基坑分段開(kāi)挖下部盾構(gòu)隧道縱向變形規(guī)律研究

安偉博

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，濟(jì)南 250022)

隨著我國(guó)地鐵大規(guī)模建設(shè)和城市化進(jìn)程加速，上跨既有盾構(gòu)隧道的基坑工程越來(lái)越多[1-2]。對(duì)工程措施和下部盾構(gòu)隧道變形規(guī)律進(jìn)行研究尤為重要。

已有許多學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究，陳郁通過(guò)用Mindlin彈性半空間應(yīng)力解和彈性地基梁理論得出隧道隆起的定量計(jì)算公式[3]；歐雪峰利用Mindlin解和Pasternak雙參數(shù)地基模型，得出考慮降水時(shí)隧道的隆沉變形規(guī)律[4]；黃栩認(rèn)為在計(jì)算隧道縱向變形時(shí)，Kerr地基模型最為精確，Pasternak模型次之，Winkler模型的計(jì)算結(jié)果最不理想的結(jié)論[5]。然而，理論方法多適用單次簡(jiǎn)單開(kāi)挖，很難對(duì)復(fù)雜多次分段開(kāi)挖問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算和假定分析，局限性很大。

孫波等通過(guò)Plaxis軟件對(duì)上跨、臨近隧道或車(chē)站基坑工程的開(kāi)挖模擬，認(rèn)為合理選擇基坑開(kāi)挖順序、減少基坑單次暴露長(zhǎng)度對(duì)控制隧道和車(chē)站變形具有重要作用[6]；汪鵬程等通過(guò)Flac3d等軟件模擬了上跨盾構(gòu)隧道基坑開(kāi)挖過(guò)程，認(rèn)為坑底加固、抽條放坡開(kāi)挖+板錨支護(hù)、分段開(kāi)挖+“板凳樁”加固對(duì)減小隧道隆起變形效果明顯；魏綱等通過(guò)對(duì)臨近和上跨隧道的基坑工程的實(shí)際監(jiān)測(cè)，得出隧道橫截面變形為橢圓形的結(jié)論[7-14]。通過(guò)眾多學(xué)者的研究，雖然也得出了一些隧道變形相關(guān)的結(jié)論，但是這些變形結(jié)論更多局限在最大位移值或者是隧道橫斷面方向[15-17]，對(duì)復(fù)雜的基坑分段開(kāi)挖時(shí)下部盾構(gòu)隧道的縱向變形規(guī)律的研究相對(duì)較少，而搞清楚這個(gè)問(wèn)題則顯得尤為重要。

基坑同隧道平面關(guān)系越接近平行，卸載引起的隧道縱向變形范圍越大，越有利于研究隧道的縱向變形規(guī)律。但多數(shù)研究中，基坑和隧道的關(guān)系多為鄰近[18-19]或近似垂直相交[20-21]，小角度長(zhǎng)距離斜交的情況較為少見(jiàn)。以徐州市軌道交通1號(hào)線杏山子車(chē)輛段出入段線基坑小角度斜跨路窩站-杏山子站區(qū)間右線盾構(gòu)隧道為例，通過(guò)數(shù)值軟件對(duì)分段開(kāi)挖基坑下盾構(gòu)隧道的縱向變形規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工程概況1.1 項(xiàng)目背景

徐州市軌道交通車(chē)輛段出入段線基坑與1號(hào)線路窩站-杏山子站區(qū)間右線平面交角約為16°，相交里程K0+737.335。K0+697.000～K0+757.000段為疊交核心區(qū)。核心區(qū)內(nèi)出入段為單洞雙線矩形框架結(jié)構(gòu)，寬10.92～13.07 m，高6.31 m。路杏右線盾構(gòu)隧道外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m，錯(cuò)縫拼裝結(jié)構(gòu)，基坑開(kāi)挖前，盾構(gòu)已掘進(jìn)完畢并即將進(jìn)入鋪軌階段。核心區(qū)基坑深8.5～9.2 m，坑底與盾構(gòu)隧道豎向凈距約3.0 m。因基坑同隧道小角度斜交，若采用直立開(kāi)挖，會(huì)有較長(zhǎng)范圍的圍護(hù)樁嵌固過(guò)淺，故擬采用放坡法開(kāi)挖，坡率為1∶2。

1.2 水文地質(zhì)

地層從上至下依次為1-1雜填土、2-5-2粉土、2-2淤泥質(zhì)黏土、2-5-2粉土、2-3-3黏土、2-5-3粉土、2-4-3粉質(zhì)黏土、2-4-4粉質(zhì)黏土、5-3-4黏土層等，坑底主要位于粉土和粉質(zhì)黏土層中，盾構(gòu)隧道主要位于5-3-4黏土層中。地下水類(lèi)型為孔隙水，位于地面以下0.7～2.7 m。核心區(qū)的平、縱斷面分別見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 核心區(qū)平面

圖2 核心區(qū)地質(zhì)縱斷

2 數(shù)值模擬分析研究

開(kāi)挖卸載問(wèn)題是三維問(wèn)題，具有時(shí)間和空間效應(yīng)。數(shù)值模擬則非常適宜處理此類(lèi)多方案、多工序、多時(shí)序的復(fù)雜三維問(wèn)題。采用Flac3d有限差分軟件進(jìn)行全過(guò)程的三維模擬。

2.1 計(jì)算模型

采用Flac3d進(jìn)行計(jì)算。土體、巖體、明挖隧道采用實(shí)體單元模擬，土體和巖體為彈塑性、服從摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，明挖隧道為彈性；盾構(gòu)管片采用殼單元進(jìn)行模擬，取為彈性模型。模型不進(jìn)行地下水的模擬。模型尺寸為200 m(基坑縱向)×150 m(基坑橫向)×80 m(深)。模型四周施加各向的水平法向約束，模型底部施加豎向法向約束，模型頂面為自由邊界。計(jì)算模型見(jiàn)圖3，核心區(qū)60 m基坑與下部隧道的空間關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖3 計(jì)算模型

圖4 核心區(qū)60 m基坑與下部隧道空間關(guān)系

2.2 模型參數(shù)

根據(jù)勘察報(bào)告可得本次數(shù)值模擬的地層和結(jié)構(gòu)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值計(jì)算模型參數(shù)取值

2.3 數(shù)值計(jì)算過(guò)程

模型建立后，首先施加重力荷載，形成初始地應(yīng)力；再模擬開(kāi)挖、施工下部盾構(gòu)隧道，并計(jì)算至平衡；對(duì)土層、隧道單元位移清零；進(jìn)行洞內(nèi)預(yù)壓重或基坑開(kāi)挖工作直至結(jié)束。土體開(kāi)挖采用Flac3d中的空(Null)模型模擬。

2.4 數(shù)值模擬計(jì)算(盾構(gòu)隧道洞內(nèi)無(wú)壓重)

分核心區(qū)60 m為3段：大里程20 m(左段、K0+737.000～K0+757.000)、中心里程20 m(中段、K0+717.000～K0+737.000)、小里程20 m(右段、K0+697.000～K0+717.000)。由于疊交段基坑深8.5～9.2 m，故各段基坑均分5層開(kāi)挖。各段基坑開(kāi)挖到底后先施工明挖隧道結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行下一分段開(kāi)挖。具體劃分為7個(gè)方案，見(jiàn)表2。

表2 洞內(nèi)無(wú)壓重各模擬方案

(1)具體方案介紹

上述7個(gè)方案按照各分段不同的開(kāi)挖順序劃分，可分為4個(gè)組合。

①方案一：目的是分析疊交核心區(qū)整體一次性分層開(kāi)挖時(shí)隧道的變形情況，以便與其他方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

②方案二和方案三：均為向同一方向的順次開(kāi)挖，分別為從左向右開(kāi)挖和從右向左開(kāi)挖。

③方案四和方案五：均為先開(kāi)挖兩側(cè)分段后開(kāi)挖中間分段。

④方案六和方案七：均為先開(kāi)挖中間分段后開(kāi)挖兩側(cè)分段。

(2)計(jì)算結(jié)果分析

各方案盾構(gòu)隧道出現(xiàn)最大隆起時(shí)，豎向位移云圖分別見(jiàn)圖5～圖11；各方案隧道的最大豎向位移值見(jiàn)表3；各方案隧道最大豎向位移值在隧道縱向的出現(xiàn)位置見(jiàn)圖12。

圖5 方案一隧道最大豎向位移云圖

圖6 方案二隧道最大豎向位移云圖

圖7 方案三隧道最大豎向位移云圖

圖8 方案四隧道最大豎向位移云圖

圖9 方案五隧道最大豎向位移云圖

圖10 方案六隧道最大豎向位移云圖

圖11 方案七隧道最大豎向位移云圖

表3 各方案隧道最大豎向位移值對(duì)比 mm

圖12 各方案最大豎向位移點(diǎn)平面位置(單位：mm)

各方案盾構(gòu)隧道最大豎向位移值隧開(kāi)挖進(jìn)程的變化趨勢(shì)及其相互間的對(duì)比關(guān)系見(jiàn)圖13。

注：①開(kāi)挖a-b,a取值1、2、3，分別代表各方案先開(kāi)挖段、次開(kāi)挖段、后開(kāi)挖段。以方案一舉例，1代表60 m的疊交核心區(qū)；以方案二舉例，1代表左段、2代表中段、3代表右段。②開(kāi)挖a-b,b取值1、2、3、4、5，分別代表各開(kāi)挖段從上至下第1、2、3、4、5層土。以方案一舉例，1代表核心區(qū)60 m的第一層土；以方案六為例，1代表各分段的第一層土。③施工主體1、2、3，分別指各方案先開(kāi)挖段、次開(kāi)挖段、后開(kāi)挖段處主體結(jié)構(gòu)。以方案一舉例，1代表核心區(qū)60 m范圍內(nèi)全部主體結(jié)構(gòu)；以方案六為例，1代表中段范圍內(nèi)的主體結(jié)構(gòu)。④水平軸不是單純的豎向深度或縱向長(zhǎng)度，同時(shí)有土層豎向深度和各分段先后疊加的含義，重在展示整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程的時(shí)空趨勢(shì)。圖13 各方案隧道最大豎向位移變化趨勢(shì)對(duì)比

從圖5～圖11、表3中可以得出如下結(jié)論。

①整體開(kāi)挖時(shí)盾構(gòu)隧道最大隆起位移值和隧道隆起范圍均明顯大于分段開(kāi)挖時(shí)。開(kāi)挖分段越多越短，盾構(gòu)隧道的最大隆起位移值越小，隧道隆起范圍越小。

②最大豎向隆起位移均出現(xiàn)在隧道拱頂。

③先開(kāi)挖核心區(qū)中段基坑時(shí)，開(kāi)挖對(duì)隧道隆起的影響范圍最小。

④以最大隆起位移作為主要標(biāo)準(zhǔn)，方案六最優(yōu)，即最優(yōu)開(kāi)挖順序?yàn)橹卸?、左段、右段?/p>

從圖12中可以得出如下結(jié)論。

①最大隆起位移在盾構(gòu)隧道縱向出現(xiàn)的位置與開(kāi)挖順序呈現(xiàn)比較明顯的相關(guān)性。方案一、方案四、方案五最大豎向位移點(diǎn)出現(xiàn)位置相同，其位置基本對(duì)應(yīng)基坑中心；方案二和方案三最大豎向位移點(diǎn)出現(xiàn)位置，相對(duì)靠近基坑中心并呈左右對(duì)稱(chēng)關(guān)系；方案六和方案七最大豎向位移點(diǎn)出現(xiàn)位置相對(duì)遠(yuǎn)離基坑中心，并呈左右對(duì)稱(chēng)關(guān)系。

從圖13中可以得出如下結(jié)論。

①開(kāi)挖分段個(gè)數(shù)與趨勢(shì)圖中位移峰值個(gè)數(shù)相同。

②首段開(kāi)挖時(shí)，各方案隧道最大隆起位移隨開(kāi)挖深度線性增加，整體一次性開(kāi)挖時(shí)斜率明顯大于分段時(shí)。次段和后段開(kāi)挖時(shí)，隧道最大隆起位移隨開(kāi)挖深度近似線性增加，斜率明顯小于首段開(kāi)挖時(shí)。

③施工出入段線主體后，隧道隆起位移均有比較明顯的回落，回落數(shù)值與主體質(zhì)量、回填土質(zhì)量呈正相關(guān)。

④施工各主體后的第一次開(kāi)挖，隧道隆起位移均出現(xiàn)未升反降的特點(diǎn)。說(shuō)明后次開(kāi)挖對(duì)前次開(kāi)挖段下部隧道的隆起變形進(jìn)行適當(dāng)平衡，是隧道整體性的體現(xiàn)，但是調(diào)整幅度有限。后次開(kāi)挖段的變形速率明顯小于前次開(kāi)挖段，也證明隧道整體性對(duì)最大隆起位移的舒緩作用。根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，此作用對(duì)位移的單向調(diào)整比率約為5.71%。

2.5 數(shù)值模擬計(jì)算(盾構(gòu)隧道洞內(nèi)預(yù)壓重)

以方案六為基礎(chǔ)，研究洞內(nèi)壓重激勵(lì)對(duì)基坑分段開(kāi)挖卸載時(shí)下部盾構(gòu)隧道變形規(guī)律的影響。

(1)洞內(nèi)預(yù)壓重方案介紹

盾構(gòu)隧道洞內(nèi)壓重范圍為路杏區(qū)間右線右DK2+365.000～右DK2+455.000，共90 m，范圍為根據(jù)盾構(gòu)隧道和出入段線放坡基坑的平面位置關(guān)系綜合確定。每延米洞內(nèi)壓重分別取0，50，100，150，200，250，300，350，400 kN(共9種)。洞內(nèi)預(yù)壓重且計(jì)算至平衡后，方可按照方案六進(jìn)行開(kāi)挖施工。

(2)計(jì)算結(jié)果分析

①不同壓重級(jí)別下隧道沉降情況

預(yù)壓重工況時(shí)，不同壓重級(jí)別下隧道最大沉降值和隧道最大沉降值隨壓重量的變化曲線分別見(jiàn)表4和圖14。

表4 各壓重級(jí)別時(shí)盾構(gòu)隧道最大沉降值對(duì)比

圖14 預(yù)壓時(shí)隧道最大沉降值隨壓重變化趨勢(shì)

②盾構(gòu)隧道最大隆起位移變化趨勢(shì)

不同壓重下，隧道最大豎向位移隨開(kāi)挖進(jìn)程的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖15；壓重狀態(tài)與無(wú)壓重狀態(tài)下隧道最大豎向位移值差值隨開(kāi)挖進(jìn)程的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖16。

圖15 各壓重級(jí)別時(shí)隧道最大豎向位移變化趨勢(shì)

圖16 隧道最大豎向位移差值變化趨勢(shì)

從圖14和表4中可以得出如下結(jié)論。

①隧道沉降值隨預(yù)壓質(zhì)量增加而線性增大。

②就本工程而言，使盾構(gòu)隧道隆起減小1 mm，需要壓重約126.4 kN。由于耗費(fèi)相對(duì)較大，綜合考慮造價(jià)、對(duì)全線工期影響、便宜性等因素后，選擇50 kN作為本工程的洞內(nèi)壓重。

從圖15可以得出如下結(jié)論。

洞內(nèi)預(yù)壓并未改變隧道隆起的變形趨勢(shì)；不同壓重級(jí)別時(shí)隧道的變形曲線呈近似平行關(guān)系。

從圖16可以得出如下結(jié)論。

隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，洞內(nèi)壓重對(duì)隧道最大豎向位移的影響呈波浪形，壓重越大波浪形特征越明顯。這種特性屬于壓重激勵(lì)時(shí)，隧道的整體性對(duì)各相鄰部分結(jié)構(gòu)彼此變形的調(diào)整，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，調(diào)整比率約在5.71%。此數(shù)值與卸載方案時(shí)得出的結(jié)論高度對(duì)應(yīng)。

3 結(jié)論

(1)基坑分段越短，下部盾構(gòu)隧道的最大隆起位移值越小，同時(shí)隧道隆起范圍越小。開(kāi)挖分段個(gè)數(shù)與隧道隆起位移峰值的個(gè)數(shù)相同，其分段越均勻，峰值大小越接近。

(2)應(yīng)優(yōu)先開(kāi)挖疊交核心區(qū)中段基坑，而非兩側(cè)基坑。

(3)隧道縱向各相鄰部位對(duì)彼此變形的單向調(diào)整比率約為5.71%。

(4)分段開(kāi)挖時(shí)，盾構(gòu)隧道最大隆起點(diǎn)出現(xiàn)位置呈現(xiàn)規(guī)律性：中段先開(kāi)挖時(shí)，最大隆起點(diǎn)位置位于次開(kāi)挖段；中段次開(kāi)挖時(shí)，最大隆起點(diǎn)位置位于中段靠近先開(kāi)挖段部分；中段后開(kāi)挖或整體一次性開(kāi)挖時(shí)，最大隆起點(diǎn)位置均位于中段基坑中部?？稍谝欢ǚ秶鷥?nèi)，利用上述規(guī)律，通過(guò)調(diào)整開(kāi)挖順序，可選擇讓最大豎向隆起位移出現(xiàn)在隧道相對(duì)健康的位置，或環(huán)境和自身風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低的位置。