散騫騫 王長丹 周瑜亮

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 430061， 武漢; 2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室, 201804, 上海; 3.同濟大學上海市軌道交通結構耐久與系統(tǒng)安全重點實驗室, 201804, 上?！沃砉こ處?

由地鐵運營經驗可知，在軟土地層中，周邊工程活動可能會導致盾構施工的地鐵隧道發(fā)生嚴重的結構變形，引發(fā)裂縫、滲水、道床剝離等多種病害，甚至危害地鐵隧道運營安全。因此，有必要對鄰近基坑開挖過程中地鐵隧道管片的變形特性及影響因素進行研究。

目前，文獻[1-3]分別采用能量計算法、地層補償法,以及半經驗、半理論的方法，估算坑外土體位移；文獻[4-18]采用有限元軟件計算分析基坑工程開挖中基坑尺寸、基坑與隧道位置關系等影響因素對鄰近盾構隧道位移變形的影響。上述研究主要針對隧道的位移變化，較少考慮基坑開挖對鄰近地鐵隧道管片橫斷面收斂變形的影響，且在影響因素的研究中未涉及盾構隧道的管片厚度。

本文以紹興市地鐵1號線旁的某大樓基坑工程為原型，通過Plaxis有限元軟件，基于基坑與鄰近地鐵隧道間的距離(以下簡為“坑隧距離”)、基坑開挖深度及隧道管片厚度等參數，建立基坑與隧道相互作用的三維有限元模型，模擬基坑開挖施工過程，進而研究基坑開挖對鄰近地鐵隧道管片收斂變形的影響。

1 有限元模型計算

1.1 建模方案

大樓的基坑平面圖如圖1所示?；觾戎螢?.8 m高、0.6 m寬的混凝土支撐，圍護結構采用φ0.7 m@1.0 m的鉆孔灌注樁?；臃秶鷥戎饕翆訛椋孩?碎石填土，②1黏質粉土，②2-4淤泥質黏土，③1-2淤泥質黏土。

由于隧道埋深越淺受影響越大，故考慮淺埋隧道的情況，參考當地典型隧道埋深，有限元模型中按隧道埋深為10 m進行分析。

為了研究基坑與鄰近地鐵隧道間的距離、基坑開挖深度及隧道管片厚度等參數對地鐵隧道管片變形的影響，需設置不同的參數建立多個數值模型進行計算。隧道管片厚度分別選取350 mm、375 mm、400 mm和425 mm；考慮雙線隧道同時開挖，左線鄰近基坑，隧道線間距10 m；為更加貼近工程實際探究一般性規(guī)律，左線隧道與基坑距離(即坑隧距離)分別取5 m、10 m、20 m、30 m、50 m進行計算。將基坑深度、管片厚度和坑隧距離進行組合，得到40個計算工況，可較全面地反映出3個參數對于基坑開挖引起鄰近地鐵隧道管片收斂變形的影響。

圖1 基坑平面圖Fig.1 Plan of foundation pit

1.2 有限元計算模型

有限元模型的尺寸為240 m×200 m×40 m。模型所有邊界均為位移邊界條件，地表為自由邊界條件；側邊界側向水平位移限制為零，豎向自由；底部邊界豎向位移限制為零，水平方向自由。有限元模型采用小HSS(應變土體硬化)本構模型來描述土體的應力應變行為，其余材料采用線彈性模型來描述。模型中：隧道管片不設分塊，管片結構采用殼單元模擬；基坑內支撐采用梁單元模擬；基坑圍護結構采用根據等剛度換算后的板單元模擬。

由于基坑形狀不是主要影響因素，故將基坑簡化為對稱的矩形基坑，建立不同層數、不同深度的的基坑模型，基坑尺寸為117 m×53 m，圍護結構插入比為1.5∶1。二層基坑深度為8 m，圍護結構樁長20 m，設置2道支撐，支撐位置為-0.5 m和-4.5 m(地面為0，下同)；三層基坑深度為12 m，圍護結構樁長28 m，設置三道支撐，支撐位置分別為-0.5 m、-5 m和-9 m。地層-基坑-隧道模型示意圖如圖2所示。

a) 平面圖

根據基坑工程綜合勘察報告及工程經驗，各土層厚度及有限元模型的主要計算參數如表1所示。

表1 HSS模型土體參數

2 計算結果分析

2.1 模擬結果與實測數據對比

基坑開挖造成外側土體向基坑內變形，引起隧道的側向力損失，隧道結構受力狀態(tài)發(fā)生變化，導致地鐵隧道橫斷面產生收斂變形。最大變形發(fā)生在基坑中心對應的橫斷面上。因此，本文選取此橫斷面管片的收斂變形進行分析。由于隧道管片在水平向被拉伸，在豎向被壓縮，故水平收斂變形為正值，豎向收斂變形為負值。

本文搜集類似項目的實測數據來驗證本次數值模擬中模型取值的合理性。文獻[9]統(tǒng)計了蘇州地區(qū)鄰近地鐵隧道的10個基坑工程的地鐵隧道概況、基坑工程概況及土層條件等信息。這10個工程的土層條件接近，基坑的支護形式均為垂直圍護加支撐，地鐵隧道管片厚度均為350 mm，有一定的相似性。文獻[9]對其中5個基坑鄰近隧道水平收斂變形進行監(jiān)測，這些基坑工程與本文數值計算基坑工程在土層條件、基坑挖深、隧道埋深等方面較為相似，其實測結果對本文具有一定的參考價值。

圖3所示為三層基坑開挖對管片厚度350 mm隧道水平收斂變形影響的數值模擬結果與文獻[9]中實測數據的對比。由圖3可以發(fā)現，有限元模型模擬結果與實測數據相比，變化規(guī)律較為吻合。這說明本文采用的三維有限元模型能較真實地反映實際的開挖情況，具有較好的準確性。由此，本文用該模型來進一步分析不同坑隧距離下，基坑開挖對不同管片厚度隧道收斂變形的影響。

注：圖中實測數據來自參考文獻[11]。圖3 實測數據與數值模擬結果對比Fig.3 Comparison between measured data and numericalsimulation results

2.2 基坑開挖對隧道管片收斂變形的影響

2.2.1 二層基坑

隨著坑隧距離逐漸增大，二層基坑開挖對不同管片厚度左線隧道收斂變形的影響如圖4 a)所示。當坑隧距離為5 m時，管片厚度為350 mm、375 m、400 mm和425 mm的隧道水平收斂變形值分別為10.32 mm、8.91 mm、7.78 mm和6.90 mm；當管片厚度相同時，隨著坑隧距離增大，管片的水平收斂變形迅速減??；管片厚度越大，收斂變形值越小，坑隧距離對管片收斂變形的影響越小;當坑隧距離大于20 m時，不同厚度管片的水平收斂變形均降至1.50 mm以下，說明基坑開挖對管片水平收斂變形的影響程度隨坑隧距離的增大而顯著減小。管片的豎向收斂變形與水平收斂變形有相同的變化規(guī)律，且豎向收斂變形值略大于水平收斂變形值。

圖4 b)所示為右線隧道水平收斂變形。右線隧道管片收斂變形隨著坑隧距離的增大逐漸減小，且量值較小，均低于3.00 mm。當坑隧距離為20 m時，右線隧道350 mm管片水平收斂變形值為1.61 mm,左線隧道350 mm管片水平收斂變形值為2.24 mm。這說明左線隧道起到了保護右線隧道的作用。由此可知，基坑開挖對右線隧道收斂變形的整體影響較小。

a) 左線隧道

b) 右線隧道圖4 二層基坑開挖時隧道收斂變形隨距離的變化

2.2.2 三層基坑

三層基坑開挖對不同管片厚度左、右線隧道管片水平收斂變形的影響如圖5所示。三層隧道開挖管片收斂變形的變化規(guī)律與二層基坑開挖類似。當坑隧距離為5 m時，管片厚度為350 mm、375 m、400 mm和425 mm的左線隧道水平收斂變形分別

a) 左線隧道

b) 右線隧道圖5 三層基坑開挖時隧道收斂變形隨距離的變化

為14.67 mm、12.19 mm、10.62 mm和9.03 mm。三層基坑開挖隧道收斂變形值均明顯大于對應二層基坑開挖工況中的變形值。當坑隧距離增大至20 m時，左線隧道厚度為350 mm的管片水平收斂變形為3.74 mm，大于相同情況二層基坑開挖時的2.24 mm；而當坑隧距離增大至30 m后，三層基坑開挖對于隧道管片變形的影響不再明顯。這說明三層基坑開挖對隧道管片變形的影響程度更大，影響范圍更遠。

雖然三層基坑開挖對右線隧道管片收斂變形的總體影響較小，但在左線隧道坑隧距離為5 m、管片厚度為350 mm的最不利情況下，右線隧道的水平收斂變形量和豎向收斂變形量仍達到了6.00 mm。

二層、三層基坑開挖的情況下，基坑開挖過程中左線隧道收斂變形隨管片厚度的變化計算結果如圖6所示。在坑隧距離為5 m和10 m時，隨著管片厚度的增大，收斂變形呈線性減小；相同管片厚度下，隨著坑隧距離增大管片的收斂變形有明顯的減小。當坑隧距離超過20 m之后，管片收斂變形幾乎不隨管片厚度的增加而變化，且隨著坑隧距離的增加，管片收斂變形減小不再明顯。距離基坑較遠的右線隧道的收斂變形數值較小，且隨著管片厚度的變化,收斂變形的變化并不明顯。

a) 二層基坑

b) 三層基坑圖6 基坑開挖時左線隧道收斂變形隨管片厚度的變化

三層基坑開挖時管片收斂變形隨管片厚度變化的曲線斜率比二層基坑開挖更大。這說明三層基坑開挖時管片厚度變化對于收斂變形的影響更為明顯。

3 結論

1) 相同管片厚度的隧道，其水平收斂變形和豎向收斂變形隨著坑隧距離的增大而迅速減小，當距離增大到一定值時，影響不再明顯；對于不同管片厚度的隧道，管片厚度越大，收斂變形越小。管片豎向收斂變形與水平收斂變形變化規(guī)律相似，數值上豎向收斂變形略大于水平收斂變形。右線隧道變形較小，左線隧道對右線隧道具有一定的保護作用。

2) 坑隧距離較近時，隨著管片厚度的增大，收斂變形呈線性減小；而當距離較大時，收斂變形幾乎不隨管片厚度的增加而變化。與管片厚度相比，坑隧距離對收斂變形的影響要更大。

3) 基坑開挖深度增加時，與管片厚度相比，坑隧距離對收斂變形的影響更大，隧道收斂變形增大，基坑開挖的影響范圍更遠。與開挖深度相比，管片厚度變化對收斂變形的影響更為明顯。