梁霄LIANG Xiao

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)、城市現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，城市核心區(qū)地下交通基礎(chǔ)設(shè)施也不斷完善，越來越多的深基坑工程鄰近既有隧道開挖建設(shè)?，F(xiàn)有研究多針對軌道交通區(qū)間盾構(gòu)隧道，在區(qū)間隧道上方或側(cè)方進(jìn)行深基坑開挖，研究基坑開挖卸載對區(qū)間隧道的影響及控制措施等[1-3]，但針對既有道路隧道箱涵結(jié)構(gòu)、深基坑緊貼既有隧道開挖的案例相對較少。

本文以上海地區(qū)一個(gè)緊貼既有道路隧道的設(shè)計(jì)坑工程為背景，采用修正Mohr-Coulomb 彈塑性模型、整體有限元方案對基坑開挖過程進(jìn)行動態(tài)模擬，分析基坑開挖對既有隧道的影響。

1 工程概況

本文依托項(xiàng)目為新建路隧道唐山路匝道改建工程，對原唐山路匝道進(jìn)行改造，匝道改造后平行于新建路隧道主線向北轉(zhuǎn)向東余杭路并接地。（圖1）

圖1 改建匝道與新建路隧道主線相互關(guān)系平面圖

圖2 改建匝道與新建路隧道主線的相對關(guān)系剖面圖

根據(jù)改建匝道的工程籌劃，改建匝道分區(qū)2 開挖范圍，改建匝道與既有新建路隧道主線平行，兩者結(jié)構(gòu)凈距最小處僅1.65m，改建匝道基坑深度約11m。既有新建路隧道主線為單層多孔箱涵結(jié)構(gòu)，其圍護(hù)采用SMW 工法樁、且型鋼已拔除，隧道主線結(jié)構(gòu)為天然地基形式、結(jié)構(gòu)下方無工程樁。

2 緊鄰既有隧道深基坑變形控制設(shè)計(jì)

考慮兩者之間距離近、空間狹小，如何控制開挖基坑的變形以及減小其引起的既有新建路隧道側(cè)向位移、變形和沉降，確保改建匝道基坑和既有新建路隧道的安全至關(guān)重要。

2.1 基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)上海市市政行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市橋梁、隧道安全保護(hù)區(qū)區(qū)域技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[4]和相關(guān)管理單位的要求，本工程對既有新建路隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的絕對沉降量及水平位移量均≤10mm。

2.2 基坑圍護(hù)方案設(shè)計(jì)

2.2.1 圍護(hù)設(shè)計(jì)選型 改建匝道分區(qū)2 的基坑深度約10～11m，根據(jù)上海地區(qū)多年來軟土地下工程建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及本工程的水文地質(zhì)條件，可采用的圍護(hù)型式有地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁和SMW 工法樁。

在緊鄰既有隧道的一側(cè)采用成孔擾動小、成孔質(zhì)量好、剛度大的鉆孔咬合樁；在基坑的另一側(cè)采用適應(yīng)性好、更加經(jīng)濟(jì)的SMW 工法樁。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型對比表

2.2.2 支撐體系設(shè)計(jì) 為控制基坑變形對緊鄰既有隧道的影響，結(jié)合基坑深度，豎向設(shè)置三道內(nèi)支撐，其中首道撐為鋼筋混凝土支撐，其余為鋼支撐。在主體結(jié)構(gòu)回筑、拆撐過程中，設(shè)置1 道鋼換撐控制支撐的豎向間距，以減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

為盡可能減小基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形，降低對既有隧道的影響，鋼支撐采用軸力自動補(bǔ)償系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)對鋼支撐軸力進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測值及時(shí)自動補(bǔ)償支撐軸力，可控制伺服鋼支撐的軸力又同時(shí)保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移穩(wěn)定，達(dá)到控制基坑支護(hù)系統(tǒng)變形的目的，對鄰近周邊敏感環(huán)境起到主動控制防護(hù)作用[5-6]。

2.2.3 坑內(nèi)土體加固 為提高坑內(nèi)被動區(qū)土體抗力，控制基坑變形，坑底采用裙邊加固和抽條加固相結(jié)合的方式，其中抽條加固在緊鄰既有新建路隧道范圍進(jìn)行加密。加固均采用三軸攪拌樁，水泥摻入量不小于20%。

綜上，保護(hù)既有隧道的針對性措施為增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度（咬合樁增大樁徑、工法樁型鋼密插）、坑底裙邊和抽條加固、鋼支撐設(shè)置軸力自動補(bǔ)償系統(tǒng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斷面如圖3 所示。

圖3 緊鄰既有隧道范圍的改建匝道基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)剖面圖

圖4 三維有限元模型

3 基坑開挖對既有隧道影響的三維數(shù)值模擬

為分析基坑施工對緊鄰既有新建路隧道的影響，并驗(yàn)證上述基坑變形控制措施的效果，采用大型有限元分析軟件Midas GTS 進(jìn)行三維數(shù)值模型精細(xì)化模擬，以預(yù)測分析基坑開挖過程中的變形及對既有隧道的影響情況。

選取距離既有新建路隧道最近且影響最大的分區(qū)2進(jìn)行三維建模，對于既有新建路隧道，在模型中作一定的簡化：即選取與改建匝道距離最近處的主線結(jié)構(gòu)斷面（單層雙孔箱涵結(jié)構(gòu)）作為標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行建模。

3.1 三維有限元模型

考慮工程的影響范圍、模型尺寸的邊界效應(yīng)以及基坑平面尺寸、開挖深度、地質(zhì)條件、圍護(hù)樁深度、既有隧道尺寸和埋深等，確定數(shù)值模型尺寸為210×140×50m（即x、y、z方向）。模型網(wǎng)格劃分共得到88424 個(gè)單元、62298 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

為方便建模，將鉆孔咬合樁、SMW 工法樁按照剛度等效原則，等效為與之受力形式相近、一定厚度的地下連續(xù)墻[7]。

模型中土層采用3D 實(shí)體單元，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、既有隧道結(jié)構(gòu)均采用2D 板單元，頂圈梁、腰梁、混凝土支撐和鋼支撐均采用1D 梁單元模擬。

基坑模型的邊界條件：模型四周及底面均設(shè)置自動約束，即約束基坑四周和底部節(jié)點(diǎn)的平移自由度；模型頂部為自由面，不設(shè)置約束；單元設(shè)置自重荷載，基坑周邊地表設(shè)置超載。

3.2 材料本構(gòu)及計(jì)算參數(shù)

對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)、混凝土支撐、鋼支撐、頂圈梁和腰梁、既有隧道結(jié)構(gòu)等的本構(gòu)關(guān)系按照各向同性線彈性考慮，其計(jì)算參數(shù)如表2 所示。

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)

修正摩爾-庫侖本構(gòu)模型（即HS 模型）是常用于基坑開挖數(shù)值分析的模型之一，適用于基坑開挖全過程中對周邊敏感環(huán)境進(jìn)行分析[8]，故模型中土層選用HS 本構(gòu)模型，相關(guān)參數(shù)如表3 所示。

表3 土層本構(gòu)模型計(jì)算參數(shù)

3.3 施工工況模擬

Midas GTS 有限元軟件通過“激活與鈍化”單元來模擬整個(gè)施工過程，具體施工工況定義如表4。

表4 施工工況定義

4 三維有限元計(jì)算結(jié)果分析

4.1 計(jì)算結(jié)果分析

在采取2.2 節(jié)中相關(guān)設(shè)計(jì)措施后，基坑開挖完成后圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平向變形（向遠(yuǎn)離既有隧道側(cè)為正）如圖5。

圖5 基坑開挖完成后圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形

圍護(hù)結(jié)構(gòu)鄰近既有隧道側(cè)水平變形最大值為9.23mm，遠(yuǎn)離既有隧道側(cè)水平變形最大值為-14.37mm，兩者的差異是由于既有隧道（箱涵結(jié)構(gòu)）替代了原有土層，基坑開挖后鄰近既有隧道側(cè)的水土壓力相對偏小、基坑整體向既有隧道側(cè)擠壓。

基坑開挖完成后既有新建路隧道的變形（豎向變形向上為正、水平向變形向基坑側(cè)為正）如圖6 所示。

圖6 基坑開挖完成后既有新建路隧道變形圖

從圖6 可以看到，基坑開挖完成后既有新建路隧道的最大豎向沉降為8.65mm，最大水平向變形為5.14mm，滿足其變形控制保護(hù)要求，說明本文采取的相應(yīng)保護(hù)性設(shè)計(jì)措施是合理有效的。

既有隧道中部且靠近基坑側(cè)的豎向沉降相比其他區(qū)域較小、為3mm，主要是由于基坑開挖卸載后坑底隆起，尤其對于窄條基坑隆起現(xiàn)象更為明顯[9]，故靠近基坑位置的豎向沉降反而偏小。既有隧道中部且靠近基坑側(cè)的水平向位移最大，主要受基坑開挖后圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平向變形的影響。

為探討本文采取的主要既有隧道保護(hù)設(shè)計(jì)措施分別對控制既有隧道變形的作用貢獻(xiàn)大小：措施①增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、措施②坑底裙邊和抽條加固、措施③鋼支撐軸力自動補(bǔ)償系統(tǒng)，對是否考慮該設(shè)計(jì)措施分別計(jì)算，得到的主要計(jì)算結(jié)果如下：圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形（向基坑內(nèi)為正）、既有隧道豎向沉降和水平變形。

從表5 可以看到，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形、既有隧道水平變形控制作用較大的為措施②，措施③對兩者水平變形的控制較為明顯，措施①的作用相對較?。粚扔兴淼镭Q向沉降控制作用較大的亦為措施②、措施③的作用此致，但措施①的作用為負(fù)相關(guān)。

表5 不同保護(hù)設(shè)計(jì)措施作用下計(jì)算結(jié)果對比表

考慮到基坑底灰色淤泥質(zhì)黏土層，該層土壓縮性高、強(qiáng)度低、土質(zhì)差，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形集中在坑底范圍，同時(shí)既有隧道底板豎向標(biāo)高與基坑底接近，故措施②對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和既有隧道水平向變形的控制作用大于措施③，措施②對既有隧道豎向沉降的作用更明顯（通過控制基坑內(nèi)坑底土隆起）；由于既有隧道緊鄰基坑，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施作相比原始狀態(tài)為增加荷載，圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度越大相應(yīng)荷載越大，故措施①導(dǎo)致既有隧道豎向沉降增大。

4.2 參數(shù)分析

為進(jìn)一步分析本文采取的既有隧道保護(hù)設(shè)計(jì)措施對控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、既有隧道變形的作用，采用單一因素控制法進(jìn)行分析。

①針對基坑底加固，分別采用抽條加固、裙邊加固、抽條+裙邊加固和滿堂加固的型式，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和既有隧道的變形如圖7。

圖7 不同坑底加固類型下圍護(hù)結(jié)構(gòu)和既有隧道變形量

從圖7 中可以看到，整體呈現(xiàn)出坑底加固量越大、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和既有隧道變形越小的趨勢，裙邊加固相比抽條加固對兩者變形控制的作用更為明顯。

對于裙邊加固、裙邊+抽條加固和滿堂加固，對既有既有隧道豎向沉降的控制，三者的作用差異較?。粚τ谒较蜃冃蔚目刂?，三者的作用大小基本呈線性增加。針對本工程，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)因素，坑底采用裙邊+抽條加固較為適宜。

②有限元模擬中鋼支撐軸力自動補(bǔ)償系統(tǒng)的加載主要通過施加一恒定力來模擬伺服軸力[1～3]，在不同伺服系統(tǒng)布置型式和軸力設(shè)定值作用下，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和既有隧道的變形如圖8。

圖8 不同伺服系統(tǒng)工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)和既有隧道變形圖

從圖8 中可以看出，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平向變形和既有隧道水平變形隨著伺服系統(tǒng)數(shù)量或軸力設(shè)定值的增加而減小、隨著伺服系統(tǒng)布置位置更靠近坑底而減小；伺服系統(tǒng)軸力和布置型式對遠(yuǎn)離隧道側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的控制作用更明顯，分析原因是緊鄰既有隧道剛度相比土體更大，伺服系統(tǒng)對鄰近隧道側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及既有隧道的水平變形的調(diào)節(jié)作用相對更弱。

伺服系統(tǒng)的軸力設(shè)定值和布置型式對既有隧道豎向沉降基本無影響。

③圍護(hù)結(jié)構(gòu)在模型中等效為地墻后，其剛度主要反映在墻厚中，不同墻厚對應(yīng)的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和既有隧道的變形如圖9。

圖9 不同圍護(hù)剛度下圍護(hù)結(jié)構(gòu)和既有隧道變形圖

從圖9 中可以看出，增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對其自身水平變形的控制作用較大，對控制既有隧道水平變形的作用相對較??；增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，導(dǎo)致既有隧道豎向沉降（尤其是鄰近基坑側(cè)）增加。

5 結(jié)論與討論

基于本工程既有隧道和開挖基坑的相對關(guān)系的特點(diǎn)，通過三維有限元數(shù)值模擬基坑開挖過程對緊鄰既有隧道的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下。

①為控制改建匝道基坑開挖對緊鄰既有隧道的影響，本文采取的保護(hù)設(shè)計(jì)措施經(jīng)有限元分析驗(yàn)證是有效可行的；②緊鄰既有隧道基坑開挖，基坑整體變形特征為向既有隧道側(cè)擠壓；既有隧道中部且鄰近及肯側(cè)的水平變形最大；受窄條基坑隆起的影響，既有隧道靠近基坑位置的豎向沉降更?。虎劭拥准庸虒刂苹訃o(hù)結(jié)構(gòu)和既有隧道變形的作用最大、鋼支撐軸力自動補(bǔ)償系統(tǒng)的作用次之、增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度作用最小，且增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度不利于既有隧道沉降的控制；④裙邊加固形式對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和既有隧道變形的控制作用優(yōu)于抽條加固形式；鋼支撐軸力系統(tǒng)的布置對水平向變形的控制更有效，對既有隧道豎向沉降基本無影響；單純增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度對控制既有隧道水平變形作用不明顯，且不利于既有隧道沉降的控制。

如更有效的控制既有隧道豎向沉降，考慮通過隧道底板下方注漿加固的方式，施工過程中加強(qiáng)對既有隧道的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測情況在隧道內(nèi)部底板上鉆孔注漿加固作為應(yīng)急針對性措施。