開挖方式對(duì)下臥隧道變形影響的模型試驗(yàn)研究

張浩， 范建軍， 黃醒春

(1.中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司, 福建 福州 350015; 2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院； 3.常州市審計(jì)局; 4.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院)

1 前言

隨著地鐵在中國大規(guī)模的建設(shè)，鄰近下方既有地鐵隧道的基坑開挖工程日益增多，其基坑開挖導(dǎo)致的土體卸荷必然引起周圍地層移動(dòng)，致使隧道隆起并嚴(yán)重威脅地鐵安全。因此，研究基坑開挖卸載對(duì)下方既有隧道的影響非常重要。

20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外研究者對(duì)隧道上部開挖卸載對(duì)周圍土體及隧道的擾動(dòng)影響等進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)等有工程實(shí)用價(jià)值和理論意義的研究。張玉成等采用數(shù)值方法分析了廣州海珠廣場(chǎng)基坑開挖卸荷對(duì)下方既有地鐵隧道變形和應(yīng)力的影響；徐凌等對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道上方進(jìn)行基坑開挖的工程實(shí)例進(jìn)行了三維有限元數(shù)值分析并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較；鄭永來等采用數(shù)值模型對(duì)上海市軌道交通楊浦線淮海路車站北風(fēng)井基坑工程考慮空間和時(shí)間效應(yīng)的三維有限元分析，并通過與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，得出對(duì)具體施工的優(yōu)化建議；陳曉燕利用三維數(shù)值計(jì)算方法，研究基坑開挖過程中下方盾構(gòu)隧道的變形規(guī)律，并提出可采取的加固措施；魏少偉等采用三維有限元方法，對(duì)軟土地區(qū)基坑開挖對(duì)坑底已建隧道的影響進(jìn)行分析；李圍等采用三維相似模型試驗(yàn)研究了在南京玄武湖公路隧道下新建地鐵盾構(gòu)隧道時(shí)兩重疊隧道間的相互影響；方林等以西藏某復(fù)雜隧道工程為背景，開展了穿越斷層隧道振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究；馬險(xiǎn)峰等利用離心模型試驗(yàn)對(duì)盾構(gòu)隧道的地層損失進(jìn)行了模擬，研究了地層損失與施工期及工后地表沉降的關(guān)系。還有很多學(xué)者也對(duì)這方面的工作進(jìn)行了研究。

關(guān)于盾構(gòu)隧道上部開挖卸載的工程實(shí)踐日益增多，但相關(guān)位移特性及風(fēng)險(xiǎn)控制等研究相對(duì)較少，有關(guān)隧道上部基坑開挖卸載模型試驗(yàn)的研究更少。目前的研究局限于在某種具體開挖方式作用下，得到下臥隧道的變形特性，然后與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到基坑開挖對(duì)下臥隧道的影響，而如何通過優(yōu)化開挖方式來減小對(duì)下臥隧道的影響方面的研究則較少。

實(shí)際上，由于土體卸載特性的復(fù)雜性，對(duì)上部開挖卸載引起的土體位移及既有盾構(gòu)隧道變形的預(yù)測(cè)比較困難，而通過模型試驗(yàn)除了直接取得開挖方案的試驗(yàn)結(jié)果外，還可以獲得采用不同開挖方式時(shí)，卸載位移隨時(shí)間的變化關(guān)系。因此，基坑工程施工時(shí)其對(duì)下方既有地鐵隧道的影響是施工過程中需要密切關(guān)注的問題。隨著城市軌道交通以及地下空間的大規(guī)模建設(shè)開發(fā)，類似工程問題越來越多會(huì)遇到，而且亟需解決。該文依托上海四平路隧道項(xiàng)目，進(jìn)行相似模型試驗(yàn)，試驗(yàn)方案主要包括分層開挖施工方案及臺(tái)階開挖施工方案，對(duì)上部土體的開挖擾動(dòng)位移及下臥隧道的上浮特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。

2 工程概況

上海軌道交通10號(hào)線國權(quán)路站～同濟(jì)大學(xué)站上部疊交開挖工程，開挖區(qū)間里程為SK26+111.500～SK25+421.132 m，長(zhǎng)690.4 m。整個(gè)區(qū)間線路基本為直線、線路平面曲線最小半徑3 000 m。區(qū)間縱坡為V形坡，最大坡度為28‰，位于區(qū)間中間最低點(diǎn)設(shè)旁通道及泵站，采用凍結(jié)法加固，類礦山法施工。區(qū)間覆土最大17.62 m，最小10.144 m。隧道上方為下穿式立交，隧道與下立交疊交開挖長(zhǎng)度約630 m，隧道與下立交最小凈距約3.68 m。地鐵與下穿立交相對(duì)位置及構(gòu)筑物幾何尺寸如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道與立交相對(duì)位置(單位：mm)

襯砌構(gòu)造采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，通縫拼裝；每環(huán)由6塊管片組成，環(huán)寬1 200 mm，厚度350 mm；管片環(huán)向、縱向均采用M30直螺栓連接；管片設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C55，隧道內(nèi)徑和外徑分別為5 500、6 200 mm。盾構(gòu)底部埋深為-13.11～-20.04 m，穿越地層以軟黏土為主，穿越土層為灰色淤泥質(zhì)黏土、灰色黏土以及灰色粉質(zhì)黏土，主要土層的物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

3 模型試驗(yàn)

相似參數(shù)是原型與模型間相同物理量之比，模型試驗(yàn)所涉及到的基本相似參數(shù)如表2所示。

通過推導(dǎo)得到其余相似參數(shù)結(jié)果見表3。

3.1 試驗(yàn)裝置及材料

將實(shí)際工程實(shí)例簡(jiǎn)化為如圖2所示的模型，隧道橫斷面直徑6.5 m，隧道間隔6 m?？紤]隧道開挖橫向影響距離為2倍隧道直徑，模擬寬度取6.5+6.5+6+13×2=45 m。隧道實(shí)際埋深為25 m，考慮影響深度為2倍隧道直徑，模擬深度取25+6.5×2=38 m，模擬軸向長(zhǎng)度取80 m。結(jié)構(gòu)原型尺寸確定為:45 m×80 m×38 m。

模型比例定為20∶1計(jì)算，模型箱幾何尺寸為：4 m×2.25 m×1.9 m，連續(xù)墻幾何尺寸為：4 m×0.04 m×1.2 m，基坑尺寸為：4 m×1 m×0.6 m，具體尺寸如圖3所示。

模型箱采用角鋼框架+鋼化玻璃結(jié)構(gòu)。

表1 土層的物理力學(xué)參數(shù)

表2 基本相似參數(shù)

表3 其余相似參數(shù)

圖2 試驗(yàn)原型模型俯視簡(jiǎn)圖(單位：mm)

連續(xù)墻、底板模擬材料為木板，連續(xù)墻模型的幾何尺寸為4 m×1.2 m×0.04 m，分層開挖中底板模型的幾何尺寸為4 m×1 m×0.02 m，分段開挖中底板模型的幾何尺寸為0.4 m×1 m×0.02 m。木材重度為14 kN/m3，厚度為0.02 m，泊松比為0.25，彈性模量為4.0 GPa，滿足試驗(yàn)要求。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

鋼支架用于模擬混凝土支撐橫梁，采用可伸縮不銹鋼管，支護(hù)間距為沿開挖方向每隔0.2 m，深度方向上每隔0.2 m設(shè)置一個(gè)支護(hù)點(diǎn)，共設(shè)立3道支撐，支撐直徑3 cm。

盾構(gòu)隧道模型采用高強(qiáng)度型號(hào)的PVC管模擬，外觀尺寸30 cm，壁厚1.5 cm，彈性模量4 GPa。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括位移傳感器、位移測(cè)量桿和數(shù)據(jù)采集儀等。其中位移傳感器采用YWC型應(yīng)變式位移傳感器，測(cè)量土體內(nèi)部沉降及隧道表面變形，位移測(cè)量桿主要用于土體沉降位移的測(cè)量，數(shù)據(jù)采集儀采用DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，主要由數(shù)據(jù)采集箱、微型計(jì)算機(jī)及支持軟件組成。

試驗(yàn)方案的傳感器布置如圖4所示。測(cè)量桿上滑板高度根據(jù)要求分為1.0(距離底板)、1.4和1.9 m(土體表面)3類，測(cè)量桿平面位置按照4行4列安裝，另在其間根據(jù)剩余空間大小適當(dāng)增加1～2根。位移傳感器用于盾構(gòu)隧道變形監(jiān)測(cè)，安裝于G1～G6位置。

圖4 傳感器的布置(單位：m)

3.2 試驗(yàn)土樣制作

相似土體采用石膏、鐵礦粉、原狀土等材料按不同比例配制，經(jīng)試驗(yàn)室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，選取與相似比最接近的材料配比制作試驗(yàn)用重塑土。經(jīng)3組不同配比重塑土體試驗(yàn)結(jié)果比較分析，取石膏∶鐵礦粉∶灰色砂質(zhì)粉土=20∶10∶70的材料配比及含水量，含水量12%作為試驗(yàn)材料參數(shù)。模型試驗(yàn)用土由樁基開挖置換土(18 m3)+石膏(1 t)+鐵礦砂(1 t)配制而成。得到的試驗(yàn)土重度為18 kN/m3，泊松比為0.20，彈性模量為原狀土的1/20，約為5.2 MPa，黏聚力c為15.7 kPa，內(nèi)摩擦角φ為24°。

3.3 模型試驗(yàn)方案

模型試驗(yàn)方案主要包括分層開挖及臺(tái)階開挖兩種。兩種開挖方式的試驗(yàn)方案如圖5所示，分3層開挖，每層0.2 m。

(a) 分層開挖

開挖模擬的主要試驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)如表4所示。

表4 模型試驗(yàn)步驟

4 模型試驗(yàn)結(jié)果

4.1 測(cè)點(diǎn)沉降

沉降觀測(cè)共設(shè)置了24個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，限于篇幅，該文選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、12、22所在的截面進(jìn)行分析，這3個(gè)點(diǎn)距底板的距離分別為1.9、1.0和1.4 m。

圖6為分層開挖條件下測(cè)點(diǎn)3、12、22的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

從圖6可以看出：① 基坑開挖結(jié)束后，沉降依次為4.13、0.64、2.94 mm，說明沉降值隨著深度的增加而減?。虎?開挖過程中及開挖結(jié)束后，點(diǎn)3和點(diǎn)22處土體位移隨時(shí)間增大，而點(diǎn)12監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)則有些波動(dòng)，可能是由于該點(diǎn)緊貼木板，受到基坑開挖卸荷作用的影響要比其余兩點(diǎn)明顯。

圖6 分層開挖條件土體位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖7為臺(tái)階開挖條件下測(cè)點(diǎn)3、12、22的監(jiān)測(cè)結(jié)果，基坑開挖結(jié)束后，測(cè)得的沉降依次為1.67、-0.08、1.35 mm。

圖7 臺(tái)階開挖條件土體位監(jiān)測(cè)結(jié)果

從圖7可以看出：監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、22在開挖過程中以及開挖結(jié)束后，土體位移都隨著時(shí)間增加，而點(diǎn)12處土體位移則有所波動(dòng)，說明該點(diǎn)受到卸載作用比較明顯，這與分層開挖監(jiān)測(cè)到的情況類似。

圖8～11為分層開挖條件下測(cè)線6-4-3-1、5-23-2、7-24-22-21及測(cè)線16-10-12-15處的沉降曲線。從圖8～10可以看出：地表沉降變形隨著盾構(gòu)上部基坑開挖卸載的增大而增大。最大沉降出現(xiàn)在表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)23處，為5.98 mm。距基坑軸線相同的土體沉降最大增量隨埋深的增大而減小，同一埋深土體沉降最大增量隨著距基坑軸線距離的增大而減小。同時(shí)測(cè)線16-10-12-15得到的數(shù)據(jù)顯示，開挖結(jié)束后，沉降值大于開挖之前的現(xiàn)象，這可能是由于該處緊靠連續(xù)墻，受基坑開挖卸荷的作用比較明顯。

圖8 地表沉降(測(cè)線6-4-3-1)

圖9 地表沉降(測(cè)線5-23-2)

圖10 不同工況下土體內(nèi)部沉降

圖11 不同工況下土體內(nèi)部沉降

臺(tái)階開挖條件下測(cè)線6-4-3-1，5-23-2，7-24-22-21及測(cè)線16-10-12-15沉降曲線分別如圖12～15所示，圖中ST表示臺(tái)階土體開挖前，STF表示臺(tái)階土體開挖后。

由圖12～15可以看出：與分層開挖條件相似，開挖結(jié)束后，距基坑軸線相同的土體沉降最大增量隨埋深的增大而減小，同一埋深土體沉降最大增量隨著距基坑軸線距離的增大而減小。最大沉降值出現(xiàn)在點(diǎn)4處，為2.73 mm，明顯小于分層開挖條件下得到的最大沉降值，這說明采用臺(tái)階開挖時(shí)對(duì)表面沉降的影響要小于分層開挖時(shí)對(duì)沉降的影響。

4.2 盾構(gòu)隧道位移

分層開挖條件隧道位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖16所示，盾構(gòu)隧道上部基坑開挖過程中盾構(gòu)隧道變形較小，測(cè)點(diǎn)G1～G6最大隆起變形分別為0.28、0.26、0.25、0.27、0.28和0.28 mm。

圖12 地表沉降(測(cè)線6-4-3-1)

圖13 地表沉降(測(cè)線5-23-2)

圖14 不同工況下土體內(nèi)部沉降(深0.5 m，

臺(tái)階開挖條件隧道位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖17所示(為便于分析，取上浮位移為正)，盾構(gòu)隧道上部基坑開挖過程中盾構(gòu)隧道變形較小，測(cè)點(diǎn)G1～G6最大隆起變形分別為0.19、0.22、0.22、0.23、0.23和0.25 mm。

圖15 不同工況下土體內(nèi)部沉降(深0.9 m，

綜合分層開挖和臺(tái)階開挖條件試驗(yàn)結(jié)果，采用分層開挖對(duì)基坑周圍土體沉降的影響要大于采用臺(tái)階開挖對(duì)沉降的影響，但對(duì)于下臥隧道的隆起，采用分層開挖和臺(tái)階開挖之間差距不明顯。

5 結(jié)論

依據(jù)軟土地層典型基坑開挖背景，通過三維相似模型試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了基坑開挖過程周邊土體擾動(dòng)位移空間分布及其開挖步段的階段性特征，研究結(jié)果可為軟土地層基坑開挖土體位移的空間分布預(yù)測(cè)提供相應(yīng)依據(jù)，土體位移的基本規(guī)律如下：

圖16 分層開挖條件隧道位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

(1) 兩種開挖條件下，地表沉降變形隨著盾構(gòu)上部基坑開挖卸載的增大而增大，開挖結(jié)束后，距基坑軸線相同的土體沉降最大增量隨埋深的增大而減小，同一埋深土體沉降最大增量隨著距基坑軸線距離的增大而減小。

(2) 相較于不同開挖方式對(duì)基坑周圍土體位移的影響，采用分層開挖和臺(tái)階開挖時(shí)，會(huì)引起下臥隧道一定程度的上浮，但是兩種開挖方式得到的上浮值之間差距不明顯。不同開挖方式對(duì)基坑開挖的影響主要體現(xiàn)在對(duì)周圍土體位移的影響。

(3) 臺(tái)階法和分層法開挖得到的試驗(yàn)結(jié)果之間存在一定差異，原因一方面是由于不同開挖方式施工過程土體卸載程度差異造成彈性恢復(fù)位移差異；另一方面是不同開挖方式引起的三維擾動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)分布差異，導(dǎo)致在相同時(shí)間條件下，產(chǎn)生的位移存在差異(相同蠕變模型條件下)。

(4) 相比較而言，從隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及行車安全性考慮，臺(tái)階下行開挖方式優(yōu)于分層開挖施工方式。

圖17 臺(tái)階開挖隧道位移監(jiān)測(cè)結(jié)果