深基坑內(nèi)支撐調(diào)節(jié)對鄰近隧道受力特性相互影響規(guī)律試驗研究

唐孝林， 張磊， 胡志明， 張艷林， 陳保國

(1.中國水利水電第七工程局有限公司， 成都 610081; 2.中國地質(zhì)大學(武漢) 工程學院， 武漢 430074)

基坑施工會影響鄰近隧道圍巖的應(yīng)力狀態(tài)和變形條件[1-2]，破壞其既有平衡體系[3-5]，致使周圍地表沉降，使隧道發(fā)生變形、開裂，甚至引發(fā)安全事故[6-7]。

諸多學者針對基坑開挖條件下坑隧受力變形規(guī)律進行了深入研究。魏綱等[8]推導了基坑開挖卸荷引起的臨近隧道附加荷載公式，指出在已有平衡下，隧道周圍土壓力表現(xiàn)為“鐘形”分布；施工完畢后，隧道左右兩側(cè)的圍土壓力均減小，但鄰近基坑開挖側(cè)土壓力減小幅值更大。高廣運等[9]采用FLAC3D數(shù)值模擬，研究指出基坑施工會導致鄰近隧道不對稱變形，通過對基坑外土體二次加固可以降低影響，地基加固物、地下構(gòu)筑物由于其固有堅硬性質(zhì)可以阻斷位移傳遞路徑。章潤紅等[10]研究得出當隧道埋深大于基坑深度時，在地連墻深度以上，隧道水平方向位移隨著坑隧距離變大而減??；在地連墻深度以下，隧道水平方向位移隨著坑隧距離增大而增大。徐曉兵等[11]采用干砂土開展室內(nèi)模型試驗，研究了有無隔離樁及樁頂埋深工況下基坑開挖全過程中的圍護結(jié)構(gòu)位移、隧道的水平和豎向位移以及環(huán)向彎矩的變化規(guī)律。

上述研究工作對基坑近接隧道施工的設(shè)計具有重要指導意義，但是由于現(xiàn)場施工因素以及地質(zhì)參數(shù)復雜多變，基坑施工時的實際變形值往往與初始設(shè)計值之間存在較大差異[12]，且這種差異在工程實際中難以調(diào)整，這不僅會導致基坑變形難以滿足規(guī)范要求[13-14]，而且引發(fā)鄰近隧道受力變形超過規(guī)范限值。現(xiàn)有深基坑支護體系大多數(shù)采用地連墻加砼支撐或混合鋼支撐，支撐為固定長度。為了嚴格控制基坑自身變形以及減小對既有隧道影響，設(shè)計工作者在設(shè)計時常常會提高支護體系剛度，尤其是支撐的剛度[15]。此外，通過軸力伺服系統(tǒng)進行支撐軸力補償也可減小對鄰近隧道影響[16-17]。這些措施在一定程度上能夠減小基坑圍護結(jié)構(gòu)以及近接構(gòu)筑物的變形，但可能使得圍護結(jié)構(gòu)和構(gòu)筑物局部內(nèi)力和土壓力明顯增大[18-19]，部分彎矩急劇升高，引起施工風險[20]。

因此，現(xiàn)設(shè)計可調(diào)節(jié)內(nèi)支撐基坑-隧道體系模型，通過模型試驗研究基坑內(nèi)支撐主動伸縮調(diào)節(jié)下基坑圍護結(jié)構(gòu)以及鄰近隧道的受力特性和變形規(guī)律，以期對實際工程中基坑-隧道體系的局部受力集中問題和變形控制提供指導。

1 模型試驗方案

1.1 試驗模型及材料

試驗模型箱長寬高尺寸為1.5 m×1.5 m×1 m(圖1)，為保證模型箱整體強度及剛度，箱體右立面和后立面采用厚度為10 mm的Q235鋼板，正視面采用厚度10 mm的透明鋼化玻璃便于試驗觀察，左立面采用厚度10 mm的加厚Q235鋼板。地連墻、內(nèi)支撐采用Q235鋼，地連墻厚度3 mm，寬度50 cm，高度60 cm。內(nèi)支撐直徑12 mm，間距6 cm；圍檁截面尺寸為20 mm×20 mm。基坑開挖深度40 cm，開挖寬度50 cm。在內(nèi)支撐桿件中部設(shè)置可伸縮裝置進行支撐的動態(tài)調(diào)整。沿基坑深度方向依次設(shè)置四道內(nèi)支撐，間距10 cm。隧道采用ABS塑料，直徑14 cm，壁厚6 mm。試驗采用均質(zhì)砂土模擬基坑土體。各材料參數(shù)見表1。

圖1 模型試驗裝置圖Fig.1 Diagram of the model test setup

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

S1～S4為4道支撐；A-Z1～A-Z5表示5種工況圖2 試驗模型示意圖Fig.2 Schematic of the test model

1.2 試驗過程

試驗構(gòu)件布置剖面圖如圖2所示，基坑支護采用墻撐支護形式，隧道縱向平行于基坑長邊方向，隧道拱頂埋深d=16 cm，隧道左拱腰與基坑距離b=8 cm。地連墻表面設(shè)置6對應(yīng)變片，墻后布設(shè)6只微型土壓力盒，二者平行布置在地連墻同一高度位置，從上至下距離地連墻頂依次為0.06、0.16、0.26、0.36、0.46、0.56 m。在隧道縱向中間位置設(shè)置數(shù)據(jù)監(jiān)測截面，從拱頂開始每隔30°布設(shè)一個應(yīng)變片，共計12個用以測量隧道彎矩；同時在隧道拱頂、拱腰、拱底布置土壓力盒以監(jiān)測隧道土壓力變化數(shù)據(jù)?；觽?cè)壁沿遠離基坑方向依次布設(shè)8個千分表(在地表分別水平放置金屬薄片與千分表指針接觸)，距離基坑側(cè)壁依次為0.1H、0.25H、0.45H、0.7H、1H、1.3H、1.6H、2H(H為基坑開挖深度,H=40 cm)。

按照擬定試驗方案分別在地連墻和隧道表面粘貼應(yīng)變片以及溫度補償片，對應(yīng)變片做密封處理。向模型箱內(nèi)均勻填砂壓實，至40 cm厚處安放地連墻，然后逐級填砂壓實并在既定位置放置土壓力盒、隧道，填土至頂部，依次安放千分表。模型靜置24 h后，對試驗儀器設(shè)備進行調(diào)試并記錄初始數(shù)據(jù)。

基礎(chǔ)開挖工況共分為5步，第一步開挖至-0.03 m，安放第一道支撐(工況A～Z1)；之后分別開挖至-0.13、-0.23、-0.33 m，依次安放第二、第三、第四道支撐，分別對應(yīng)工況A～Z2、A～Z3、A～Z4，第五步開挖至坑底-0.4 m(工況A～Z5)。之后控制內(nèi)支撐進行伸縮，探究支撐主動調(diào)整下基坑及隧道受力、變形規(guī)律。由于實際工程中第一道支撐多為砼支撐，試驗中首道支撐不做調(diào)整。試驗工況如表2所示。

表2 試驗工況Table 2 Test working conditions

2 基坑開挖過程試驗結(jié)果分析

2.1 地下連續(xù)墻變形

根據(jù)地連墻上應(yīng)變片數(shù)值與曲率關(guān)系得到基坑分層開挖下地連墻水平變形如圖3所示，大致呈“弓”形分布，地連墻最大變形值隨開挖深度的增大而增大，A～Z4至A～Z5階段地連墻水平變形增長高于前三個階段，后兩個階段最大變形值分別為0.30、0.48 mm。同時隨著開挖深度的增加，最大變形所處位置也逐步向下移動，A-Z1～A-Z5工況下最大變形所處深度位置依次為0.4H、0.5H、0.65H、0.8H、0.9H，開挖結(jié)束后地連墻最大變形量約為1.20‰H。

圖3 地連墻變形Fig.3 Deformation of diaphragm wall

圖4 周邊地表沉降Fig.4 Surrounding surface settlement

2.2 基坑周圍地表沉降

試驗共布置8個千分表監(jiān)測基坑周邊地表沉降，考慮基坑開挖施工的影響范圍，千分表最遠距離基坑側(cè)壁2H。如圖4所示，最大沉降位置不同于一般砂土層出現(xiàn)在鄰近基坑最邊緣，而距離基坑邊緣一定距離，處于隧道位置的上方。沉降整體呈現(xiàn)碟形，開挖到底時沉降最大值達到0.33 mm，約為0.83‰H，距離側(cè)壁約為0.45H。基坑開挖卸荷引起的地表沉降隨著遠離坑壁而減小，隨開挖深度的增大而增大。

2.3 墻后水平土壓力

地連墻墻后水平土壓力如圖5所示，總體上看同一開挖工況下，土壓力沿深度的增大而增大。其中0.26 m(0.65H)深度以上土壓力增長較慢，隧道所處深度以下墻背土壓力增長迅速。不同工況下，土壓力隨開挖深度增大而減小。下部土壓力下降幅度高于上層，深度0.36 m(0.9H)處土壓力值在A-Z1～A-Z5工況下相對于未開挖工況下依次減小4.36%、9.38%、14.36%、24.24%、31.47%。

圖5 地連墻墻后水平土壓力Fig.5 Lateral earth pressure acting on diaphragm wall

圖6 隧道四周土壓力變化Fig.6 Soil pressure variation around the tunnel

2.4 隧道周圍土壓力

各開挖階段時隧道拱頂、左拱腰(靠近基坑一側(cè))、拱底、右拱腰(遠離基坑一側(cè))四點的土壓力變化如圖6所示。總體上看，底部和頂部豎向土壓力較大，中部水平土壓力較小。在側(cè)方基坑卸荷影響下，左側(cè)水平土壓力減小幅度最大，開挖1、2、3、4工況下土壓力快速減小，相比于初始工況依次降低14.29%、39.68%、55.56%、63.49%，開挖5階段相比前一階段保持穩(wěn)定甚至略有增大。隧道頂部和右側(cè)土壓力變化不明顯。拱底土壓力隨基坑開挖先增大后減小，開挖1～5工況相比初始值依次增大1.66%、2.66%、1.33%、-2.99%、-6.31%。

2.5 隧道彎矩

隧道彎矩如圖7所示，正值表示向內(nèi)彎曲，負值表示向外彎曲，可知隧道上下兩部分受基坑開挖卸荷影響向內(nèi)彎曲，隨開挖深度越大，彎矩值呈增大趨勢，最大彎矩值分別出現(xiàn)在監(jiān)測點1和監(jiān)測點7位置，下半部分彎矩值大于上半部分；隧道左右兩部分彎矩為負值，即產(chǎn)生向外彎曲，其絕對值同樣隨開挖深度增大而增大，最大值出現(xiàn)在監(jiān)測點4和監(jiān)測點10位置，表現(xiàn)為外側(cè)受拉，說明隧道整體呈現(xiàn)上下壓縮，左右拉伸的狀態(tài)。開挖結(jié)束后隧道整體存在左右不等的彎矩值，監(jiān)測點2彎矩增長速率高于監(jiān)測點12，監(jiān)測點8大于監(jiān)測點6值，判斷隧道有發(fā)生朝向基坑方向的扭轉(zhuǎn)趨勢。

圖7 隧道彎矩變化Fig.7 Variation of tunnel bending moment

3 內(nèi)支撐主動調(diào)整試驗結(jié)果分析

3.1 地連墻墻背土壓力變化規(guī)律

調(diào)節(jié)第二道支撐長度，墻背土壓力如圖8(a)所示，B1工況下，第二道支撐至第四道支撐深度區(qū)間墻背土壓力值有所降低，0.4H深度處減小幅度最大，達到18.58%。第四道支撐以下墻背土壓力無顯著變化；B2工況下，第四道支撐以上墻背土壓力增長明顯，位于第二、第三道支撐之間的0.4H處增長最為明顯，相比于未調(diào)整工況下依次增大54.30%、83.80%、119.08%。第四道支撐深度以下墻背土壓力隨支撐伸長總體微弱增大，局部點位減小，可能是由于地連墻發(fā)生了向內(nèi)的撓曲變形。

調(diào)節(jié)第三道支撐長度，墻背土壓力如圖8(b)所示，C1工況下，第四道支撐以上，墻背土壓力均出現(xiàn)減小，由上至下0.15H、0.4H、0.65H深度處分別減小3.33%、23.4%、8.33%。第四道支撐以下，墻背土壓力均增大，0.9H、1.15H、1.4H深度處分別增大4.55%、5.71%、7.14%。即地連墻圍繞第四道支撐附近中性點位發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其上部向基坑內(nèi)撓曲而向主動土壓力接近，其下部向坑外偏轉(zhuǎn)而靠近被動土壓力，隨深度增大土壓力增長幅度愈大；C2工況下，第三道支撐上下深度范圍內(nèi)墻背土壓力顯著增長，其中0.4H處土壓力分別增大113.22%、237.94%、413.33%，1.15H深度以下土壓力表現(xiàn)為減小，其中1.4H處依次減小0.53%、1.41%、5.63%。

調(diào)節(jié)第四道支撐長度，墻背土壓力如圖8(c)所示，D1工況下，第三道支撐以下至1.15H深度范圍內(nèi)墻背土壓力值顯著降低，其中0.65H處幅值最大，達到52.59%。地連墻圍繞1.15H附近點位發(fā)生一定偏轉(zhuǎn)，該點深度以下墻背土壓力出現(xiàn)增大趨勢，其中1.4H深度處土壓力最大增大6.25%；D2工況下，1.15H以上深度范圍內(nèi)墻背土壓力顯著增大，其中0.65H處依次增大90.60%、186.17%、270.17%，0.9H處依次增大27.11%、41.23%、68.76%。

第二、三、四道支撐共同調(diào)節(jié)，墻背土壓力如圖8(d)所示，E1工況下，1.15H深度以上墻背土壓力減小，其中0.04H處土壓力減小幅度最大，達到38.51%。0.9H處土壓力降低14.53%。1.15H深度以下至地連墻底部墻背土壓力增大，1.5H處土壓力增幅最大，達到3.86%；E2工況下，地連墻圍繞坑底附近一點發(fā)生轉(zhuǎn)動，點位之上土壓力皆表現(xiàn)為增大，基坑下部土壓力增長幅度大于基坑上部，其中0.9H深度土壓力相較于原始未調(diào)整工況下依次增大26.32%、54.70%、92.15%。1.4H深度處墻背土壓力則隨支撐伸長而減小。

圖8 墻背水平土壓力Fig.8 Lateral earth pressure acting on diaphragm wall

3.2 隧道周圍土壓力變化規(guī)律

調(diào)節(jié)第二道支撐長度，隧道周圍土壓力變化規(guī)律如圖9(a)所示?？傮w看拱頂和拱底土壓力無明顯變化。B1工況下，左右拱腰處土壓力分別增大10.99%、減小1.98%；B2工況下，左拱腰水平土壓力依次增大6.8%、14.29%、19.73%，右拱腰土壓力依次增大1.56%、4.69%、25%。

調(diào)節(jié)第三道支撐長度，土壓力變化如圖9(b)所示。C1工況下，右拱腰水平土壓力影響最大，土壓力增大15.79%，拱頂豎向土壓力減小4.41%，對拱底和左拱腰土壓力影響最小，無明顯變化；C2工況下，對拱腰處土壓力影響最大，左拱腰依次增大25%、60.71%、92.86%，右拱腰分別增大5.88%、29.41%、47.06%。拱頂和拱底豎向土壓力無明顯變化。

調(diào)節(jié)第四道支撐長度，土壓力變化如圖9(c)所示。D1工況下，左拱腰、拱底土壓力分別增大48%、1.77%，右拱腰、拱頂土壓力分別減小7.14%、2.99%；D2工況下，左拱腰土壓力依次增大16.13%、25.81%、35.48%，右拱腰依次增大10.53%、26.32%、26.32%，拱底土壓力依次增大1.10%、2.19%、3.29%。唯有拱頂土壓力表現(xiàn)相反，依次減小2.11%、2.11%、3.16%。

第二、三、四道支撐共同調(diào)節(jié)，土壓力變化如圖9(d)所示。E1工況下，僅有右拱腰土壓力呈減小狀態(tài)，減小33.3%，拱頂、左拱腰、拱底土壓力則依次增大8%、10.34%、4.64%；E2工況下，左拱腰土壓力增長最迅速，依次增大84%、220%、296%。右拱腰其次，依次增大9.76%、19.51%、34.15%。上下兩部分土壓力依舊變化不明顯，拱頂依次增大3.26%、4.35%、4.35%，拱底依次增大1.03%、0.51%、1.03%。

當進行不同支撐的伸縮調(diào)節(jié)，隧道拱頂豎向土壓力變化如圖10所示，縮短1 mm工況下，S2-S3-S4共同調(diào)節(jié)時，土壓力變化最為明顯，土壓力增大8%，調(diào)節(jié)S3和S4土壓力分別降低4.41%、2.99%，調(diào)節(jié)S2對拱頂土壓力影響最小。當支撐伸長時，調(diào)節(jié)S3或S2-S3-S4同時調(diào)節(jié)均使得拱頂土壓力增大，而調(diào)節(jié)S2或S4則使得拱頂土壓力呈減小趨勢。伸長3 mm時，調(diào)節(jié)S2-S3-S4>S3>S2>S4，土壓力依次降低。

隧道左拱腰水平土壓力變化如圖11所示，縮短1 mm工況下，調(diào)節(jié)S4對拱腰土壓力影響最大，土壓力增大48%，其次為調(diào)節(jié)S2-S3-S4，土壓力增大10.35%，調(diào)節(jié)S2和S3效果等效且影響微弱。支撐伸長工況下，土壓力變化規(guī)律趨于一致，水平土壓力均大致呈線性增大，其中增長速率S2-S3-S4>S3>S4>S2。

支撐伸縮調(diào)節(jié)量，負號代表縮短，正號代表伸長圖9 隧道周圍土壓力變化規(guī)律Fig.9 Soil pressure variation law around the tunnel

圖10 隧道拱頂豎向土壓力Fig.10 Vertical soil pressure at the top of the tunnel vault

圖11 隧道左拱腰水平土壓力Fig.11 Horizontal earth pressure at the left arch waist of the tunnel

隧道右拱腰水平土壓力變化如圖12，縮短1 mm工況下，調(diào)節(jié)S2無明顯變化，調(diào)節(jié)S3土壓力呈增長趨勢，增大15.79%，調(diào)節(jié)S4和S2-S3-S4水平土壓力則表現(xiàn)為減小，尤其調(diào)節(jié)后者時土壓力減小最明顯。支撐伸長工況下，土壓力總體表現(xiàn)向上增長，伸長1 mm以上時，調(diào)節(jié)S3支撐對土壓力影響最大，土壓力增長最為迅速。

圖12 隧道右拱腰水平土壓力Fig.12 Horizontal earth pressure at the right arch waist of the tunnel

隧道拱底豎向土壓力變化如圖13所示，縮短1 mm工況下，僅有調(diào)節(jié)S2時土壓力減小0.13%，調(diào)節(jié)S4、S2-S3-S4時土壓力則明顯增大，依次增大1.78%、4.64%；伸長工況下，調(diào)節(jié)S4和S2土壓力均表現(xiàn)為線性增大，且調(diào)節(jié)S4的影響大于S2。調(diào)節(jié)S3時土壓力則依次減小，當伸長3 mm時，拱底豎向土壓力最大減小0.37%。

圖13 隧道拱底豎向土壓力Fig.13 Vertical soil pressure at the bottom of the tunnel arch

3.3 隧道彎矩變化規(guī)律

調(diào)節(jié)第二道支撐長度，隧道初始彎矩大致呈“鴨蛋形”豎向橢圓分布，如圖14(a)所示。底部和頂部彎矩值較大，中部較小。B1工況下，彎矩總體形狀變化不明顯，監(jiān)測點2和3出現(xiàn)小幅內(nèi)凹，測點2由正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨撝?；B2工況下，彎矩大致呈斜向“葫蘆形”分布，監(jiān)測點2和3，8和9快速增大呈凸出型，鄰近基坑側(cè)的2和3增長值大于對應(yīng)的8和9，表明支撐伸長對彎矩影響隨距離增大而減小，監(jiān)測點5和6、11和12迅速減小呈內(nèi)凹型。隨著支撐伸長，監(jiān)測點3增長最明顯，依次增大0.68、1.02、1.29 N·m。

調(diào)節(jié)第三道支撐長度，如圖14(b)所示，C1工況下，監(jiān)測點3和4出現(xiàn)內(nèi)凹，相比于初始工況下測點3絕對值增大0.29 N·m，測點4絕對值增大0.17 N·m，即測點3、4受拉增大。測點6、12、1向外凸出，即受壓更為明顯，其中測點6增大0.33 N·m；C2工況下，監(jiān)測點3和4，9和10快速增大呈凸出型，在支撐伸長調(diào)控下由負彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)檎龔澗兀渲悬c4變化最大，依次增大0.99、1.41、1.79 N·m。監(jiān)測點6和7，12和1迅速減小呈內(nèi)凹型，由正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨撝怠?/p>

調(diào)節(jié)第四道支撐長度，如圖14(c)所示，D1工況下，測點4和5，10和11出現(xiàn)明顯內(nèi)凹，彎矩絕對值依次增大0.31、0.30、0.28、0.21 N·m。測點1和2，7和8向外凸出，依次增大0.31、0.57、0.37、0.34 N·m；D2工況下，測點4和5，10和11明顯外凸，由負值轉(zhuǎn)變?yōu)檎挡⒅鸩皆龃?，測點5變化最大，依次增大1.03、1.46、1.79 N·m。測點1和2、7和8呈現(xiàn)內(nèi)凹，由正彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)樨搹澗亍?/p>

第二、三、四道支撐共同調(diào)節(jié)，如圖14(d)所示，E1工況下，彎矩值較初始值變化明顯，上下兩端凸出，左右拱腰內(nèi)凹顯著，隧道上下壓縮、左右拉伸趨勢加劇，測點1、7依次增大0.52、0.48 N·m，測點4、10絕對值依次增大0.52、0.41 N·m。E2工況下，測點3和4，9和10明顯外凸，由負值轉(zhuǎn)變?yōu)檎挡⒅鸩皆龃?，點4依次增大1.26、1.87、2.35 N·m。測點1、6、7內(nèi)凹顯著，由正彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)樨搹澗亍?/p>

4 結(jié)論

為了研究深基坑內(nèi)支撐伸縮對“基坑-隧道”受力特性的影響規(guī)律，采用室內(nèi)模型試驗探究了基坑近接隧道施工全過程以及內(nèi)支撐主動調(diào)控下基坑支護結(jié)構(gòu)和隧道的受力特性，得出以下主要結(jié)論。

(1)單道支撐縮短時，該道支撐附近范圍墻背土壓力減??；支撐伸長時，地連墻可能圍繞中性點發(fā)生轉(zhuǎn)動，中性點以上土壓力增大，中性點以下墻背土壓力減小。

(2)通過伸長內(nèi)支撐能夠明顯影響隧道拱腰水平土壓力，當?shù)谌乐紊扉L1、2、3 mm時，左拱腰土壓力依次增大25%、60.71%、92.86%。單獨調(diào)節(jié)S3或同時調(diào)節(jié)S2、S3、S4引起的土壓力變化量大于單獨調(diào)節(jié)S2或S4。調(diào)節(jié)支撐伸縮對隧道拱頂和拱底土壓力影響不明顯。

(3)相同位移伸縮條件下，支撐伸縮的位置越深，對隧道彎矩影響越大。同時伸縮三道內(nèi)支撐對隧道彎矩的影響大于單道內(nèi)支撐調(diào)控。支撐縮短時，隧道拱頂、拱底彎矩值正向增大，拱腰彎矩值反向增大。支撐伸長時，拱頂、拱底彎矩值減小，拱腰彎矩值增大。

(4)工程中通過伸長內(nèi)支撐能夠減小基坑施工對鄰近隧道的位移影響，但是會導致拱腰土壓力和隧道彎矩急劇增大，可能引起隧道局部受力集中。實際工程中采取支撐伸縮措施除追求控制隧道位移外仍應(yīng)重點關(guān)注隧道內(nèi)力和土壓力。

圖14 隧道彎矩變化Fig.14 Variation of tunnel bending moment