m?，F(xiàn)場(chǎng)勘查資料表明，雙界河路段地層由第四系全新統(tǒng)沖洪積層和基巖組成，主要包括③黏土層和④砂質(zhì)黏性土層。①填土、填石層經(jīng)人工處理后形成局部含淤泥質(zhì)土的復(fù)合地基；②淤泥層呈流塑狀，屬高靈敏度軟土，具有觸變性；③黏土層和④砂質(zhì)黏性土以可塑狀為主，物理性質(zhì)可滿足一般地下結(jié)構(gòu)承載力的要求，在場(chǎng)地內(nèi)分布較為廣泛；⑤全風(fēng)化花崗巖屬Ⅲ級(jí)硬土，頂層埋深大于20 m。通過室內(nèi)外試驗(yàn)獲得各土層物理性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

2 模型建立

采用三維有限元軟件MIDAS GTS NX進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，按照?qǐng)D1、圖2中基坑與隧道相對(duì)位置關(guān)系建立模型，計(jì)算模型范圍取為180 m×240 m×50 m，基坑開挖范圍取114 m×52 m×13.5 m，模型上部設(shè)置為自由面，底部設(shè)置固定約束，側(cè)面設(shè)置水平約束。在生成初始應(yīng)力場(chǎng)后將土體與隧道位移進(jìn)行清零。

2.1 工況分析

為研究分塊開挖基坑對(duì)下臥雙線隧道的影響，建立3種不同的開挖工況，首先建立現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖方案的開挖過程模擬(工況1)；然后再對(duì)縱向分塊開挖模擬(工況2)；先橫向分塊開挖隧道上方基坑，再縱向分塊開挖其余部分基坑的模擬(工況3)，具體開挖方案如圖3所示。

工況1：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖方式進(jìn)行模擬，現(xiàn)場(chǎng)基坑采用橫向分塊方式由塊1～塊4的工序進(jìn)行開挖，每塊開挖范圍為52 m×16 m，共分為7塊。

工況2：基坑采用縱向分塊方式由塊1到塊4的工序進(jìn)行對(duì)稱開挖，每塊開挖范圍約為114 m×6.5 m，共分為8塊。

圖3 基坑開挖方案平面示意(單位：m)

工況3：基坑先采用橫向分塊開挖方式由塊1～塊10的工序開挖隧道上方土層，然后采用縱向分塊開挖方式開挖塊11～塊13，橫向每塊開挖范圍約為5.7 m×6.5 m，縱向每塊開挖范圍約為114 m×6.5 m。

2.2 土層與材料參數(shù)

土層采用摩爾庫倫本構(gòu)模型(MC)與硬化土本構(gòu)模型(HS)進(jìn)行模擬，模型中土層自上而下分別為①填土、填石層15.8 m；②淤泥層2.9 m；③黏土層7.1 m；④砂質(zhì)黏性土層5.9 m；⑤全風(fēng)化花崗巖層18.3 m。通過現(xiàn)場(chǎng)取樣、室內(nèi)試驗(yàn)的方式獲得數(shù)值模擬所需要的HS本構(gòu)模型參數(shù)，其中由于①、③土層屬于結(jié)構(gòu)性土，在取樣過程中會(huì)由于土體擾動(dòng)作用使得試驗(yàn)獲得參數(shù)偏低，按照經(jīng)驗(yàn)取值法采用MC本構(gòu)模型進(jìn)行模擬[18-20]。模型中土體計(jì)算參數(shù)如表2所示。

支護(hù)排樁與抗拔樁采用1D梁?jiǎn)卧M，止水帷幕根據(jù)強(qiáng)度等效法等效為2D板單元模擬，考慮施工階段的缺陷，設(shè)置強(qiáng)度折減系數(shù)為0.75，各結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)如表3所示。在基坑內(nèi)部設(shè)置節(jié)點(diǎn)水頭，用以模擬坑內(nèi)初始水位，在基坑底部設(shè)置壓力水頭，用以模擬基坑降水的過程。

表2 模型中土體計(jì)算參數(shù)

圖4 有限元模型

表3 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

2.3 模型參數(shù)驗(yàn)證

基于以上參數(shù)，建立有限元模型如圖4所示。

為驗(yàn)證模型中土體與材料參數(shù)的可靠性，首先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開挖方案(工況1)的施工過程進(jìn)行數(shù)值分析，主要分析了工況1在開挖過程中K0+140斷面右線隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的豎向位移。

數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示，基坑開挖結(jié)束后隧道R09-1監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值分別為24.88 mm和23.60 mm，且開挖過程中R09-2、R09-3兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)模擬值與計(jì)算值豎向位移規(guī)律也較為相似，因此可以認(rèn)為模型的土體本構(gòu)關(guān)系與材料參數(shù)選取可靠。

圖5 K0+140斷面開挖過程右線隧道豎向位移曲線

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 坑底隆起與隧道豎向位移分析

基坑開挖過程中會(huì)改變周圍土體原狀性，間接地影響下臥地鐵隧道，分塊開挖屬于小規(guī)模的對(duì)基坑內(nèi)土體進(jìn)行卸載，使得坑底豎向位移較小，進(jìn)而控制下臥隧道的變形。因此，為研究基坑分塊開挖對(duì)下臥地鐵隧道變形的保護(hù)作用，本文首先分析了不同工況下基坑開挖完成后K0+140斷面上坑底隆起值，如圖6所示，對(duì)比工況1～工況3可知，不同分塊開挖方式下基坑底部隆起方式有所不同。

圖6 不同工況下K0+140斷面坑底隆起值

工況1、工況2、工況3的坑底最大隆起值分別為27.46，34.85，19.84 mm，根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，開挖過程中基坑底部隆起值不宜超過35 mm[21]，可認(rèn)為橫向分塊開挖基坑可較好的控制基坑底部的隆起，且橫向分塊數(shù)量越多，對(duì)坑底隆起的控制效果越好。相應(yīng)地，不同分塊開挖方式對(duì)基坑底部隆起規(guī)律將間接影響到下臥地鐵隧道的變形。如圖7所示，計(jì)算得到不同工況在開挖結(jié)束時(shí)左線隧道的拱頂處豎向位移，可以看出，基坑縱向分塊開挖會(huì)增大下臥地鐵隧道的豎向位移，使隧道最終豎向位移超過控制標(biāo)準(zhǔn)值，基坑先橫向分塊開挖隧道上方基坑再縱向開挖基坑對(duì)控制隧道豎向位移較有利。工況2與工況3在開挖結(jié)束時(shí)隧道呈“拱”形隆起，工況1在開挖結(jié)束時(shí)隧道呈“雙峰”形隆起，可能的原因是基坑分塊開挖的累積效應(yīng)使得最后一塊土體開挖結(jié)束時(shí)引起的位移增量明顯高于其他塊，工況1左線隧道的“雙峰”形隆起是由于最后一塊(第四塊)的跳挖使得隧道縱斷面中軸線兩側(cè)區(qū)域豎向位移明顯高于其他位置。

圖7 不同工況下左線隧道拱頂處豎向位移曲線

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，相比實(shí)際開挖工況(工況1)，先橫向分塊開挖隧道上方基坑再縱向開挖基坑(工況3)有效地限制了隧道縱斷面上拱頂?shù)呢Q向位移，這是由于較小的分塊開挖尺寸會(huì)使隧道上方土體前期積累的豎向變形疊加影響較小，使得隧道上方土體在卸荷過程中受力較小，最終變形較小。另外，最后卸荷的土體會(huì)由于積累效應(yīng)導(dǎo)致其受到土體壓力比其他分塊大，工況3提前開挖隧道上方土體，使得基坑內(nèi)部土體受力最后集中在基坑中部，最終隧道上方土體位移較小。

3.2 隧道附加彎矩分析

在基坑開挖卸荷過程中，下臥隧道會(huì)受到坑底與側(cè)部?jī)蓚€(gè)方向的擠壓作用產(chǎn)生附加彎矩，為系統(tǒng)地分析分塊開挖基坑對(duì)下臥地鐵隧道附加彎矩的影響，首先分析了原開挖方案(工況1)在開挖過程中隧道的附加彎矩變化規(guī)律，不同開挖深度下左線隧道監(jiān)測(cè)斷面L12的附加彎矩如圖8所示。由圖8可知，隧道的附加彎矩隨著基坑開挖深度的增大而增大，開挖到第3步后，最大的正負(fù)附加彎矩達(dá)到238.4 kN·m/m和-244.6 kN·m/m，在開挖過程中彎矩的最大處均在隧道拱頂處，從隧道附加彎矩的變化規(guī)律可判斷隧道的大致變形，即拱頂、拱底處隧道豎向伸長(zhǎng)，拱腰處隧道壓縮變形。

圖8 不同開挖深度下左線隧道附加彎矩

不同工況基坑開挖結(jié)束時(shí)左線隧道監(jiān)測(cè)斷面L12的附加彎矩如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)不同工況下隧道彎矩的變化趨勢(shì)基本相同，但工況3的開挖方式較為明顯地減少了左線隧道的附加彎矩，使得最大的正負(fù)附加彎矩分別為201.7 kN·m/m和-196.3 kN·m/m。與工況2相比，小范圍的橫向開挖隧道上方土體可有效控制下臥盾構(gòu)隧道的變形，這是由于一次性開挖隧道上方土體使得隧道周圍土體出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最終彎矩較大，而小范圍橫向開挖隧道上方土體隆起較小，最終隧道附加彎矩較小。

圖9 不同工況下左線隧道附加彎矩

3.3 內(nèi)徑變形分析

為進(jìn)一步研究分塊開挖對(duì)下臥盾構(gòu)隧道的影響，本文選取了比較有代表性的左線隧道L09監(jiān)測(cè)斷面，繪制工況1在開挖過程中的內(nèi)徑變形圖，如圖10所示。隧道在開挖第一層土過程中內(nèi)徑未發(fā)生明顯變形，直到第二層土開挖結(jié)束后，拱頂才產(chǎn)生了較為明顯的隆起變形，待開挖結(jié)束后，隧道整體在靠近基坑中軸線方向發(fā)生較大的拉伸變形。

圖10 不同開挖深度下左線隧道內(nèi)徑變形

圖11為不同工況在開挖結(jié)束時(shí)左線隧道L09斷面內(nèi)徑變形圖，對(duì)比可知，縱斷面分塊開挖(工況2)在開挖結(jié)束時(shí)會(huì)使隧道內(nèi)徑產(chǎn)生較大的變形，整體變形趨勢(shì)為頂部隆起的豎橢圓狀。工況3在開挖結(jié)束時(shí)隧道的變形最小，在開挖過程中宜采用小范圍的分塊橫向?qū)ΨQ開挖控制隧道內(nèi)徑變形，分塊尺寸宜選用在5～7 m內(nèi)。

圖11 不同工況下左線隧道內(nèi)徑變形

3.4 坑底加固對(duì)隧道影響分析

上述研究表明，合理的分塊開挖基坑可較好的控制下臥隧道的變形，但在對(duì)隧道變形控制較為嚴(yán)格的工程中，還需要采取增加保護(hù)的措施，以保證地鐵隧道的運(yùn)營(yíng)安全。本文研究了分塊開挖結(jié)合坑底地基加固相結(jié)合的方式對(duì)下臥隧道的影響，坑底加固深度為基坑底5 m，在模擬過程中，將加固區(qū)土體模量參數(shù)擴(kuò)大2.5倍，以達(dá)到坑底加固的效果。采用工況1的開挖方式，每1 m開挖1次，分析無地基加固、開挖前進(jìn)行地基加固、開挖至7 m后地基加固對(duì)下臥隧道的影響，得到不同開挖深度下K0+120斷面右線隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的拱頂處豎向位移曲線如圖12所示。

圖12 地基加固對(duì)隧道豎向位移的影響曲線

可以看出，圖12中無地基加固方案中右線隧道豎向位移曲線與圖5的豎向位移曲線有所不同，其原因是本次模擬中增加了基坑分層開挖的次數(shù)，減小了每次土體卸荷的應(yīng)力，使得同一工況下隧道最終豎向位移較小。如果開挖7 m后再對(duì)基坑進(jìn)行坑底加固，隧道豎向位移最終僅能減小8%左右；在基坑開挖前進(jìn)行坑底加固，隧道豎向位移可減少約20%。

4 結(jié)論

(1)橫向分塊開挖基坑可較好地控制基坑底部的隆起，且橫向分塊數(shù)量越多，對(duì)坑底隆起的抑制效果越好；在分塊數(shù)量相同的情況下，橫向分塊開挖基坑對(duì)隧道的保護(hù)效果要好于縱向分塊開挖。

(2)在開挖過程中，下臥隧道的最大附加彎矩在拱頂處，隧道整體呈拱頂、拱底處豎向伸長(zhǎng)，拱腰處壓縮的變形規(guī)律，工況3中小范圍的橫向開挖基坑可有效減小隧道附加彎矩。

(3)在不改變開挖深度的情況下，先小范圍對(duì)稱橫向分塊開挖隧道上方土體再縱向分塊開挖土體效果最好，橫向分塊次之，最后為縱向分塊。在本文分析的3種工況中，工況3為最優(yōu)工況，施工中建議優(yōu)先采用。

(4)坑底加固土體可有效控制隧道豎向位移，在隧道變形控制較為嚴(yán)格的工程中，可采用分塊開挖與坑底加固相結(jié)合的措施保護(hù)隧道，建議在基坑開挖前進(jìn)行坑底加固。

(5)基坑開挖過程存在一定的時(shí)空效應(yīng)，本文計(jì)算過程中將每個(gè)條塊簡(jiǎn)化為一次開挖，但實(shí)際開挖過程中仍可能是分塊開挖的，因此會(huì)造成計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)值有一定差別。后續(xù)可對(duì)考慮時(shí)空效應(yīng)的下臥地鐵隧道深基坑開挖工序優(yōu)化進(jìn)行研究分析。