基坑開挖卸載引起下臥隧道隆起的控制方法

宗 翔

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

0 引 言

隨著城市地下空間的開發(fā)與利用，會有越來越多的基坑工程，且開挖深度也越來越大，基坑開挖不可避免會遇到臨近地鐵隧道施工的問題，如何保護(hù)已建運(yùn)營隧道是工程師必須面對的難題?；娱_挖卸載，包括坑底豎向卸載和坑壁側(cè)向卸載，均會使周圍土體產(chǎn)生擾動，產(chǎn)生附加位移和附加應(yīng)力；當(dāng)這種擾動達(dá)到一定限度時，會危及到已建隧道的安全和正常使用。輕則使已建隧道產(chǎn)生大的縱向和橫向變形，出現(xiàn)滲漏水和裂縫等病害；重則會影響已建隧道的使用，限制列車車速甚至停用，嚴(yán)重降低整個地鐵線路網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸效率［1］。因此，關(guān)于基坑開挖卸載對下臥已建隧道的影響分析及保護(hù)措施研究就非常有必要。

目前，關(guān)于基坑開挖卸載對下臥已建隧道影響的研究方法主要有解析分析法和數(shù)值模擬法。解析分析法主要是彈性地基梁理論，一般較為常用的是Winkler 地基模型，黃栩等［2］將下臥運(yùn)營隧道視為三參數(shù)Kerr 彈性地基上的無限長梁，研究了基坑開挖卸荷引起下臥盾構(gòu)隧道的縱向變形；宗翔等［3］認(rèn)為在卸載影響區(qū)域比較小且隧道直徑比較大時，僅考慮隧道的彎曲變形是不合理的，還應(yīng)計入剪切變形的影響。解析法雖然概念明確，計算快代價小，但基坑開挖引起隧道的變形是一個非常復(fù)雜的問題，特別是邊界條件、地下水、各種參數(shù)取值影響巨大，此類問題不宜過于強(qiáng)調(diào)理論推導(dǎo)的方法。數(shù)值模擬法能綜合考慮邊界條件、施工工況和地下水等因素，黃宏偉等［4］通過三維有限元模擬，顯示基坑開挖對下臥隧道影響的范圍約為6 倍基坑寬度，施工中采取土體加固和堆載保護(hù)措施是十分必要的。劉克文等［5］通過有限元模擬復(fù)雜軟土場地下，不同基坑支護(hù)方案對臨近隧道的影響，相關(guān)的數(shù)值模擬手段和結(jié)論也層出不窮［6-7］。然而，復(fù)雜的巖土體材料、接觸面關(guān)系和多變的施工現(xiàn)場環(huán)境，使初始預(yù)測結(jié)果與監(jiān)測值很難吻合。

面對如此復(fù)雜的工程難題，設(shè)計人員應(yīng)做到運(yùn)用理論解析概念指導(dǎo)方案選型，通過有限元模擬實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)控制對比，實(shí)時觀測監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整方案，將隧道變形控制在可接受的范圍內(nèi)；事后應(yīng)分析預(yù)先判斷結(jié)論和現(xiàn)實(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)差異較大的原因，為后續(xù)類似工程提供更多經(jīng)驗(yàn)。本文通過一個工程實(shí)例的全過程分析做相關(guān)展開研究，給設(shè)計人員提供思路。

1 工程概況

鄭州市某下穿地道為鄭州南北向交通；鄭州軌道交通1 號線為東西向交通，途經(jīng)金水路與下穿地道相交。地道采用基坑明挖施工，基坑縱軸線與地鐵1 號線平面相交，相交角度為33°，基坑開挖深度在10 m 左右，坑底距離1 號線地鐵豎向最小凈距為8.5 m?；觾蓚?cè)壁緊臨建筑物，建筑物多為四到五層磚混結(jié)構(gòu)。

基坑采用“雙排樁+二道支撐+坑底滿堂加固”的圍護(hù)方式，內(nèi)排樁φ800@1 000，外排樁φ800@2 000，第一道支撐采用600×800混凝土支撐，第二道支撐采用φ609×16 鋼支撐；為了保護(hù)地鐵1 號線的安全，基坑縱向上采用不等厚的門式加固方式，加固體采用φ850 三軸攪拌樁加固，搭接寬度250 mm?；涌v斷面及橫斷面分別見圖1和圖2，平面關(guān)系見圖10。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

場地工程地質(zhì)參數(shù)見表1，地下水主要賦存于第②、③、④、⑥層粉土中。本次勘察期間，地下水位埋深4.4～8.1 m。

3 區(qū)間隧道保護(hù)措施設(shè)計方案

地基加固不僅有利于減小基坑開挖過程中的側(cè)向變化、回彈變形，而且有利于減小管片彎矩分配不均勻，有利于減小隧道施工完成后的回彈再壓縮沉降與震動的影響。

擬采用三軸攪拌樁加固，攪拌樁規(guī)格φ850@600，搭接寬度250 mm。攪拌樁水泥摻量：加固高程范圍內(nèi)為18%，加固高程以上為滿足施工工藝要求的最小水泥摻量（建議為6%～7%），要求加固土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa。加固寬度為既有盾構(gòu)隧道兩側(cè)6 m范圍內(nèi)的土體。

設(shè)計過程中就加固模式進(jìn)行了探討，常見有三種情況：①門式加固方式，地鐵兩側(cè)3 m 范圍內(nèi)加固坑底以下4 m 土層，地鐵兩側(cè)3 m 范圍之外、6 m 范圍之內(nèi)及左右線中間部分區(qū)域加固坑底至地鐵底標(biāo)高范圍內(nèi)土體（圖1）；②等厚加固，左右線地鐵兩側(cè)6 m 范圍內(nèi)均加固至坑底以下6.5 m；③不采取加固措施。經(jīng)測算，門式加固體體積是等厚加固體體積的1.05 倍，兩種加固的工程量基本相同。

圖1 基坑與地鐵1號線剖面位置關(guān)系（單位：mm）Fig.1 Section position between metro line 1 and foundation pit（Unit：mm）

圖2 基坑橫斷面圖（單位：mm）Fig.2 Cross sectional drawing of foundation pit（Unit：mm）

表1 場地工程地質(zhì)參數(shù)Table 1 Soil parameters

考慮周邊建筑物離基坑很近和基坑深度，支護(hù)形式基本確定為樁撐結(jié)構(gòu)，主要不同觀點(diǎn)在于地基加固方式，方案1比較方案2雖然加固厚度較薄，在豎向位移控制上略有不足，但門式墩的整體抗拔效應(yīng)可能更好，且可能會出現(xiàn)隨著加固厚度的增加，控制變形有效率會降低。另外，相比不加固而言，能多大程度減少地鐵變形這些問題難以用解析法給出精確答案，本文采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行了研究。

4 有限元模型的建立

4.1 模型介紹

數(shù)值模擬采用ABAQUS 6.11，模型依據(jù)實(shí)際工程建立，模型中已建隧道埋深21.6 m（軸線深度），基坑開挖深度約10 m；為簡化計算，取已建隧道軸線與基坑軸線正交。模型尺寸60×120×60 m，單元均選取八面體實(shí)體單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為41 650個，單元數(shù)為38 016個。模型的四周邊界施加水平方向位移約束，底部施加水平與豎直方向位移約束。

數(shù)值模擬根據(jù)基坑實(shí)際施工步驟進(jìn)行：①計算初始應(yīng)力狀態(tài)，初始地應(yīng)力利用側(cè)壓力系數(shù)K0（K0=1-sinφ'）計算；②已建盾構(gòu)隧道的施工，不記該過程產(chǎn)生的隧道和地層位移；③圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工及土方開挖，土方開挖按計算工況采取分層分段開挖的模式。

4.2 參數(shù)設(shè)置

模型中土體的本構(gòu)選擇Drucker-Prager 破壞準(zhǔn)則，土體分為6 層，可根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告計算各層土的計算參數(shù)，結(jié)果見表2，E代表不同土層的彈性模量，根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)［8-9］，可根據(jù)地質(zhì)勘察報告壓縮模量的數(shù)值進(jìn)行選取，本文統(tǒng)一取8 倍關(guān)系。v代表不同土層的泊松比，β代表Drucker-Prager 模型的內(nèi)摩擦角，K表示流動應(yīng)力比，σc代表單軸受壓屈服應(yīng)力，可根據(jù)Mohr-Column破壞準(zhǔn)則參數(shù)求得。

隧道襯砌和圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用線彈性材料來模擬，具體參數(shù)見表3。襯砌混凝土等級為C60，混凝土彈性模量為34.5 GPa，采用板單元模擬；鉆孔灌注樁混凝土等級為水下C30，混凝土彈性模量為30 Gpa，采用剛度等效法計算，采用板單元模擬。

4.3 計算工況

根據(jù)具體的施工情況，定義如下施工工況：①圍護(hù)樁施工；②開挖表層土，澆筑第一道支撐；③開挖第一層土；④架設(shè)第二道支撐；⑤開挖至坑底。

分析考慮門式加固方式、等厚加固方式和不加固三種工況，進(jìn)行情況對比分析。

表2 巖土計算參數(shù)表Table 2 Geotechnical calculation parameter

表3 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)表Table 3 Structural calculation parameter

4.4 計算結(jié)果分析

以門式加固方式為例，基坑開挖至底階段的位移云圖見圖3。

圖3 地層豎向位移云圖Fig.3 Vertical displacement nephogram

圖4 是下臥地鐵隧道的隆起變形圖，從圖可知，盾構(gòu)管片最大隆起量為4.635 mm。

圖4 地鐵隧道隆起變形圖Fig.4 Displacement nephogram of subway tunnel uplift

地鐵隧道最大隆起量發(fā)生位置在基坑底中部，將管片的隆起量進(jìn)行曲線擬合，如圖5 所示。地鐵隧道隆起量基本符合高斯分布，其回歸方程如下（R2=0.986）

圖5 隆起量高斯曲線擬合Fig.5 Gaussian curve fitting of uplift

圖6是對管片隆起量進(jìn)行二次求導(dǎo)，通過計算得下臥地鐵隧道管片的縱向隆起最小曲率半徑為15 870 m，滿足最小豎曲線半徑15 000 m的要求。

圖6 隧道縱向曲率圖Fig.6 Longitudinal curvature figure of tunnel

分析考慮門式加固方式、等厚加固方式和不加固三種工況，隧道管片的位移如圖7 所示，從圖7 可知，門式加固方式在控制地鐵隧道附加變形上，優(yōu)于等厚加固方式，相對于不加固而言，地鐵隧道的豎向位移減少51.6%，效果非常明顯，如此將下臥隧道變形控制在可接受的范圍內(nèi)。

圖7 三種加固方式對比Fig.7 Comparison of three reinforcement methods

5 實(shí)測數(shù)據(jù)與設(shè)計方案調(diào)整

5.1 實(shí)測數(shù)據(jù)

施工期間，對地鐵左線和右線分別進(jìn)行了位移觀測，每條地鐵線分別布置了30 個點(diǎn)，根據(jù)基坑開挖中心線對稱布置。6 月份以前，主要是進(jìn)行到第二工況：開挖表層土，澆筑第一道支撐，此時隧道隆起量變化均不大。然而進(jìn)行第三工況施工時，即開挖第一層土方時，地鐵隆起值增量變大，當(dāng)?shù)谝粚油敛砰_挖1.5 m 時，右線地鐵17 號點(diǎn)豎向位移已達(dá)到4.9 mm，達(dá)到了預(yù)警值。經(jīng)分析，倘若繼續(xù)按原設(shè)計的工況施工，地鐵隆起量將大大超過控制值10 mm，必須按實(shí)測數(shù)值改變施工方法。

圖8 地鐵上隆監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.8 Measured data of tunnel uplift

圖9 地鐵縱向變形圖Fig.9 Longitudial deformation of tunnel

5.2 設(shè)計方案調(diào)整

考慮到開挖至第一道支撐下方1.5 m 時地鐵隆起值已達(dá)到4.9 mm 的預(yù)警值，必須調(diào)整方案控制。由于整體開挖1.5 m 土方使地鐵上隆約2 mm，故整體開挖再施工第二道支撐的可行性不大。由于地鐵相關(guān)區(qū)域預(yù)先進(jìn)行過加固，坑底以上部分6%～7%的水泥摻量使仍需要挖除的6 m土方具有良好的自立性。經(jīng)討論，明確了先開槽架設(shè)第二道支撐，然后進(jìn)行抽條分層分塊開挖，快速開挖、快速加載的基本措施，有效控制地鐵上隆量。抽條示意圖如圖10所示，總共分9條，每條寬7～9 m，每條分3 塊開挖，快速施工兩側(cè)2 塊，加載后再施工中間塊。抽條順序?yàn)?#→1#、9#→3#、7#→4#、6#→2#、8#，根據(jù)地鐵監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整。

圖10 分塊開挖平面示意Fig.10 Block excavation plan

圖11 現(xiàn)場施工情況Fig.11 Site construction

實(shí)施新方案后，對地鐵上隆量進(jìn)行了密切觀測，以右線17 號點(diǎn)為例，有效將最大上隆量控制在10.08 mm，基本達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)。由于結(jié)構(gòu)的加壓作用，隧道隨后出現(xiàn)下沉，截至9 月8 日的最終上隆量為7.51 mm。

圖12 長期隆起量觀測Fig.12 Long-term uplift observation

5.3 原因分析

由前述分析可知，開挖第一道支撐下方1.5 m土方時，開挖量才38%，而監(jiān)測數(shù)據(jù)已達(dá)4.9 mm，占總體隆起量49%。按一般規(guī)律，卸土越深，造成的下臥地鐵隆起量應(yīng)該越大，而不應(yīng)該是表層土體卸荷占比權(quán)重大。根據(jù)現(xiàn)場情況，分析了幾種可能的原因：

（1）水泥土加固體在強(qiáng)度沒有達(dá)到設(shè)計要求時就開挖。設(shè)計要求水泥土28d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.8 MPa，現(xiàn)場在攪拌樁施工7～10 d 后即開挖，此時，原狀土基本失去強(qiáng)度，水泥土的強(qiáng)度又沒有增長，整個地基的強(qiáng)度是比較低的，這應(yīng)該是造成地鐵上隆量增大的主要原因。隨著土方開挖和支撐體系的制作，水泥土強(qiáng)度不斷增長，因而后期的地鐵上隆量得到有效控制。

（2）地鐵影響區(qū)域兩側(cè)先行開挖且暴露時間過長。本次開挖的基坑呈長條形，從控制變形的角度看，應(yīng)先行施工地鐵正上方區(qū)域，待土方回填后，再施工兩側(cè)結(jié)構(gòu)。由于工期等原因，現(xiàn)場先行開挖兩側(cè)的土方，且開挖至坑底后，長時間未施工底板，基坑長時間處于暴露的卸載狀態(tài)，由于土體流變和應(yīng)力松馳等因素抗隆起能力下降。

（3）一段時間的降雨也可能使隧道上隆量變大。

5.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)規(guī)律分析

k0-k12 表示各區(qū)域的分塊開挖，各區(qū)塊位置對應(yīng)圖10，其中k11 表示全區(qū)域整體下挖1.5 m，表4 是各區(qū)塊與下臥地鐵隧道的相對位置關(guān)系。圖13 表示分區(qū)域開挖時隧道隆起監(jiān)測值隨施工進(jìn)度的變化，監(jiān)測點(diǎn)為左線S09點(diǎn)。

圖13 隧道隆起量與施工進(jìn)度關(guān)系圖Fig.13 Relationship between tunnel uplift and construction progress

表4 地鐵上行線與各條基坑的相對位置關(guān)系Table 4 Relative position relation between subway uplink and foundation pit

由圖13可得到如下結(jié)論：

（1）k0+k10 為首尾兩端土體下挖約 10 m 至底，k11 為全區(qū)域整體下挖1.5 m，由圖可知，k11產(chǎn)生的隧道上隆量比k0+k10要大，可知隧道上方的卸荷產(chǎn)生的效果要遠(yuǎn)大于兩側(cè)卸荷。

（2）各區(qū)塊開挖后5～7天內(nèi)，隧道上隆量逐漸增加，待結(jié)構(gòu)底板與加載逐漸加上后，上隆量會收斂并穩(wěn)定在一個平臺，表明隧道上隆是一個漸近過程，而非開挖后立即全部發(fā)生，正因如此，開挖至底后快速加載才顯得尤其重要，可有效將后續(xù)未產(chǎn)生的上隆量提前反壓。

（3）根據(jù)S09 和X17 等監(jiān)測點(diǎn)，隨著主體結(jié)構(gòu)施工和覆土回填，隧道上隆量比最大值減少15%～25%。

為了定量研究開挖各階段的卸荷程度與隧道上隆變形發(fā)展的關(guān)系，本文計算了各區(qū)塊開挖后的累計卸荷比，并與對應(yīng)的累計變形占比進(jìn)行比較，如圖14 所示。橫坐標(biāo)表示累計卸荷比，即各階段的累計卸荷程度與全部開挖后的卸荷程度的比值，由于卸荷程度與基坑三維尺寸及基坑與下臥隧道相對位置關(guān)系有關(guān)，不能簡單以開挖深度來描述，故本文采用文獻(xiàn)［3］方法，按表4 通過Mindlin 基本解進(jìn)行積分求解下臥隧道附加荷載，以附加荷載最大值占比來描述累計卸荷比；縱坐標(biāo)表示累計變形占比，即各階段隧道累計上隆值與最大上隆值之比。

圖14 黑色圓點(diǎn)表示各開挖階段實(shí)測數(shù)據(jù)，由圖可知，累計變形占比基本位于1～1.5 倍的累計卸荷比區(qū)域。開挖前半部分（方案調(diào)整前及開挖k5、k1、k9、k3、k12 區(qū)塊），由于水泥土未達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度和施工經(jīng)驗(yàn)不足等原因，隧道變形速度是卸荷程度的1.5 倍，變形發(fā)展明顯較快；開挖后半部分（k7、k4、k6、k2、k8 區(qū)塊），由于水泥土受開挖后強(qiáng)度增長較快與施工經(jīng)驗(yàn)成熟等原因，隧道變形速度是卸荷程度的1 倍，變形發(fā)展明顯得到控制。圖中紅色方點(diǎn)表示數(shù)值模擬的結(jié)果，均落于1～1.5倍累計卸荷比區(qū)域，與實(shí)測數(shù)據(jù)規(guī)律吻合。

圖14 卸荷程度與變形發(fā)展的關(guān)系圖Fig.14 Relationship between unloading degree and deformation development

6 結(jié) 論

（1）根據(jù)三維有限元模擬結(jié)果對比，在工程量相當(dāng)?shù)那闆r下，門式加固方式在控制地鐵隧道上隆量方面，優(yōu)于等厚加固方式；相對于不加固而言，地鐵隧道上隆量減少51.6%，效果非常明顯，如此將下臥隧道變形控制在可接受的范圍內(nèi)。

（2）根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整設(shè)計方案，將地鐵上隆量控制在可接受范圍。在土方開挖3.7 m時，監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到4.9 mm 的預(yù)警值，及時調(diào)整方案，明確了先開槽架設(shè)第二道支撐，然后進(jìn)行抽條分層分塊開挖，快速開挖、快速等量加載的基本措施，有效將最大上隆量控制在10.08 mm，基本達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)。

（3）分析監(jiān)測數(shù)據(jù)異常的原因：①由于工期原因而導(dǎo)致水泥土未達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度要求情況下即開挖；②先行施工地鐵影響區(qū)域兩側(cè)土方而未施工底板導(dǎo)致的坑底長時間暴露；③一段時間降雨的影響。

（4）根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：①隧道正上方的卸荷產(chǎn)生的效果要遠(yuǎn)大于兩側(cè)卸荷；②隧道上隆是5～7 天的漸近過程，而非開挖后立即全部發(fā)生，故開挖至底后快速加載能有效地控制后續(xù)未產(chǎn)生的變形；③隨著主體結(jié)構(gòu)施工和覆土回填，隧道上隆量比最大值減少15%～25%。

（5）根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，累計變形占比基本位于1～1.5 倍的累計卸荷比區(qū)域。開挖前半部分變形發(fā)展明顯較快，待控制措施達(dá)到設(shè)計要求后，隧道變形發(fā)展明顯得到控制。數(shù)值模擬成果與實(shí)測數(shù)據(jù)規(guī)律相互吻合。

（6）本文通過一個工程實(shí)例的全過程分析做出相關(guān)展開研究，事前通過有限元模擬實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的比選；事中通過監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整方案；事后根據(jù)現(xiàn)場情況對監(jiān)測數(shù)據(jù)異常分析原因，總結(jié)了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，給設(shè)計人員提供可借鑒的思路。