既有樁基影響下隧道開挖地層變形規(guī)律研究

盧智強,伍 建,肖龍鴿,黃 成,文茂林

( 1.中建隧道建設(shè)有限公司，重慶 401320； 2．重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛增長，城鎮(zhèn)化進(jìn)程日益加快，城市可用土地緊張，軌道交通以其占用地面資源小、運能大、運行時間穩(wěn)定等獨有的優(yōu)勢，在解決城市人流車流與日俱增造成地面交通擁堵制約城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的問題上，提供了一個良好的解決方案；然而地鐵線路的規(guī)劃和設(shè)置一般位于城市化高度發(fā)展地區(qū)、城市主干道沿線、地面建筑密集區(qū)域，因此越來越多的地鐵線路需要近距離穿越(下穿、側(cè)穿)各種建筑物及其地下結(jié)構(gòu)，在地鐵隧道沿線存在既有樁基的情況相對普遍，其中主要包括橋梁樁基、立交樁基、樓宇及其他建筑物樁基。地鐵隧道施工將不可避免地造成隧道周圍地層擾動，土體損失，地層原始地應(yīng)力重新分布，地層應(yīng)力及隧道周圍土體變形將傳遞到鄰近既有樁基，引起樁周土體變化；同時樁基的存在也將影響隧道周圍地層在隧道施工下的運動和應(yīng)力改變。研究城市隧道沿線鄰近既有樁基的情況下，隧道開挖導(dǎo)致地層變形規(guī)律對降低地鐵及其他隧道工程施工對既有建筑(結(jié)構(gòu))的潛在影響有著巨大的意義。

Loganathan[1]等人進(jìn)行了三次離心試驗，以研究不排水條件下粘土中隧道開挖對不同相對豎向位置樁基(單樁、群樁)的影響，包括隧道施工引起的地層變形，樁基的側(cè)向位移及附加彎矩等；Ong[2]等人在新加坡國立大學(xué)進(jìn)行了一系列離心模型試驗，以研究粘土中隧道施工對鄰近單樁基礎(chǔ)的影響情況，以及引起的地表不同時期的變形，認(rèn)為Peck公式短期內(nèi)適用于地表沉降，而長期地面變形則不符合。隧道施工將引起鄰近樁基較大的負(fù)摩阻力，需要評估樁基承載力；Arshall[3-4]等人也通過離心模型試驗研究了隧道施工期間樁周和隧道周圍土體的位移情況，隧道-土體-樁基相互作用影響著隧道周土體的變形規(guī)律和樁身的變形、彎矩，試驗結(jié)果也證實圓柱形空腔收縮理論在研究隧道施工引起端承樁破壞方面的適用性；孫慶[5]等人通過離心模型試驗研究粘土中隧道施工與鄰近不同距離樁基的影響，分析土體的瞬時沉降和長期沉降以及樁基樁身軸力、彎矩及側(cè)向變形的瞬時、長期影響；Morton[6]等人通過室內(nèi)模型試驗研究了軟弱土地層中隧道開挖對鄰近樁基沉降和承載力的影響，得出有關(guān)土壤膨脹破壞和潛在樁基破壞區(qū)(取決于隧道體積損失情況)的結(jié)論；Lee[7]等人利用近距離照相量測技術(shù)開展室內(nèi)模型試驗與數(shù)值模擬結(jié)合的方法研究樁基-土體-隧道相互作用，提出隧道施工影響區(qū)域的影響因素有樁端位置、地層損失率、地層土體強度、樁頂荷載、樁身尺寸和隧道直徑等；吳翔天[8-9]設(shè)計了室內(nèi)模型試驗用以模擬隧道開挖對豎向受荷樁(單樁、群樁)的相互作用，通過理論分析求解了土體位移、樁基豎向位移解析解，通過數(shù)值模擬研究隧道開挖施工引起的土體位移場分布；蘇潔[10]在提出隧道-土體-樁基-上部結(jié)構(gòu)四者相互作用關(guān)系的基礎(chǔ)上，給出了樁基承載力損失理論。

上述專家學(xué)者就既有樁基條件下隧道施工引起的地層變形做了大量研究工作，取得了相應(yīng)的研究成果。以往的模型試驗大多是采用預(yù)埋監(jiān)測儀器的方法來對隧道開挖過程中地層的變形沉降進(jìn)行監(jiān)測，這在試驗過程中不可避免地對實驗結(jié)果造成一定的干擾。本文通過室內(nèi)縮尺模型試驗?zāi)M既有樁基條件，研究城市暗挖隧道分步施工條件下地層變形特性，將PIV技術(shù)、激光散斑技術(shù)、圖像互相關(guān)處理技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)模型試驗的全場無接觸式測量。研究隧道開挖過程中，隧道與鄰近既有樁基周圍土體內(nèi)部的移動規(guī)律。

1 試驗原理和設(shè)備

隧道與鄰近既有樁基的相互作用是通過隧道及樁間土的傳遞進(jìn)行的，為了研究具體作用方式及規(guī)律，需要觀測隧道與樁間土的內(nèi)部變形，透明土試驗是目前研究內(nèi)部變形比較成熟的常用試驗方案。為了方便獲取內(nèi)部不同位置的變形，本試驗裝置的各個部分盡量采用高透明度的PPMA(亞克力)制品。整個物理模型試驗系統(tǒng)主要由以下3部分組成，分別是模擬隧道開挖裝置、模型箱和變形(位移)測量系統(tǒng)。

實驗中隧道開挖裝置采用兩個不同直徑的圓形套筒相互套接來模擬隧道開挖過程中隧道的徑向收縮，其中外管PVC外徑40 mm，內(nèi)徑36 mm，內(nèi)管外徑35 mm，內(nèi)徑31 mm，PVC管可阻隔激光的穿透，而亞克力管材透明度極好。兩管連接部位直徑平緩過渡，防止刮破密封用塑料薄膜，在實驗過程中通過抽取外側(cè)套筒來模擬隧道的開挖，由隧道開挖引起的徑向收縮為5 mm。

模型尺寸與原型尺寸的幾何相似比為1∶150。模型箱內(nèi)部尺寸為：長×寬×高=280 mm×160 mm×220 mm，5塊面板均采用透明度極高的亞克力(PPMA)板，亞克力板厚度為7 mm，并在前后面板預(yù)留直徑為40 mm的圓形孔洞用以模擬隧道開挖，預(yù)留孔洞用低密度聚乙烯(LDPE)筒料密封。采用尺寸為外徑15 mm，長度200 mm，樁端為平面狀的黑色不透明的亞克力棒用于模擬樁基。

變形測量系統(tǒng)主要分為硬件部分和軟件部分。硬件部分主要包括位置控制系統(tǒng)、片光源激光器、高幀率CCD相機、圖像采集設(shè)備和計算機等；軟件部分主要為圖像分析處理軟件。

選用江蘇省新沂市萬和礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的粒徑范圍為0.5～1.0 mm的熔融石英砂作為試驗中透明土配置材料，將正十二烷與15#白油按體積比約為1∶8混合，并用玻璃棒不斷攪拌，直到溶液充分混合均勻后，用阿貝折射儀測定混合液折射率，根據(jù)混合液折射率高低微調(diào)兩種液體比例，直至折射率達(dá)到1.458 5，即與熔融石英砂顆粒的折射率相等。將熔融石英砂緩慢撒入混合液中，注意控制速率和撒入高度使氣泡盡可能少，少許氣泡可用玻璃棒慢慢挑出，保持液體水平面略高于透明土顆粒表面；可根據(jù)氣泡多少及實際情況將混合透明土材料放置于真空箱中，抽真空，以去除透明土中的氣泡，直到透明土試樣透明為止。封上保鮮膜使土顆粒充分固結(jié)以待后續(xù)試驗使用。

2 試驗圖像處理及結(jié)果分析

根據(jù)研究目的，設(shè)計了如表1所示的實驗方案。

表1 試驗設(shè)計方案

當(dāng)試驗數(shù)字圖像采集完畢后，采用德國DLR(德國航空航天中心)開發(fā)的PIV后處理軟件PIVview2C Demo分析透明土模型目標(biāo)觀測面的變形位移場。它是目前處理速度最快、精度最高的PIV后處理軟件之一，包含了PIV(粒子圖像測速技術(shù))和PTV(粒子圖像跟蹤技術(shù))兩種圖像處理技術(shù)。

2.1 隧道開挖引起周圍地層三維變形分析

大量的理論研究與實踐證明，不論采用哪種工法的隧道施工都將不可避免地對隧道周邊地層產(chǎn)生擾動，研究隧道施工對周邊既有樁基的相互作用關(guān)系有重要意義。當(dāng)隧道在鄰近既有樁基條件下開挖施工時，隧道、周邊土體、既有樁基以及既有樁基的上部結(jié)構(gòu)等四部分將處于一個共同作用體系中，四者之間相互作用，相互影響，直至形成最終的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。本文暫時忽略樁基上部結(jié)構(gòu)的作用，僅對隧道-土體-樁基三者之間的相互作用關(guān)系進(jìn)行研究。

下面以試驗方案中基準(zhǔn)A3組為例分析隧道開挖引起的隧道周圍地層變形，即在隧道埋深為60 mm(C/D=1.5，埋深與隧道直徑比值為1.5)，樁基插入深度為80 mm(2D，兩倍隧道直徑)，樁基與隧道中心距為60 mm(1.5D，1.5倍隧道直徑)的開挖工況下，研究隧道周圍地層的變形。

在分析之前本文先對坐標(biāo)系及方向做出如下規(guī)定：以隧道中心為原點，隧道中心與樁基中心連線所在豎向平面為XOZ平面，隧道中心所在水平面為XOY平面；方向X軸向右(指向樁基側(cè))為正，Y軸以隧道掘進(jìn)方向為證，Z軸向上為正。后期圖像的坐標(biāo)和方向均遵從以上規(guī)定，不再單獨說明。

1)地層土體豎向三維變形。如圖2中所示為基準(zhǔn)組A3組沿樁基與隧道中心線豎直方向切剖后的豎向位移云圖，從圖2中，我們可以看出，在隧道頂上地層的豎向位移基本呈現(xiàn)出沉降槽式對稱分布，主要豎向變形集中在隧道中心線左右各3倍半徑范圍內(nèi)，豎向位移等值線略微呈現(xiàn)拱狀(預(yù)示土拱效應(yīng)已然形成)。此外，試驗中樁基在隧道的右側(cè)，可以看出在有樁基的一側(cè)，發(fā)生變形的區(qū)域稍大，這應(yīng)該是隧道與樁基相互作用的結(jié)果。而隧道周圍土體沒有豎向位移數(shù)據(jù)，是由于隧道開挖(拉拔套管)后，模擬隧道用PVC管材在相機照攝范圍內(nèi)遮擋了部分透明土，導(dǎo)致部分變形數(shù)據(jù)缺失。而隧道上方位移數(shù)據(jù)的突變(隧道上方云圖藍(lán)色區(qū)域以下綠色區(qū)域)，乃因圖像處理軟件等值線自動閉合的原因，隧道拱頂上方土體豎向位移急劇減小至0。從圖2中也可以看出越靠近隧道拱頂，豎向位移應(yīng)該是越大的，這與其他研究者的相關(guān)研究成果和結(jié)論是吻合的。

圖2 A3組中心切面地層豎向位移云圖

2)地層土體側(cè)向變形。隧道側(cè)穿既有樁基開挖時，地層水平方向變形是樁基側(cè)向變形(彎曲或者傾斜)的主要因素，因此研究隧道開挖引起的地層土體水平變形規(guī)律對研究隧道-樁基相互作用關(guān)系有重要意義。

圖3 A3組中心切面地層水平位移云圖

同樣以A3組為例，豎直切面上隧道、樁基及其周圍地層的水平位移云圖如圖3所示。由于水平位移極值與豎向位移極值相差較大，在水平位移云圖中顏色分布法重新定義了一下，故云圖中顏色需配合圖例參考，本文中豎向位移和水平位移云圖在各自同類型圖中云圖分布法相同。從圖3中可以看出隧道中心軸線上方水平位移基本為0。以隧道中心軸線為參照面，左右兩側(cè)水平位移大致對稱分布，均向著隧道中心軸線所在豎向平面，且水平位移比豎向位移要小很多，隧道周圍土體的變形主要以豎向位移為主。大約在隧道軸線兩側(cè)各半徑距離處水平位移值達(dá)到最大，大致符合正弦函數(shù)分布?？拷鼧痘鶄?cè)最大水平位移的值比無樁基側(cè)最大水平位移值稍大。如果沒有樁基的存在左右兩邊是對稱分布的；而樁基影響了這種平衡，導(dǎo)致靠近樁基側(cè)土體水平位移偏大；而在樁基附近水平位移較小甚至幾乎沒有水平位移。本組試驗樁基距離隧道較遠(yuǎn)是其中的一個原因，主要原因可能是樁基的存在限制了地層水平位移的傳遞和發(fā)展。

2.2 隧道開挖過程中地層的動態(tài)變形分析

為了分析隧道開挖引起隧道周圍地層的動態(tài)變形，本文建立了如圖4所示的分步開挖典型點位置示意圖，在隧道頂部一共取了6行8列一共48個標(biāo)記點來跟蹤其變形的動態(tài)過程，在前文所述坐標(biāo)系情況下，這些點的分布為：X軸坐標(biāo)分別為-40、-25、-10、0、10、25、40和50，單位均為 mm；Z軸坐標(biāo)分別為-2、-10、-18、-26、-34和-42，單位也均為 mm。

圖4 分步開挖典型點位置示意圖

研究這些點的動態(tài)變形基本可以推斷出隧道周圍地層在隧道開挖過程中的動態(tài)變形，其余點的相關(guān)信息也可以在后文開挖中的云圖中看出。在分析隧道開挖過程中隧道周圍地層的變形規(guī)律前，做如下定義：將隧道掌子面距離隧道-樁基中心軸線切面的距離設(shè)為Di，當(dāng)Di=0時，代表掌子面位置剛好位于隧道-樁基中心軸線切面；當(dāng)掌子面還未到達(dá)隧道-樁基中心軸線切面時，Di<0；當(dāng)掌子面經(jīng)過隧道-樁基中心軸線切面后時，Di>0。

隧道整個開挖過程中典型標(biāo)記點的豎向位移動態(tài)變化如圖5所示，橫坐標(biāo)為掌子面位置，縱坐標(biāo)為標(biāo)記點的豎向位移uz。

圖5 典型點豎向位移變化曲線

從圖5可見，在隧道掌子面距離樁基-隧道中心軸線-40 mm(一倍隧道直徑)前，隧道上方地層幾乎沒有豎向變形，即影響還未到達(dá)該區(qū)域；掌子面位置距離樁基-隧道中心軸線-40 mm至0 mm階段，隧道頂上地層豎向變形增長較緩，位移不大，說明這個階段隧道的開挖對該區(qū)域土體擾動不大；掌子面位置距離樁基-隧道中心軸線=0 mm至60 mm階段，即隧道掌子面位置經(jīng)過隧道-樁基中心軸線切面后，隧道頂部的土體豎向位移增加較為劇烈且增長速率(斜率)大致相同，可近似認(rèn)為是勻速下沉；掌子面位置距離樁基-隧道中心軸線在60 mm以后階段，隧道頂部土體豎向位移增長趨于平穩(wěn)甚至不再增長，此時隧道開挖對該區(qū)域地層擾動造成的沉降已大致完成，重新達(dá)到了穩(wěn)定平衡狀態(tài)。受限于試驗裝置的寬度，掌子面位置距離樁基-隧道中心軸線在80 mm(兩倍隧道直徑)以后階段的豎向位移數(shù)據(jù)欠缺，從曲線的增長趨勢和走向可以大致推斷出豎向位移增長將會很小，沉降基本已經(jīng)結(jié)束。上述規(guī)律較適用于距離隧道中心軸線較近的土體，位于隧道中心線較遠(yuǎn)處的土體，豎向位移整個階段都增長緩慢甚至沒有豎向位移，進(jìn)一步驗證了隧道開挖引起周圍地層變形影響區(qū)的存在。

從圖5可以看出，隧道中心軸線上方左右兩側(cè)土體的豎向變形大致對稱，同一水平面上距離隧道中心軸線越近的地層，豎向位移不管是增長速度還是最大值都大于距離隧道中心軸線較遠(yuǎn)的地層土體；同時還可以看出在靠近地表和靠近隧道開挖面的土體豎向位移的增長速度和最大豎向位移均小于隧道開挖面與地表中間部分的地層土體。

圖6為開挖過程動態(tài)豎向位移云圖，從圖6可以明顯看出在隧道掌子面距離樁基-隧道中心軸線0 mm(隧道-樁基中心軸線切面)前，隧道上方地層豎向變形不管是數(shù)值還是區(qū)域都很小，即隧道開挖的影響還未到達(dá)(剛到達(dá))該區(qū)域，說明這個階段隧道的開挖對該區(qū)域土體豎直方向擾動不大；掌子面位置距離樁基-隧道中心軸線0 mm至60 mm階段，即隧道掌子面位置經(jīng)過隧道-樁基中心軸線切面后，隧道頂部的土體豎向位移數(shù)值不斷增長，豎向變形區(qū)域的大小也在不斷增大，這個階段為隧道開挖引起周圍地層變形的主要作用階段，主要的豎向變形在該階段完成；當(dāng)掌子面位置距離樁基-隧道中心軸線在60 mm以后，隧道頂部土體豎向位移的數(shù)值基本不再增加，豎向變形區(qū)域也基本不再變化，此時隧道開挖對該區(qū)域地層擾動造成的豎向變形已大致完成，重新達(dá)到了穩(wěn)定平衡狀態(tài)，受限于試驗裝置的寬度，掌子面位置距離樁基-隧道中心軸線在80 mm(兩倍隧道直徑)以后階段的豎向位移數(shù)據(jù)欠缺，但是從云圖的變化趨勢可以大致推斷出此后隧道周圍地層的豎向位移云圖將基本與圖6(d)相同，隧道開挖對該切面的影響基本終止，該切面的地層重新達(dá)到了穩(wěn)定平衡狀態(tài)。從圖6還可以看出隧道頂部土體的豎向位移等值線在穩(wěn)定過程中逐漸形成拱狀。

圖6 開挖過程動態(tài)豎向位移云圖

下面分析隧道開挖引起地層變形的側(cè)向變形規(guī)律。圖7所示為X=30 mm，即隧道偏向樁基側(cè)0.75 D豎直平面上不同深度的側(cè)向位移變化曲線，可以明顯看出在隧道掌子面距離樁基-隧道中心軸線0 mm(隧道-樁基中心軸線切面)前，隧道側(cè)方地層側(cè)向變形數(shù)值很小，有的地方甚至沒有側(cè)向變形。隧道開挖的影響還未到達(dá)(剛到達(dá))該區(qū)域，也說明這個階段隧道的開挖對該區(qū)域土體水平方向擾動不大；

圖7 X=30 mm處不同深度側(cè)向位移變化曲線

掌子面位置距離樁基-隧道中心軸線0～60 mm階段，即隧道掌子面位置經(jīng)過隧道—樁基中心軸線切面后，隧道頂部的土體側(cè)向位移數(shù)值不斷增長，這個階段為隧道開挖引起周圍地層水平變形的主要作用階段，直至重新達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。隧道開挖對該切面的影響基本已經(jīng)完成，該切面的地層重新達(dá)到了穩(wěn)定平衡狀態(tài)。距離隧道軸線不同距離的其余豎直平面的側(cè)向變形規(guī)律與此基本相同。將開挖過程動態(tài)豎向位移云圖(見圖6)和開挖過程不同深度側(cè)向位移變化曲線(見圖7)的比對后，說明了隧道開挖引起的地層變形是豎直方向與水平方向同步進(jìn)行的，變化趨勢大致相同。

3 結(jié)束語

本文通過一個透明土物理模型試驗，并采用基

于PIV技術(shù)的土體內(nèi)部斷層三維變形量測系統(tǒng)監(jiān)測變形，研究了城市隧道沿線鄰近既有樁基的情況下的隧道開挖導(dǎo)致地層變形規(guī)律。得到了在既有樁基影響下，隧道施工過程中的地層規(guī)律。研究結(jié)果表明：

1)隧道開挖引起的周圍土體變形區(qū)域主要位于隧道上方及上方左右兩側(cè)，變形主要以豎向沉降為主，水平變形為輔，砂土地層呈現(xiàn)出整體較均勻變形模式，豎直與水平方向變形均大致關(guān)于隧道軸線對稱；

2)砂土地層中，隧道掌子面在樁基-隧道中心軸線前時，隧道周圍地層變形較小，即隧道開挖的影響還未到達(dá)(或剛到達(dá))該區(qū)域；掌子面位置經(jīng)過樁基-隧道中心軸線切面后，該切面上地層發(fā)生持續(xù)變形，直至掌子面位置距離該面約2倍直徑后重新達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，變形基本完成。

本文研究僅為對相同隧道埋深下在不同樁基埋深情況下進(jìn)行分步開挖沿下的情況，在后續(xù)的研究中，將圍繞相同樁基埋深下，不同隧道埋深、相同隧道埋深下、在不同的隧道-樁基距離的情況開展更加全面的研究。