黃 峰，劉俊杰，吳長(zhǎng)官，王 晨

(1.青島地鐵集團(tuán)有限公司，青島 266033；2.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 266525)

如今地鐵已經(jīng)成為各大城市重要的公共交通方式，隨著城市建筑密集程度的增加，地鐵附近越來(lái)越多的基坑工程已不可避免?；娱_(kāi)挖卸荷必然對(duì)鄰近的地鐵隧道結(jié)構(gòu)造成一定影響，影響程度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的變形破壞，影響地鐵的安全運(yùn)行。如國(guó)內(nèi)寧波市某基坑與地鐵1號(hào)線最小間距為7.15 m，基坑施工不久便引起隧道整體水平位移高達(dá)33.6 mm，導(dǎo)致地鐵區(qū)間滲水和多處縱向裂縫[1]；廣州市某距離地鐵隧道34.5 m的基坑開(kāi)挖過(guò)程中，坑邊土體受錨桿牽引作用產(chǎn)生側(cè)向傾斜，引起隧道產(chǎn)生66 mm拉伸變形，管片發(fā)生多處開(kāi)裂[2]；臺(tái)北某深基坑與隧道結(jié)構(gòu)最小間距為12 m，基坑開(kāi)挖引起隧道產(chǎn)生26 mm的水平拉伸和45 mm的豎向壓縮[3]。國(guó)外，如倫敦的South Bank區(qū)The Shell Center基坑開(kāi)挖引起隧道南線上浮達(dá)到60 mm、北線上浮達(dá)到50 mm，而且受到黏土層緩慢固結(jié)影響，隧道的上浮仍然在緩慢進(jìn)行[4]；新加坡某基坑開(kāi)挖引起鄰近盾構(gòu)隧道水平位移達(dá)6 mm、豎向位移3.8 mm[5]。

針對(duì)基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道的影響，已有不少學(xué)者展開(kāi)相關(guān)研究，主要研究方法集中于理論解析、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。張治國(guó)等[6-7]考慮基坑四壁和底部土體同時(shí)開(kāi)挖卸荷的情況，基于兩階段分析方法的Winkler地基模型建立了基坑開(kāi)挖對(duì)隧道變形影響的計(jì)算微分方程；姜兆華[8]采用細(xì)砂為土體，塑料管為隧道，進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)，試驗(yàn)中通過(guò)改變基坑與隧道的空間關(guān)系得到基坑開(kāi)挖卸荷對(duì)旁側(cè)隧道的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律；陳仁朋等[9]通過(guò)用馬來(lái)西亞高嶺土模擬軟黏土進(jìn)行軟黏土地層基坑開(kāi)挖對(duì)隧道影響的離心機(jī)試驗(yàn)，模型試驗(yàn)得到了基坑開(kāi)挖卸荷前后隧道結(jié)構(gòu)一系列力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律；CHEN等[10]結(jié)合寧波地鐵1號(hào)線，采用Plaxis 3D有限元軟件分析了軟土地層中大型深基坑開(kāi)挖對(duì)緊鄰雙線地鐵隧道的影響，對(duì)比模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化基坑開(kāi)挖順序是減輕基坑開(kāi)挖卸荷對(duì)附近隧道結(jié)構(gòu)影響的最有效措施；丁智等[11]根據(jù)臨近運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的基坑施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，基坑開(kāi)挖深度與隧道埋深相近時(shí)，隧道水平位移顯著，而豎向變形卻不明顯，隧道收斂為“橫鴨蛋”形。

與上述研究相似，目前針對(duì)基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近既有隧道的研究大多集中于單一軟土地層，而對(duì)于特殊地層，如軟硬復(fù)合地層中此類(lèi)基坑-隧道的影響研究尚少。軟硬復(fù)合地層通常為上覆松軟土層、下部為巖層，或者上部為軟弱風(fēng)化程度高的巖層、下部為風(fēng)化程度低的巖層，主要表現(xiàn)為上下地層之間的剛度差異性[12]，如國(guó)內(nèi)青島、廈門(mén)、廣州和國(guó)外新加坡、曼谷、圣保羅等地區(qū)均為此類(lèi)典型的工程地質(zhì)情況，實(shí)際工程建設(shè)上也缺乏此類(lèi)工況研究成果的指導(dǎo)，因此開(kāi)展該工況下基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵隧道的影響研究具有十分重要的工程意義。

鑒于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中周期長(zhǎng)、難度大、成本高的缺點(diǎn)，本文結(jié)合青島地區(qū)典型的上軟下硬復(fù)合地層工況，借助模型試驗(yàn)相似理論設(shè)計(jì)基坑開(kāi)挖對(duì)側(cè)方隧道影響的室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究上軟下硬斷面隧道結(jié)構(gòu)受側(cè)方基坑開(kāi)挖卸荷引起的內(nèi)力變化。

1 模型試驗(yàn)方案

1.1 工程原型

以青島市某鄰近運(yùn)營(yíng)地鐵的住宅樓項(xiàng)目為工程背景，項(xiàng)目基坑開(kāi)挖深度約為15 m，周長(zhǎng)約為410 m，最小水平距離約為15 m，基坑靠近地鐵隧道一側(cè)采用混凝土灌注樁配合預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)，灌注樁直徑為600 mm，樁芯間距為1000 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。隧道斷面為圓形，外徑約為6 m，隧道拱頂埋深約為10 m，基坑與隧道相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

1.2 相似關(guān)系

依據(jù)相似定理，物理模型試驗(yàn)要在一定程度上反應(yīng)原型實(shí)體的真實(shí)情況或者規(guī)律需要遵循相似條件，相似條件是模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)。相似條件即試驗(yàn)原型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奈锢硖卣骱瘮?shù)關(guān)系比值為一個(gè)常數(shù)，該常數(shù)稱為相似常數(shù)。

根據(jù)原型和模型的平衡方程、幾何方程、物理方程、應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件可以得出本文模型試驗(yàn)存在以下相似關(guān)系：

Cσ=CγCL

(1)

Cδ=CLCε

(2)

Cσ=CECε

(3)

物理模型試驗(yàn)要求所有無(wú)量綱物理量(如應(yīng)變、內(nèi)摩擦角、泊松比等)的相似比等于1，即

Cε=Cφ=Cμ=1

(4)

依據(jù)相似關(guān)系和試驗(yàn)條件確定模型試驗(yàn)中各物理量相似比參數(shù)，如表1所示。

圖1 基坑與隧道相對(duì)位置關(guān)系(單位：m)

表1 物理模型試驗(yàn)的物理量

1.3 模型試驗(yàn)系統(tǒng)和試驗(yàn)方案

采用青島理工大學(xué)自主研發(fā)的平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)?zāi)Ｐ拖?，模型箱凈空尺寸?000 mm×1800 mm×300 mm(長(zhǎng)×高×寬)，如圖2所示，正面為50 mm厚透明有機(jī)玻璃板，上方為敞口面，其他面均為鋼板焊接。模型箱上部和兩個(gè)側(cè)面安裝反力液壓裝置，每個(gè)液壓缸最大可以施加300 kN反力。

圖2 平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)?zāi)Ｐ拖?/p>

模型試驗(yàn)中對(duì)地層進(jìn)行一定簡(jiǎn)化分析，將填土層、粉質(zhì)黏土層、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖歸一化處理為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層，試驗(yàn)中主要研究由強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化花崗巖復(fù)合而成的上軟下硬復(fù)合地層中基坑開(kāi)挖對(duì)側(cè)方地鐵隧道的影響。模型試驗(yàn)考慮了單一軟巖地層工況(對(duì)照組)和軟硬復(fù)合地層工況(試驗(yàn)組)2種地層工況，基坑尺寸和基坑與隧道的位置平面尺寸保持不變，考慮基坑的對(duì)稱性，只考慮一半基坑開(kāi)挖寬度[13]。模型試驗(yàn)方案尺寸如圖3所示，基坑開(kāi)挖深度h=900 mm，開(kāi)挖寬度d=600 mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度為1200 mm。隧道外徑Φ=300 mm，隧道外邊緣距離基坑邊緣為250 mm，隧道拱頂埋深為750 mm。軟硬復(fù)合地層工況中隧道斷面復(fù)合高度比為1∶1，軟巖層厚度為900 mm。

圖3 模型試驗(yàn)方案(單位：mm)

1.4 相似材料選擇

根據(jù)實(shí)際工程巖土體物理力學(xué)參數(shù)和表1中模型試驗(yàn)物理量相似比，得到2種地層的物理力學(xué)參數(shù)，如表2所示。軟巖和硬巖的相似材料中以砂和重晶石粉為骨料、石膏為膠凝材料、凡士林為摻加料，同時(shí)摻加少量的水。采用正交試驗(yàn)理論設(shè)計(jì)巖土相似材料配比試驗(yàn)，最終采用的材料配比如表3所示。

表2 軟硬巖原型和模型的物理力學(xué)參數(shù)

表3 復(fù)合地層相似材料最終配比 %

選擇有機(jī)玻璃管(PMMA)作為隧道模型材料，有機(jī)玻璃的彈性模量為2.5 GPa，泊松比為0.37。將隧道襯砌視為薄板結(jié)構(gòu)，僅考慮隧道環(huán)向抗彎和相似性，采用彎曲變形相似準(zhǔn)則推導(dǎo)隧道結(jié)構(gòu)的相似比[14]，最終確定有機(jī)玻璃隧道模型厚度為5 mm，長(zhǎng)度為300 mm，外徑為300 mm。模型試驗(yàn)中未考慮錨桿結(jié)構(gòu)，將圍護(hù)樁按照等效剛度原則簡(jiǎn)化為地連墻結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)選擇薄鋼板，同樣依據(jù)彎曲變形相似準(zhǔn)則確定板厚為3 mm，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1200 mm，寬度為300 mm。

1.5 測(cè)量方案及試驗(yàn)過(guò)程

模型試驗(yàn)基坑開(kāi)挖過(guò)程中測(cè)量隧道結(jié)構(gòu)的環(huán)向彎矩、隧道周?chē)翂毫ψ兓Ｋ淼拉h(huán)向彎矩和周?chē)翂毫Ψ謩e通過(guò)在隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)外壁布置應(yīng)變片和外側(cè)布置微型土壓力盒測(cè)量分析得出，傳感器布置如圖4所示。

圖4 隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)流程如下：

1) 按照表3相似材料的配比稱量好重晶石粉、砂、石膏、凡士林、水，將骨料重晶石粉、砂、石膏和石膏緩凝劑倒入攪拌機(jī)攪拌均勻，最后將水和水浴融化的凡士林溶液緩慢倒入攪拌機(jī)攪拌均勻；

2) 分層填裝拌制完成的相似材料至模型箱內(nèi)，每層填裝150 mm并夯實(shí)，填裝過(guò)程中在模型箱的相應(yīng)位置預(yù)埋結(jié)構(gòu)模型，并連接應(yīng)變片和土壓力盒傳感器至計(jì)算機(jī)記錄數(shù)據(jù)，填裝完成后在室內(nèi)靜置養(yǎng)護(hù)3 d；

3) 打開(kāi)采集裝置并進(jìn)行基坑開(kāi)挖，基坑開(kāi)挖采用人工緩慢開(kāi)挖的方式，總共開(kāi)挖6層。每層開(kāi)挖深度為150 mm，相當(dāng)于原型3 m的深度，總開(kāi)挖深度為900 mm，每層開(kāi)挖完成的時(shí)間控制為30 min。每層基坑開(kāi)挖完成待測(cè)量數(shù)據(jù)穩(wěn)定后方可進(jìn)行下一層基坑開(kāi)挖，開(kāi)挖過(guò)程中避免對(duì)模型箱內(nèi)其他部件造成過(guò)大的擾動(dòng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 隧道周?chē)翂毫?/h3>

圖5是基坑開(kāi)挖過(guò)程中隧道周?chē)翂毫Ψ植嫉臉O坐標(biāo)圖。整體來(lái)看，2種工況的各點(diǎn)位土壓力分布形態(tài)均類(lèi)似為“葫蘆”形，土壓力的分布形態(tài)與姚愛(ài)軍等[15]發(fā)現(xiàn)的位于基坑底部的隧道周?chē)翂毫Ψ植夹螒B(tài)相似。軟硬復(fù)合工況各點(diǎn)位的土壓力變化幅度小于單一軟巖工況，尤其是軟硬復(fù)合工況中隧道下半部分位于硬巖層中90°，135°，180°，225°，270°的土壓力變化明顯小于單一軟巖工況，說(shuō)明基坑開(kāi)挖引起的隧道周?chē)翂毫Φ淖兓艿搅讼虏坑矌r層的影響。

圖6為基坑開(kāi)挖過(guò)程中隧道各點(diǎn)位土壓力變化曲線?？梢钥闯?，軟硬復(fù)合工況各點(diǎn)位的土壓力隨著基坑開(kāi)挖不斷減小，其中0°點(diǎn)位變化最大，減小值為1.74 kPa。單一軟巖工況中不同的是，隧道遠(yuǎn)基坑側(cè)0°，45°，180°點(diǎn)位的土壓力變化值先減小后增大，其他點(diǎn)位的土壓力不斷減小，近基坑側(cè)315°點(diǎn)位的土壓力變化最為明顯，減小值為2.83 kPa，該變化與姜兆華[8]在采用砂土的模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的基坑開(kāi)挖引起旁側(cè)隧道的土壓力變化規(guī)律一致，分析產(chǎn)生不同變化的原因與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周?chē)馏w向基坑內(nèi)傾斜位移幅度有關(guān)。軟硬復(fù)合地層工況中受下部硬巖層穩(wěn)定性較強(qiáng)影響，基坑開(kāi)挖卸荷對(duì)周邊地層的擾動(dòng)影響較小，隧道周?chē)翂毫κ艿降闹饕绊憺榛有逗梢鸬淖兓?/p>

2.2 隧道環(huán)向彎矩

圖7是基坑開(kāi)挖過(guò)程中隧道環(huán)向彎矩分布的極坐標(biāo)圖，圖中正值表示向外彎曲，負(fù)值表示向內(nèi)彎曲。從分布形態(tài)可以看出，2種工況環(huán)向彎矩均呈“∞”分布形態(tài)，這與楊帆[16]在單一砂土地層中基坑開(kāi)挖對(duì)旁側(cè)隧道影響的模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的隧道橫向彎矩分布呈現(xiàn)橫鴨蛋形十分相似。單一軟巖工況中0°，45°，180°，225°點(diǎn)位的彎矩變化明顯，而軟硬復(fù)合工況中隧道位于硬巖層中的135°，180°，225°點(diǎn)位彎矩變化非常小，其他點(diǎn)位彎矩變化與單一軟巖工況比較接近，說(shuō)明位于硬巖層中的隧道環(huán)向彎矩變化受到復(fù)合地層的限制明顯，同時(shí)說(shuō)明隧道結(jié)構(gòu)的變形受地層影響大。何川等[17]研究發(fā)現(xiàn)，隧道結(jié)構(gòu)所受外部荷載增大時(shí)，位于硬巖層中的隧道結(jié)構(gòu)彎矩受到硬巖層的約束作用，而普通區(qū)域的隧道結(jié)構(gòu)彎矩基本不受硬巖層區(qū)域的影響，這與本文的試驗(yàn)結(jié)果十分相似。

將隧道環(huán)向各點(diǎn)位彎矩變化繪制成變化曲線，如圖8所示。從圖中可以看出，軟硬復(fù)合工況中彎矩變化趨勢(shì)單一，0°，180°點(diǎn)位環(huán)向彎矩不斷增大，其他點(diǎn)位不斷減小，結(jié)合該工況各點(diǎn)位土壓力變化可以認(rèn)為基坑開(kāi)挖卸荷使隧道結(jié)構(gòu)原有的彈性形變復(fù)原。單一軟巖工況中0°，180°，135°，315°點(diǎn)位的彎矩變化在開(kāi)挖4—6階段出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，結(jié)合各點(diǎn)位初始彎矩狀態(tài)，分析認(rèn)為該工況基坑開(kāi)挖擾動(dòng)大，地層受到的擾動(dòng)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響，隧道結(jié)構(gòu)變形主要為斜向基坑方向的擠壓變形。

2.3 軟硬復(fù)合地層的影響

通過(guò)對(duì)比2種工況中基坑開(kāi)挖引起的隧道周?chē)翂毫铜h(huán)向彎矩變化可以認(rèn)為，軟硬復(fù)合工況中受下部硬巖層的影響，基坑開(kāi)挖卸荷對(duì)周?chē)貙拥臄_動(dòng)程度減小，地層擾動(dòng)的不同必然對(duì)周邊隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的影響：隧道周?chē)翂毫铜h(huán)向彎矩變化減小，尤其是位于硬巖層部分的變化更小，說(shuō)明硬巖層的存在對(duì)復(fù)合斷面隧道結(jié)構(gòu)受側(cè)方基坑開(kāi)挖卸荷產(chǎn)生的影響具有一定限制作用。

3 結(jié)論

對(duì)比分析單一軟巖和軟硬復(fù)合2種工況下，基坑開(kāi)挖卸荷對(duì)側(cè)方隧道影響的模型試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1) 相比于單一軟巖工況，軟硬復(fù)合工況中隧道的周?chē)翂毫φw變化較小，但是靠近基坑一側(cè)的土壓力變化相對(duì)較大。

2) 相比于單一軟巖工況，軟硬復(fù)合工況中隧道的環(huán)向彎矩整體變化較小，尤其是位于硬巖層中彎矩變化更小。軟硬復(fù)合工況中彎矩變化說(shuō)明基坑開(kāi)挖卸荷使隧道結(jié)構(gòu)原有的彈性形變復(fù)原。

3) 由隧道周?chē)翂毫铜h(huán)向彎矩的變化可以看出，軟硬復(fù)合工況中下部硬巖層的存在，使基坑開(kāi)挖卸荷對(duì)周邊地層的擾動(dòng)變小，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化也具有一定的限制作用，尤其是位于硬巖層中的隧道，其結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性更強(qiáng)。