沈霄云

(1.中國電建華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122 2.浙江省智慧軌道交通工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 311225)

1 引言

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，國內(nèi)較多城市已有多條地鐵運(yùn)營通車，而隨著周邊地塊開發(fā)活動(dòng)的逐漸增多，近接地鐵進(jìn)行基坑開挖的工況頻繁出現(xiàn)，尤其是在成型盾構(gòu)隧道上方淺覆土開挖，施工風(fēng)險(xiǎn)更大，對盾構(gòu)影響更嚴(yán)重。

趙俊等以南京地鐵3號線地下空間開發(fā)為背景，重點(diǎn)分析基坑開挖寬度與隧道直徑比和復(fù)合地層模量比變化對土體及隧道變形的影響[1]。劉天正以北京首條有軌電車西郊線上跨既有運(yùn)營地鐵10號線為工程背景，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出基坑開挖過程中既有盾構(gòu)的變形規(guī)律[2]。黃栩提出了一種基坑卸荷條件下的盾構(gòu)隧道變形簡化計(jì)算方法[3]。類似地，目前已有多個(gè)研究對既有盾構(gòu)結(jié)構(gòu)上方基坑開挖的變形影響分析開展研究[4-7]，但數(shù)值計(jì)算大多建立在Mohr-Coulomb本構(gòu)模型理論框架下，數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確度不足。

為確保地鐵成型隧道滿足相關(guān)要求，設(shè)計(jì)施工一般會采取不同的加固措施，比如盾構(gòu)上方設(shè)置門型水泥土加固。張亮針對杭州地區(qū)鄰近地鐵基坑變形展開研究，認(rèn)為門型水泥土加固能有效控制隧道變形[8]。袁靜等依托杭州火車東西站西廣場工程提出了門式加固體的技術(shù)要求[9]。加固土為人工合成土，其參數(shù)的選取和原狀土有諸多不同，如何確定加固形式、加固范圍、加固強(qiáng)度等參數(shù)，是亟待解決的問題[10]。

本文主要是基于土體硬化模型，結(jié)合門型加固的參數(shù)選取和計(jì)算，對成型盾構(gòu)隧道上方淺覆土基坑開挖進(jìn)行三維計(jì)算，研究加固形式、加固范圍、加固強(qiáng)度的合理性。

2 土體硬化模型

本次數(shù)值計(jì)算采用土體硬化模型[11]，采用數(shù)字計(jì)算軟件MIDAS/GTS進(jìn)行模擬。

圖1 主應(yīng)力空間中的土體硬化模型屈服面圖

土體硬化模型（Hardening-Soil Model）作為目前比較先進(jìn)的模型可以很好地模擬硬度不同的土體變形。當(dāng)施加主應(yīng)力時(shí)，土體的硬度減小，發(fā)生了塑性變形。

土體硬化模型中有多個(gè)剛度參數(shù)，E50ref、Eoedref以及 Eurref。E50ref表示某一參考應(yīng)力下，土體強(qiáng)度降至破壞強(qiáng)度的50%時(shí)的割線模量，Eurref表示某一參考應(yīng)力下土體卸載再加載模量，如圖2；而Eoedref表示某一參考應(yīng)力下，主固結(jié)加載切線模量，如圖3。其中參考應(yīng)力pref一般為100kPa。

圖2 土體卸載再加載模量Eurref示意

圖3 主固結(jié)加載切線模量Eoedref示意

本次研究主要是針對盾構(gòu)上方土體卸載造成的隆起對結(jié)構(gòu)的影響。土體硬化模型主要對盾構(gòu)周邊的地層進(jìn)行模擬，尤其是卸載后的土體回彈。原狀土硬化模型參數(shù)可根據(jù)《midas/gts用戶手冊》中進(jìn)行選取，一般情況下可取E50ref=Eoedref，Eurref=3-5E50ref。另外，在地質(zhì)勘查報(bào)告中一般會給出土體的壓縮模量Es1-2，可以取 Es1-2=Eoedref。

加固土的壓縮模量Es借鑒《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中公式：

復(fù)合土層的壓縮模量相當(dāng)于天然地基壓縮模量的ζ倍。

3 工程概況

下沉廣場在地鐵區(qū)間上方，隧道上方的基坑深度為5.25m，長度為60m，盾構(gòu)頂距至地下室底板凈距約為3m。

因地鐵盾構(gòu)先期已經(jīng)完工，上部的基坑在已成型盾構(gòu)隧道開挖。

圖4 地鐵與基坑平面圖

圖5 地鐵與基坑剖面圖

圖6 加固橫斷面圖

4 數(shù)值計(jì)算分析

4.1 數(shù)值計(jì)算模型

本計(jì)算中，區(qū)間隧道襯砌采用了由四點(diǎn)構(gòu)成的板單元。如圖7所示。

圖7 板單元特性

模型尺寸為150m×170m×55m。穿越區(qū)域隧道考慮按150m，盾構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)外徑6.2m，內(nèi)徑5.5m，壁厚0.35m。

網(wǎng)格劃分如圖8，隧道網(wǎng)格劃分如圖9。

加固采用三軸攪拌樁，為850@600，28天無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.0MPa。根據(jù)公式（1）、（2）得出各個(gè)地層的土體硬化模型剛度。

4.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表 表1

土體硬化模型剛度參數(shù)表 表2

不采用門型攪拌樁加固措施的計(jì)算結(jié)果如圖10、圖11。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，69mm無法滿足盾構(gòu)保護(hù)的要求，采取攪拌樁門型加固采用門型加固措施后，結(jié)果如下：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用門型的攪拌樁加固后，豎向位移減少至12mm，滿足規(guī)范要求。

5 后續(xù)監(jiān)測成果對比

本項(xiàng)目于2013年完工。其中，監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測數(shù)量如下：坑外土體位移測斜孔13個(gè)，坑外地下水位觀測孔34個(gè)，地表沉降觀測點(diǎn)244個(gè)，管片沉降、收斂、水平位移觀測218環(huán)，坑內(nèi)利用管井水位觀測點(diǎn)10個(gè)。隧道沉降、收斂報(bào)警值:累計(jì)變形8mm，連續(xù)3d的位移速率超過2mm/d。對隧道管片沉降、收斂、水平位移采用信息化法實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際施工監(jiān)控，在三軸攪拌套打過程中，隧道管片最大累計(jì)位移為－6.7mm(下沉)，開挖施工完工后隧道管片最大累計(jì)位移為5.6mm(上浮)，隧道變形嚴(yán)格控制在要求的±10mm范圍內(nèi)。

從結(jié)果中不難看出，隧道變形同三維模擬計(jì)算的趨勢較為接近，但是計(jì)算值相對偏大。實(shí)際開挖中，因施工單位采取了分層、分塊、及時(shí)封底的方案，能有效減少盾構(gòu)變形。

6 結(jié)語

通過采用土體硬化模型，結(jié)合混凝土規(guī)范的加固體計(jì)算，模擬加固后的土體結(jié)構(gòu)單位，結(jié)合MIDAS-GTS整體模擬上方大型基坑開挖對成型地鐵盾構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

圖8 MIDAS模型網(wǎng)格示意圖

圖9 MIDAS區(qū)間隧道與加固措施

圖10 未采取措施的開挖豎向位移圖

圖11 未采取措施的隧道豎向位移圖

圖12 第一步開挖豎向位移圖

圖13 開挖至坑底豎向位移圖

圖14 開挖至坑底盾構(gòu)隧道位移圖

①模擬結(jié)果趨勢基本符合實(shí)際基坑開挖的成果，但是施工過程中采取分層、分塊、及時(shí)封底的方案，減少盾構(gòu)變形。

②硬化模型相對于摩爾庫倫模型，能有效反映土體的塑形特征，其難度在于如何準(zhǔn)確的選取參數(shù)。本研究引入地基處理技術(shù)規(guī)范的加固體計(jì)算方法，結(jié)合硬化模型，能較好模擬地層中的加固土變形。

圖15 盾構(gòu)沉降實(shí)測值同計(jì)算值對比

③加固土的機(jī)理特征同原狀土有諸多不同，尤其產(chǎn)生機(jī)理主要是以人為攪拌，形成各向異性的土體，常用原狀土的理論確定參數(shù)存在一定誤差。因此，今后應(yīng)根據(jù)加固土的特性，形成相應(yīng)的土體本構(gòu)模型。

圖16 盾構(gòu)收斂實(shí)測值同計(jì)算值對比