臨近隧道基坑開挖中土體加固的敏感性分析

裴行凱，倪小東

(1.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州510010;2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京210098)

隨著城市的發(fā)展，以及地鐵周邊區(qū)域的經(jīng)濟(jì)開發(fā)，越來越多的基坑工程出現(xiàn)在地鐵區(qū)間隧道或車站的附近。這種近距離的開挖勢必將影響運(yùn)營中的地鐵，對(duì)地鐵隧道及車站的保護(hù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。然而，從目前的研究現(xiàn)狀來看，由于工況的復(fù)雜性、施工方法的多樣性，還沒有提出較為精確的理論解析解。大多數(shù)工程在其建設(shè)前都采用數(shù)值模擬的方法來對(duì)地鐵隧道或車站位移進(jìn)行預(yù)估計(jì)。關(guān)于此問題，目前已有大量的研究成果發(fā)表［1－9］。文［6］闡述了基坑工程要考慮環(huán)境的影響，分析和總結(jié)了現(xiàn)有的一些有效治理措施和解決方案，提出應(yīng)在勘探和初步設(shè)計(jì)中就要全面考慮各種影響因素;文［7－8］探索了利用坑內(nèi)加固和基坑工程的時(shí)空效應(yīng)施工法等措施來控制民用建筑基坑下已建成隧道的上抬變形;文［9］從隧道的垂直沉降、水平移動(dòng)以及隧道的橫向變形等角度探討上了基坑開挖對(duì)臨近地鐵隧道的影響。

本文基于ABAQUS建立基坑開挖對(duì)臨近地鐵隧道的三維動(dòng)態(tài)分析模型，重點(diǎn)分析基坑土體加固方案對(duì)地鐵隧道的保護(hù)，探討不同加固強(qiáng)度與加固深度對(duì)臨近地鐵的敏感性影響，提出最優(yōu)加固措施。

1 工程概況

擬建項(xiàng)目工程地塊位于上海市寶慶路某地塊，地處繁華商業(yè)區(qū)和交通干道，西側(cè)鄰近軌道交通7號(hào)線區(qū)間隧道。項(xiàng)目基坑開挖總面積4 339.4 m2，基坑形狀接近長方形，長約 82 m，寬約53 m，開挖深度15.8 m，基坑西側(cè)外邊界與鄰近隧道平行，最近距離約4.9 m。本地鐵隧道為重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象。為預(yù)防隧道變形，考慮基坑范圍內(nèi)采用三軸攪拌樁加固。

場地范圍內(nèi)土體從上至下為:①雜填土:主要由碎石類土、砂類土等組成，層厚0.4～4 m;②粉質(zhì)黏土:錳質(zhì)氧化物及其結(jié)核，混少量鈣質(zhì)結(jié)核，可塑狀態(tài)，層厚2.8～7.1 m;③ 淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土:高壓縮性，夾粉砂薄層，層厚3.5～11.0 m;④ 淤泥質(zhì)粘土:流塑，中壓縮性，夾薄層粉砂，層厚5.5～27.40 m;⑤粘土:透水性差，層厚5.6 ～13.0 m。

2 模型的建立

考慮對(duì)稱性取1/4作為研究模型，基坑開挖尺寸為26 m×40 m?；痉治瞿Ｐ椭锌紤]基坑開挖深度為15 m。隧道與基坑最近距離5 m，隧道中心距地面15 m。兩條盾構(gòu)隧道位移基坑一側(cè)，隧道中心埋深15 m，隧道與基坑最近距離為5 m，兩條隧道中心間距為15.6 m。模型如圖1所示。該三維模型在平面上取120 m×140 m，在深度方向上取80 m。此外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，深度為30 m，設(shè)3道水平支撐。

土體模擬根據(jù)地勘資料，利用修正劍橋模型，土體物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。考慮盾構(gòu)隧道的等效剛度模型，隧道彎曲剛度折減系數(shù)為0.069 5，考慮隧道橫向等效剛度對(duì)縱向等效剛度的折減系數(shù)0.75，可得隧道整體等效剛度系數(shù)為0.052 1，則隧道等效剛度為1.798 GPa。連續(xù)墻結(jié)構(gòu)和隧道襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of the soil

表2 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)Tab.2 Mechanical parameters of structure

3 土體加固因素的敏感性分析

本節(jié)討論的是滿膛式坑內(nèi)加固。

3.1 坑內(nèi)土體加固強(qiáng)度

為了考慮不同加固強(qiáng)度在基坑開挖對(duì)隧道縱向影響中的作用，選擇加固深度至坑底以下6 m，加固強(qiáng)度分別為100、150、200和250 MPa四個(gè)有限元模型，其他條件均與未加固時(shí)一致。

(1)連續(xù)墻水平位移分析

從圖2可以看出，采用不同加固方案和未加固時(shí)連續(xù)墻水平位移隨深度的變化規(guī)律基本相同?？觾?nèi)土體未加固時(shí)，地下連續(xù)墻的最大水平位移出現(xiàn)在距地面12 m處，最大水平位移為19.91 mm。在不同加固強(qiáng)度條件下，基坑開挖深度至15 m時(shí)，地下連續(xù)墻的最大水平位移均出現(xiàn)在距地面12 m深度處，為基坑開挖深度的0.8倍。可見，坑內(nèi)土體加固程度對(duì)連續(xù)墻最大水平位移出現(xiàn)的位置沒有影響，這是由于，地下連續(xù)墻的最大水平位移出現(xiàn)位置主要取決于開挖深度。

由于坑內(nèi)土體的加固措施，土體強(qiáng)度增強(qiáng)，對(duì)連續(xù)墻的水平位移起到很好的抑制作用。當(dāng)坑內(nèi)土體未加固時(shí)，地下連續(xù)墻的最大水平位移為19.98 mm，加固土體墻體為 100、150、200 和250 MPa時(shí)，所對(duì)應(yīng)的地下連續(xù)墻水平位移分別為16.92、15.61、14.66 和14.03 mm。坑內(nèi)土體從未加固至加固強(qiáng)度為100 MPa時(shí)，地下連續(xù)墻最大水平位移的減小幅度為2.99 mm，抑制效果非常明顯。然而，土體強(qiáng)度從 100 MPa依次增加50 MPa至250 MPa時(shí)，地下連續(xù)墻最大水平位移的減小幅度分別為1.31、0.95 和0.63 mm。因此，土體加固對(duì)地下連續(xù)墻的變形抑制非常明顯，但土體達(dá)到一定強(qiáng)度后，這種影響逐漸減弱。

(2)隧道縱向位移分析

從圖3來看，不同土體加固強(qiáng)度下，基坑開挖對(duì)隧道水平位移的影響在距離基坑中心截面40 m處逐漸趨于零，即基坑開挖長度范圍內(nèi)。

不同加固方案對(duì)隧道縱向水平位移的影響范圍在離基坑中心30 m范圍內(nèi)，30 m以外的隧道縱向水平位移所受土體加固強(qiáng)度的影響可以忽略。土體加固對(duì)隧道縱向水平位移的主要影響區(qū)域集中在離基坑中心15 m范圍之內(nèi)，在該范圍內(nèi)，土體加固對(duì)隧道縱向水平位移有明顯的抑制作用。隨著坑內(nèi)土體強(qiáng)度的增加，土體強(qiáng)度對(duì)隧道縱向變形的影響趨勢逐漸減小，為更好分析這種變化趨勢，取隧道縱向最大水平位移作為研究對(duì)象。

從圖4來看，不同土體加固強(qiáng)度下，基坑開挖對(duì)隧道水平位移的影響在距離基坑中心截面40 m處逐漸趨于零，即基坑開挖長度范圍內(nèi)，為不同加固強(qiáng)度對(duì)隧道縱向最大水平位移影響。未加固時(shí)隧道縱向最大水平位移為14.81 mm，土體加固強(qiáng)度從100 MPa依次增加50 MPa至250 MPa時(shí)，隧道的縱向最大水平位移的減小幅度分別為1.65、1.11、0.72 和0.32 mm?？梢?，當(dāng)土體從未加固至加固強(qiáng)度為100 MPa和加固強(qiáng)度為150 MPa時(shí)，隧道縱向最大有兩次明顯的減少，土體強(qiáng)度增加至200 MPa之后，土體強(qiáng)度對(duì)隧道縱向最大水平位移的約束作用明顯減弱。

(3)隧道橫截面彎矩沿隧道縱向分析

由圖5可知，未加固時(shí)隧道的縱向最大截面彎矩出現(xiàn)在距離基坑中心截面20 m處，最大彎矩值為2 631 kN·m?；觾?nèi)采取加固措施后，隧道縱向整體彎矩有一定的減小，在距基坑中心截面40 m處彎矩有明顯減小?？觾?nèi)土體加固后，隧道沿縱向的最大截面彎矩出現(xiàn)在距基坑中心截面24 m處，最大彎矩值分別為2 506、2 393、2 341和2272 kN·m。此處，靠近基坑一側(cè)隧道襯砌為受拉應(yīng)力。當(dāng)加固強(qiáng)度從100 MPa增加至250 MPa的過程中，隧道縱向彎矩僅有微量的減小，可認(rèn)為加固強(qiáng)度的增加對(duì)隧道縱向截面彎矩沒有明顯的影響。

(4)優(yōu)化建議

從實(shí)際效果和經(jīng)濟(jì)角度綜合考慮，土體加固深度對(duì)于抑制隧道的作用并非越深越好。對(duì)于本算例而言，當(dāng)加固強(qiáng)度從未加固增加至150 MPa時(shí)，隧道的變形受到明顯抑制，當(dāng)繼續(xù)增加加固強(qiáng)度時(shí)，這種抑制作用逐漸減弱。因此，針對(duì)本算例的工況，推薦的優(yōu)化加固強(qiáng)度為150 MPa。

3.2 坑內(nèi)土體加固深度

在加固深度方面，選擇相同的加固強(qiáng)度為150 MPa，考慮不同加固深度在基坑開挖對(duì)隧道縱向影響中的作用，分別建立加固深度至坑底以下3、6、9和12 m四個(gè)有限元模型，其他條件均與未加固時(shí)一致。

(1)連續(xù)墻水平位移影響

由圖6可知，由于坑內(nèi)土體的加固措施，土體強(qiáng)度增強(qiáng)，對(duì)連續(xù)墻的水平位移起到很好的抑制作用。當(dāng)坑內(nèi)土體未加固時(shí)，地下連續(xù)墻的最大水平位移為19.98 mm，加固土體墻體為100、150、200和250 MPa時(shí)，所對(duì)應(yīng)的地下連續(xù)墻水平位移分別為16.92、15.61、14.66 和14.03 mm?？觾?nèi)土體從未加固至加固強(qiáng)度為100 MPa時(shí)，地下連續(xù)墻最大水平位移的減小幅度為2.99 mm，抑制效果非常明顯。然而，土體強(qiáng)度從100 MPa依次增加50 MPa至250 MPa時(shí)，地下連續(xù)墻最大水平位移的減小幅度分別為 1.31、0.95 和 0.63 mm。因此，土體加固對(duì)地下連續(xù)墻的變形抑制非常明顯，但土體達(dá)到一定強(qiáng)度后，這種影響逐漸減弱。

(2)隧道縱向水平位移分析

從圖7整體來看，不同加固深度下隧道水平位移沿縱向基本發(fā)生在基坑開挖長度范圍之內(nèi)，而不同加固條件對(duì)隧道縱向水平位移影響明顯的范圍集中在距離基坑開挖中心截面20 m范圍內(nèi)，從圖中可以看出加固深度為3 m時(shí)對(duì)隧道縱向水平位移的影響不是非常明顯，當(dāng)加固深度增加至6 m時(shí)，隧道縱向水平位移有明顯的減小，然而，隨著基坑加固深度的繼續(xù)增加，隧道縱向水平位移的減小趨勢變的非常微弱。針對(duì)隧道縱向最大水平位移而言，為加固時(shí)隧道最大水平位移為14.81 mm，當(dāng)加固深度從3 m增加至12 m的過程中，隧道最大水平位移的減小幅度分別為0.91、2.57、0.96 和 0.46 mm。可見，加固深度對(duì)隧道的水平位移有明顯的抑制作用，但并非加固深度越深越好，實(shí)際工程中應(yīng)選擇最優(yōu)的加固深度。

(3)隧道橫截面彎矩沿隧道縱向分析

從圖8中可以看出，基坑加固深度的增加對(duì)隧道橫截面沿縱向的彎矩影響非常明顯，然而，隨著加固深度的增加，加固深度對(duì)隧道橫截面彎矩的削弱作用表現(xiàn)的越來越弱，尤其是加固深度從6 m增加至12 m時(shí)，隧道橫截面的彎矩幾乎沒有變化。基坑加固深度為3、6、9和12 m時(shí)，隧道橫截面的最大彎矩分別為2 525、2 341、2 232和2 187 kN·m，位置出現(xiàn)在距離基坑開挖中心20 m處。與基坑加固深度對(duì)隧道水平位移的影響趨勢相近，當(dāng)加固深度從3 m增加到6 m時(shí)，有較明顯的抑制作用，當(dāng)加固深度超過6 m后，這種抑制作用明顯減弱。

4 結(jié)論

1)隨著加固強(qiáng)度的增加，隧道縱向位移有顯著減少，然而，當(dāng)土體強(qiáng)度增加至200 MPa之后，土體強(qiáng)度對(duì)隧道縱向最大水平位移的約束作用明顯減弱。在加固強(qiáng)度不斷增加的過程中，隧道縱向彎矩僅有微量的減小，可認(rèn)為加固強(qiáng)度的增加對(duì)隧道縱向截面彎矩影響較弱。

2)在加固深度不斷增加的過程中，隧道水平位移的減小幅度明顯，且呈現(xiàn)顯著的收斂趨勢。同時(shí)，對(duì)隧道斷面彎矩而言，當(dāng)加固深度從3 m增加到6 m時(shí)，隧道斷面彎矩減小幅度較大，當(dāng)加固深度超過6 m后，這種抑制作用明顯減弱?？梢?，加固深度對(duì)隧道的變形有明顯的抑制作用，但并非加固深度越深越好，對(duì)于本案例條件下，基坑土體的最優(yōu)加固深度為6 m，此時(shí)，土體加固對(duì)隧道縱向變形的影響可以起到很好抑制作用的同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。

3)地下連續(xù)墻、被動(dòng)土體加固等作為異質(zhì)體，剛度遠(yuǎn)大于土體剛度，具有減小位移的屏障作用，對(duì)臨近基坑開挖引起的位移具有阻斷作用。另外，地下連續(xù)墻、支撐體系和被動(dòng)土體加固組成完整的地下受力體系，能夠有效的承受基坑側(cè)向和底部土體產(chǎn)生的應(yīng)力，對(duì)基坑開挖引起周圍土體的變形起到關(guān)鍵的抑制作用。

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