軟土地層鄰近隧道深基坑變形控制設(shè)計分析與實踐

王衛(wèi)東，李 青，*，徐中華

(1.華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200011；2.上?；庸こ汰h(huán)境安全控制工程技術(shù)研究中心，上海 200011)

0 引言

隨著我國城市規(guī)模的擴張和人口的不斷聚集，大中型城市所面臨的交通擁堵問題愈發(fā)突出，利用地下空間修建隧道成為緩解城市交通壓力的有效途徑。軟土地區(qū)的城市隧道主要包含采用盾構(gòu)法施工的地鐵隧道以及越江隧道等類型。截至2020年底，我國已有超過40個城市開通了地鐵，地下軌道交通的發(fā)展使得地鐵周邊地塊得以充分開發(fā)利用；同時，隨著越江隧道數(shù)量的逐漸增多，城市中鄰近隧道的深大基坑工程項目不斷涌現(xiàn)。近年來，鄰近既有隧道基坑工程的規(guī)模越來越大、距離越來越近，例如：上海世博會A片區(qū)綠谷項目一期，距離運營中的西藏南路越江隧道10 m，基坑面積達3.8萬m2[1]；寧波綠地中心項目，基坑總面積達4.1萬m2，距離地鐵2號線隧道最近處11.5 m。對這種超大面積基坑往往劃分為多個基坑先后實施，設(shè)計時需要充分考慮基坑分區(qū)實施對隧道影響的疊加效應(yīng)。另外，基坑的深度越來越大，例如：上海外灘596地塊項目，距離運營中的9號線隧道僅為7.8 m，基坑開挖深度達17.1 m[2]；上海中美信托金融大廈基坑距離12號線隧道最近處約10 m，最大開挖深度達19.35 m。

基坑開挖不可避免地會打破基坑周邊原有土體的應(yīng)力場平衡，使周邊地表及土體產(chǎn)生變形和位移，導致已運行的地鐵隧道產(chǎn)生附加內(nèi)力與變形。為保證既有地鐵隧道及相關(guān)設(shè)施的安全運行，各地制定了相應(yīng)的控制指標，對地鐵及隧道的水平及豎向位移、變形曲率半徑等進行了嚴苛的規(guī)定[3-4]。嚴格的地鐵及隧道結(jié)構(gòu)控制指標對鄰近隧道的基坑工程設(shè)計和分析提出了很高的要求。但在軟土地區(qū)，一方面，由于地下水位較高、土體含水量大、靈敏度大、強度低且具有較大的流變性，將基坑及鄰近隧道變形控制在合理范圍內(nèi)的難度大大增加；另一方面，深部承壓含水層對基坑及鄰近隧道變形的影響也不容忽視。

諸多學者根據(jù)實測數(shù)據(jù)圍繞基坑開挖對鄰近地鐵隧道影響開展了大量的研究工作。例如：王立峰等[5]以某城市鄰近地鐵1號線基坑工程為背景，分析了基坑支護結(jié)構(gòu)特征及開挖時空效應(yīng)對地鐵隧道的影響；張立明等[6]對天津某鄰近地鐵隧道基坑開挖引起的隧道結(jié)構(gòu)變形進行了實測和分析；丁智等[7]統(tǒng)計了杭州某項目基坑開挖與隧道結(jié)構(gòu)變形的相互關(guān)系。但上述研究主要關(guān)注基坑開挖對隧道結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律，而關(guān)于如何控制基坑開挖引起隧道變形的設(shè)計方法研究較少，或者只是針對某一個工程提出的具體方法，缺乏系統(tǒng)介紹軟土地層中鄰近隧道深基坑變形控制設(shè)計分析方法的相關(guān)報道。

筆者結(jié)合近年來在軟土深基坑領(lǐng)域的工程實踐和理論研究成果，首先重點闡述了鄰近隧道深基坑變形控制設(shè)計方法，結(jié)合實際工程案例主要介紹了基于分區(qū)設(shè)計、軸力自動補償鋼支撐、坑內(nèi)土體加固、坑外隔斷以及承壓水控制設(shè)計方法；同時，針對基坑開挖對隧道影響評估難的問題，提出了基于小應(yīng)變本構(gòu)模型(HS-Small模型)的數(shù)值分析方法，以期能夠為鄰近隧道深基坑工程項目的設(shè)計和施工提供參考。

1 鄰近隧道深基坑變形控制設(shè)計方法

1.1 分區(qū)設(shè)計方法

分區(qū)設(shè)計是指將1個大基坑分成2個或更多的小基坑進行施工，不同基坑可采用順作法施工，也可結(jié)合周邊環(huán)境及變形控制要求采用逆作法施工。對于面積較大的基坑工程，每層土方開挖后無支撐暴露的時間較長，支撐形成后其自身的收縮或壓縮變形也較大，因此不利于基坑變形的控制。如將較大的基坑分成若干個小基坑，則每個小基坑的施工速度、支撐的可靠度均能得到保證，相應(yīng)各分區(qū)基坑的變形也能得到較好的控制，從而能夠?qū)⒒诱w變形和對鄰近隧道的影響控制在合理的范圍內(nèi)。

如圖1所示，軟土地區(qū)鄰近隧道的基坑分區(qū)設(shè)計一般是將整個基坑分成鄰近隧道側(cè)的狹長形小基坑，以及遠離隧道的大基坑。其中，狹長形小基坑寬度一般為20 m左右，長度控制在50 m左右；遠離隧道的大基坑的單個基坑面積在上海地區(qū)通常限制在10 000 m2以內(nèi)，以盡量減小單次卸載對隧道的不利影響。大基坑采用順作法(或逆作法)先施工，在其地下室結(jié)構(gòu)施工完成后再進行狹長形小基坑的開挖。大基坑施工時，由于有臨時隔斷圍護墻和窄條基坑加固體的隔離作用，鄰近隧道受到基坑開挖的影響較?。欢敧M長形小基坑施工時，由于其寬度小，挖土非常迅速，大大減小了無支撐的暴露時間。

(a)分為2個基坑 (b)分為多個基坑

上海南京西路1788地塊項目基坑開挖深度為15.5 m，基坑總面積為1.1萬m2，距離地鐵2號線隧道最近處11 m。如圖 2所示，通過將基坑分為鄰近地鐵的Ⅱ區(qū)狹長基坑(2 100 m2)和遠離地鐵的Ⅰ區(qū)大基坑(8 000 m2)，基坑開挖完成后，遠離地鐵Ⅰ區(qū)基坑地下連續(xù)墻最大水平位移達77.4 mm(測點QX11)，而鄰近地鐵側(cè)Ⅱ區(qū)地下連續(xù)墻最大水平位移僅為23.6 mm(測點QX4)。2號線隧道在基坑施工期間的最大豎向位移控制在6 mm以內(nèi)，保障了地鐵2號線的運營安全。

(a)基坑分區(qū)設(shè)計(單位: mm)

而對于面積較大的基坑工程，可將遠離隧道的大基坑進一步劃分為2個或以上的分區(qū)(見圖1(b))。寧波綠地中心項目包含5幢高層辦公樓和公寓樓，整體設(shè)3層地下室，基坑面積達4.1萬m2，開挖深度為15.9～18.1 m，西側(cè)距地鐵2號線區(qū)間隧道最近11.5 m、距離車站最近處23.5 m。如圖3所示，將地下室分為7個大基坑(Ⅰ—Ⅵ區(qū)，Ⅱ區(qū)包含2個大基坑)，靠近隧道范圍內(nèi)設(shè)置了3個狹長形小基坑(Ⅱ-A、Ⅱ-B、Ⅱ-C)?；臃?個階段實施：1)開挖Ⅰ、Ⅱ-E及Ⅲ區(qū)基坑；2)待上述基坑地下結(jié)構(gòu)完成后，開挖Ⅱ-A、Ⅱ-B、Ⅱ-D、Ⅳ及Ⅴ區(qū)；3)開挖Ⅱ-C、Ⅵ區(qū)基坑。

(a)基坑分區(qū)平面布置

如圖4所示，緊鄰隧道地下連續(xù)墻最大測斜發(fā)生在測點CX15和CX16處，測斜值分別為11.3 mm(0.07%H，H為基坑開挖深度)和10.3 mm(0.06%H)，遠小于常規(guī)地鐵側(cè)基坑0.14%H的變形要求。而對比開挖深度及圍護體基本相同的Ⅲ區(qū)CX24測點，基坑完成后地下連續(xù)墻最大測斜為46 mm(0.29%H)。這說明遠離隧道Ⅱ-E區(qū)大基坑開挖期間，未開挖的Ⅱ-A區(qū)、Ⅱ-B區(qū)狹長小基坑起到了很好的隔離作用。鄰近隧道狹長形小基坑開挖期間，CX15和CX16處地下連續(xù)墻測斜分別增加了23.8 mm和21 mm，是大基坑開挖引起變形的2倍，這說明控制狹長形基坑施工期間的圍護變形對于減小整個基坑開挖對鄰近隧道的影響至關(guān)重要，地下結(jié)構(gòu)完成后隧道的最大沉降為17 mm，小于管理部門提出的20 mm的變形控制要求。

(a)地下連續(xù)墻測斜

1.2 軸力自動補償鋼支撐系統(tǒng)

上海軟土地區(qū)遠離地鐵大基坑通常采用十字正交布置的鋼筋混凝土支撐。如圖2所示的1788地塊項目的 Ⅰ 區(qū)基坑，十字正交支撐傳力明確，有利于控制面積較大的基坑變形。對于狹長小基坑，由于基坑距離隧道較近，支撐既要具有足夠大的剛度，同時也需要滿足施工速度快的要求。通常首道支撐采用鋼筋混凝土支撐，增強圍護墻頂口約束，其余支撐采用無圍檁的鋼支撐體系，每根鋼支撐設(shè)置軸力自動補償系統(tǒng)施加預應(yīng)力。相較傳統(tǒng)鋼支撐預應(yīng)力一次性施加完成，后續(xù)軸力變化情況無法監(jiān)控和調(diào)整，采用軸力自動補償系統(tǒng)的鋼管支撐可以有效控制圍護結(jié)構(gòu)的最大變形及變形速率；開挖過程中，實時監(jiān)測變形和鋼支撐預應(yīng)力損失數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果自動進行軸力補償，從而達到在整個開挖過程中實時控制圍護墻和鄰近隧道變形的目的。

上海黃浦江南延伸地塊項目包含9個地塊，整體設(shè)置3層地下室，項目西側(cè)為地鐵11號線龍耀路車站及區(qū)間隧道。其中，夢中心F地塊位于西側(cè)中間位置，基坑總面積約1萬m2。為降低基坑開挖對鄰近西側(cè)地鐵設(shè)施的影響，將基坑分為F1、F2-1、F2-2、F2-3 4個區(qū)域，先實施遠離地鐵的F1區(qū)大基坑，待地下結(jié)構(gòu)完成后，再依次開挖F2-1、F2-2及F2-3區(qū)，如圖5所示。鄰近地鐵窄條基坑F2區(qū)豎向設(shè)置5道支撐，第1道為混凝土支撐，第2—5道均為軸力自動補償鋼管支撐，如圖6所示，開挖過程中通過液壓系統(tǒng)進行軸力控制，預加軸力分別為1 200、1 500、1 800、2 000 kN。

(a)平面圖 (b)A-A剖面圖

圖6 鄰地鐵F2區(qū)軸力自動補償鋼支撐實景

基坑開挖階段，鋼管支撐的安裝進度需和挖土速度相互匹配，原則上12 h內(nèi)完成1個工作區(qū)段的開挖與安裝，盡量減少基坑的無支撐暴露時間。開挖階段應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求分階段控制累計變形，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整施加軸力大小，從而控制最終的累計變形量。3個鄰近地鐵的窄條基坑各階段圍護體最大變形如表1所示。從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，底板澆筑完成后，圍護體最大變形在9 mm以內(nèi)，這說明軸力自動補償鋼支撐對控制狹長小基坑開挖階段的變形效果顯著。整個開挖過程中地鐵車站和附屬設(shè)施的沉降小于3 mm，充分保證了地鐵的運營安全。

表1 F2區(qū)鄰地鐵側(cè)圍護體最大測斜

1.3 坑內(nèi)土體加固設(shè)計方法

1.3.1 加固體布置

鄰近地鐵及區(qū)間隧道的基坑，通常在鄰近地鐵一側(cè)設(shè)置狹長形小基坑，并對小基坑范圍內(nèi)土體進行滿堂加固，在地鐵隧道與大基坑之間形成隔離屏障。對于遠離的大坑被動區(qū)進行裙邊加固，增大被動區(qū)土體抗力。

上海外灘596地塊項目位于上海黃浦區(qū)，整體設(shè)置3層地下室。如圖7所示，S1、S2基坑面積分別約為4 626、3 144 m2，開挖深度約為17.15 m。S1、S2地塊基坑距離9號線隧道最近距離分別為8、7.8 m。2個基坑分別劃分遠離隧道的A區(qū)、緊鄰隧道的B區(qū)(狹長小基坑)，并先后順作實施。采用三軸水泥土攪拌樁進行坑內(nèi)土體加固，S1-A、S2-A 區(qū)被動區(qū)加固寬度為8.0 m，加固深度自地表至基底以下5 m，其中基底以上三軸水泥摻量為10%，基底以下水泥摻量為20%。S1-B、S2-B區(qū)加固深度自地表至基底以下10 m，滿堂布置，水泥摻量20%，三軸攪拌樁與圍護墻之間的空隙采用高壓旋噴樁填實。鄰近隧道的狹長形加固體對隧道起到了較好的保護作用，兩側(cè)基坑全部完成后，隧道最終僅發(fā)生12.9 mm的豎向隆起[2]。

(a)加固平面

當基坑緊鄰隧道時，對基坑開挖引起的變形要求苛刻，此時坑內(nèi)土體加固可采用全方位高壓噴射注漿法(MJS工法)。它通過高壓噴射流切割土體并與土體攪拌形成水泥土加固體，具有強制排漿、可調(diào)控地內(nèi)壓力等功能，對周邊環(huán)境影響小，最大成樁直徑可達4.2 m，最大成樁深度可達60 m。近年來在鄰近地鐵及隧道基坑項目中廣泛應(yīng)用并取得了很好的變形控制效果。

1.3.2 土體加固效果

土體加固后其水平基床系數(shù)kH(kH=mz，其中，m為比例系數(shù)，z為開挖對土體的影響深度)將會發(fā)生改變，加固后土體剛度是控制基坑開挖變形的關(guān)鍵因素。筆者團隊收集了上海地區(qū)6個鄰近地鐵隧道的工程案例，各項目名稱、基坑面積、開挖深度、支護結(jié)構(gòu)形式和土體加固形式見表2。結(jié)合Ucode反分析軟件和Abaqus有限元分析軟件，根據(jù)圍護墻的實測變形，對基坑平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點法中土層參數(shù)m值進行反演分析[8]。

表2 用于m值反分析鄰隧道基坑工程案例概況

將反分析得出的加固前后土體m值進行對比，如表3所示。由表可知，地基加固能夠明顯增大土體m值，提高土體抗變形能力，從而減小基坑開挖變形?；谏鲜錾虾５貐^(qū)收集的工程測試資料的反分析結(jié)果可知，經(jīng)過可靠有效的土體加固后，加固體無側(cè)限抗壓強度和基床系數(shù)可提高2～3倍。

表3 反分析得出加固前后土層m值對比

1.4 坑外隔斷設(shè)計方法

隔斷法是在基坑外側(cè)與隧道之間設(shè)置隔離樁，在變形的傳播路徑上加以阻隔，從而達到降低對既有隧道影響的目的。隔離樁深度應(yīng)穿越潛在滑動面，一旦基坑外側(cè)土體產(chǎn)生滑移變形時，隔離樁通過其抗剪及豎向抗拔能力抑制土體向基坑方面的滑動，從而減少圍護墻體變形和基坑底部土體隆起。墻后土體發(fā)生沉降時，隔離樁能夠提供一定的樁側(cè)摩阻力，限制墻后土體和隧道的豎向變形。

隔離樁通常采用鉆孔灌注樁，如前文所述的寧波綠地中心項目基坑，圍護體施工前，在基坑與2號線隧道之間施工φ600@750的鉆孔灌注樁作為隔離樁，樁長32 m，距離隧道凈距最小處6.5 m(如圖8所示)。相關(guān)研究表明：隔離樁距離隧道越近，基坑開挖對既有隧道變形的影響越小[9]。但同時應(yīng)注意控制灌注樁施工對既有隧道的影響，因此需要保證樁與隧道具有足夠的安全距離。例如：上海市規(guī)定在隧道邊緣以外3 m內(nèi)，不允許進行任何工程施工。

1.5 承壓水控制設(shè)計方法

1.5.1 隔-降-灌一體化設(shè)計

沿江沿海軟土地區(qū)的承壓含水層分布廣泛、厚度大且相鄰承壓含水層存在相互連通的情況。承壓含水層水頭壓力大、含水量豐富，控制不當可能會引發(fā)基坑突涌，危及運營隧道設(shè)施的安全。因此，基坑設(shè)計需采取必要的措施控制承壓水對隧道的影響。

對于承壓含水層埋藏深度較淺或厚度較小的基坑工程，設(shè)計中可設(shè)置較深的地下連續(xù)墻隔水帷幕，穿越承壓含水層并進入相對隔水層一定的深度，以隔斷基坑內(nèi)外承壓水的水力聯(lián)系，然后采用常規(guī)的基坑疏干降水的方式即能解決承壓水的問題[10]。

對于較厚的深部承壓含水層，無法完全隔斷時可設(shè)置懸掛帷幕，并進行坑內(nèi)降水。懸掛帷幕應(yīng)有足夠的深度，宜采用隔-降-灌一體化設(shè)計方案，并評估承壓降水對周邊環(huán)境的影響。首先，需開展現(xiàn)場承壓含水層抽水試驗，通過設(shè)置水位觀測井及地表沉降觀測點，得到抽水過程中含水層水位變化及地表沉降數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗過程中水位變化、地表沉降曲線進行反演分析，分別得到承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)及合理的土層沉降計算參數(shù)。然后，結(jié)合抽水試驗結(jié)果深化降水設(shè)計，確定承壓水減壓井(及回灌井)布置、數(shù)量、井的構(gòu)造及合理的懸掛帷幕深度，并建立符合實際的基坑降水三維滲流分析模型進行滲流分析，得到承壓水降水引起的各土層水頭變化，進而預估降水引起的土體變形及對周邊環(huán)境的影響。當基坑周邊有對變形控制要求嚴格的保護對象時，可在懸掛帷幕和保護對象之間設(shè)置回灌井，在坑內(nèi)抽水的同時通過坑外回灌井使基坑周邊被保護區(qū)域承壓含水層水位控制在允許范圍內(nèi)，從而減小承壓水降水引起的周邊地層的變形和對保護對象的影響。

上海路發(fā)廣場基坑開挖深度為21.9 m，距7號線隧道14.8 m，⑦1、⑦2層為承壓含水層且相互連通，厚度超過35 m。如圖9(a)所示，采用1 m厚地下連續(xù)墻作懸掛帷幕，深度52 m，其中隔水段長15.65 m，墻底較減壓井濾管底深10 m。根據(jù)圖9(b)所示的降水影響分析結(jié)果，設(shè)置懸掛帷幕，坑內(nèi)抽降承壓水對周邊隧道的影響可控?；娱_挖期間，實測坑內(nèi)承壓水位降低約9 m，坑外水位僅降低0.9 m，實測區(qū)間隧道最大沉降僅3.5 mm，保證了7號線的正常運營。

1.5.2 超深等厚度水泥土攪拌墻隔水帷幕

上述2個案例均采用地下連續(xù)墻作為隔水帷幕，雖然隔水效果好，但是造價較高。超深等厚度水泥土攪拌墻技術(shù)為鄰隧道的基坑工程深層地下水控制提供了新對策，該技術(shù)根據(jù)不同成墻工藝可分為渠式切割水泥土攪拌墻技術(shù)(TRD工法)和銑削式水泥土攪拌墻技術(shù)(SMC工法)。這2項技術(shù)各具特點，可應(yīng)對不同工程需求。

TRD工法是通過鏈鋸型刀具插入地基至設(shè)計深度后，全深度范圍對成層地基土整體上下回轉(zhuǎn)切割噴漿攪拌，并持續(xù)橫向推進，形成連續(xù)無縫的等厚度水泥土攪拌墻。SMC工法是通過鉆具底端的2組銑輪軸向旋轉(zhuǎn)、豎向掘削地基土至設(shè)計深度后，提升噴漿攪拌形成一定寬度的水泥土墻幅，并通過對相鄰已施工墻幅銑削作業(yè)連接形成等厚度水泥土攪拌墻。2種工法應(yīng)用范圍廣，成墻質(zhì)量均勻性好(如圖10所示)、強度高、抗?jié)B性能好，適用于軟黏土、密實砂土、卵礫石及巖層等各類復雜土層。

(a)TRD工法 (b)SMC工法

與此同時，超深水泥土攪拌墻施工對周邊環(huán)境影響較小[11]，對緊鄰隧道的基坑工程具有較好的適用性。例如：上海新閘路西斯文理項目，基坑開挖深度為15.8～18.6 m，基坑周邊采用700 mm厚、50 m深等厚度水泥土攪拌墻(TRD工法)作為隔水帷幕，攪拌墻外側(cè)距13號線地鐵隧道最近處約2.8 m，如圖11所示，墻體施工期間隧道沉降僅1 mm，保證了地鐵隧道的正常運營。目前，超深等厚度水泥土攪拌墻技術(shù)在上海、蘇州、天津、南昌、武漢等幾十項基坑工程中均有應(yīng)用[12-14]。

1.6 變形控制設(shè)計效果評價

筆者統(tǒng)計了上海、浙江等軟土地區(qū)20個鄰地鐵及區(qū)間隧道基坑的變形情況，如圖12所示，基坑均采用地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)。

高校擴招政策對城鄉(xiāng)之間不同收入群體的影響也存在著分化。其中，高校擴招政策對城鄉(xiāng)不同收入群體教育產(chǎn)生擴大的“馬太效應(yīng)”，但在一定程度上縮小了城鄉(xiāng)間高收入群體的收入差距。

由圖12可知，鄰近隧道的支護結(jié)構(gòu)最大測斜δhmax與基坑開挖深度H的比值分布在0.07%～0.41%，其中，整坑實施的基坑的圍護體最大測斜平均值約為0.22%H，遠小于徐中華等[15]統(tǒng)計的上海地區(qū)常規(guī)非地鐵側(cè)基坑工程圍護體最大測斜平均值(約為0.42%H)。這主要是由于鄰近地鐵的基坑一般采用剛度較大的地下連續(xù)墻作為圍護體，加之支撐往往采用間距較密的平面布置形式(如十字正交)，支護結(jié)構(gòu)整體剛度加大，其抵抗水平變形的能力較強，因此總體上開挖引起墻體測斜較小。

圖12 地鐵及隧道側(cè)基坑變形情況統(tǒng)計

由圖12還可以看出，對于鄰地鐵采用分區(qū)實施的基坑，統(tǒng)計得出的圍護體最大測斜為0.15%H，平均值為0.11%H，數(shù)值僅為地鐵側(cè)整坑基坑變形的1/2，約為常規(guī)非地鐵側(cè)基坑變形的1/4。一方面，采用分區(qū)方案能夠有效保證各小分區(qū)開挖與支撐施工速度，特別是在軟土地層中，減少了無支撐暴露的時間，從而減小了基坑變形；另一方面，本文收集的分區(qū)實施基坑案例，同時采用了土體加固、坑外隔斷以及合理的承壓水控制方法，這些措施也能夠進一步減小緊鄰地鐵的圍護體變形。因此，綜合采用上述設(shè)計方法是控制地鐵隧道變形和保護其安全的有效手段。

2 基于小應(yīng)變本構(gòu)模型(HS-Small模型)的基坑開挖對隧道影響分析方法

2.1 土體小應(yīng)變本構(gòu)模型及參數(shù)

基坑開挖及對周邊環(huán)境影響是一個土體和結(jié)構(gòu)相互作用的復雜問題，數(shù)值分析方法既能模擬復雜土層的力學特性和基坑開挖過程，也能定量得到土體和周邊環(huán)境的變形，廣泛應(yīng)用于評估基坑開挖對周邊環(huán)境的影響。如圖13所示，土體在小應(yīng)變(應(yīng)變水平<0.1%)范圍內(nèi)表現(xiàn)出初始剛度大、剛度隨應(yīng)變增加而衰減的非線性特性。相關(guān)研究表明，基坑工程附近土體大都處在小應(yīng)變的范圍內(nèi)[16]。因此，當需分析基坑開挖對周邊環(huán)境影響時，宜采用能反映土體小應(yīng)變特性的彈塑性本構(gòu)模型[17]。

圖13 典型土體剛度遞減曲線

表4 上海典型土層HS-Small模型參數(shù)取值方法

2.2 基坑開挖對隧道影響分析案例

2.2.1 工程及設(shè)計概況

上海世博會A片區(qū)綠谷項目分為2期開發(fā)，其中綠谷一期項目基坑總面積約38 000 m2，周長約791 m，開挖深度為11.4～18.6 m，基坑西側(cè)鄰近西藏南路越江隧道，距離隧道最近處約10 m。

隧道采用大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工，隧道外徑為11.36 m，內(nèi)徑為10.36 m，由8塊管片組成圓環(huán),管片厚度為500 mm，環(huán)寬1.5 m，管片實施1/2搭接的錯縫拼裝形式。所在場地為上海典型土層分布，開挖深度范圍內(nèi)的土層有①填土層、②粉質(zhì)黏土層、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、④淤泥質(zhì)黏土層及⑤1黏土層。24 m埋深以下分布有⑥暗綠色硬黏土層，下部分布有穩(wěn)定的⑦砂質(zhì)粉土、砂土層。

鑒于距離隧道較近，基坑采用分區(qū)設(shè)計方法。如圖14(a)所示，在西藏南路隧道一側(cè)劃分寬度約為15 m的狹長形基坑(Ⅱ區(qū)基坑)，剩余基坑分為Ⅰ區(qū)(面積16 000 m2)、Ⅲ區(qū)(面積19 000 m2)?；臃謪^(qū)施工順序為：Ⅰ—Ⅱ-1、Ⅱ-3—Ⅱ-2、Ⅱ-4—Ⅲ。圍護結(jié)構(gòu)采用剛度大的“兩墻合一”地下連續(xù)墻，普遍區(qū)域(東側(cè)、西側(cè)與北側(cè))地下連續(xù)墻厚1.0 m，基坑南側(cè)及Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)、Ⅱ區(qū)與Ⅲ區(qū)隔斷墻采用0.8 m厚地下連續(xù)墻。Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)設(shè)置3道混凝土支撐，鄰隧道Ⅱ區(qū)狹長基坑采用混凝土支撐結(jié)合3道軸力自動補償鋼支撐[25]。Ⅰ區(qū)被動區(qū)土體設(shè)置8 m寬的裙邊加固，Ⅱ區(qū)土體采取滿堂加固(見圖14(b))。

(a)基坑平面及監(jiān)測點布置圖

2.2.2 三維有限元模型及小應(yīng)變參數(shù)

三維有限元模型包括了土體、圍護結(jié)構(gòu)、水平支撐體系、鄰近西藏南路隧道。土體采用10節(jié)點楔形體實體單元模擬，鄰近隧道、共同溝和基坑支護墻體采用6節(jié)點三角形Plate殼單元模擬，水平支撐體系采用3節(jié)點beam梁單元模擬，立柱采用Embedded-pile模型模擬。計算模型約束條件為側(cè)邊約束水平位移，底部同時約束水平和豎向位移。整個有限元模型共劃分86 266個單元、131 663個節(jié)點。土體采用HS-Small小應(yīng)變本構(gòu)模型，結(jié)合本場地勘察報告和上海黏土小應(yīng)變本構(gòu)模型參數(shù)取值方法(見表4)確定計算參數(shù)，如表5所示。計算中，黏土采用不排水分析。

表5 土體HS-Small模型參數(shù)

2.2.3 計算結(jié)果分析

2.2.3.1 圍護墻及周邊土體變形

圖15(a)為基坑開挖完成后地下連續(xù)墻測斜云圖?？拷鞑啬下匪淼纻?cè)的Ⅱ區(qū)基坑圍護結(jié)構(gòu)變形要明顯小于東側(cè)、南側(cè)和北側(cè)，其中，Ⅱ區(qū)地下連續(xù)墻最大測斜為28.5 mm，Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)圍護結(jié)構(gòu)的最大變形分別為63.2、80.8 mm。圖15(b)示出地下連續(xù)墻計算測斜與實測值的對比情況，計算得到的各個工況下的地下連續(xù)墻測斜形態(tài)及數(shù)值與實測曲線基本一致，可以看出設(shè)置狹長小基坑分區(qū)能夠較好地控制鄰近隧道側(cè)的基坑變形。

(a)地下連續(xù)墻變形云圖(單位: mm)

圖16為基坑開挖至基底時Ⅱ區(qū)基坑地下連續(xù)墻周圍土體剪應(yīng)變等值線圖。從圖中可以看出，基坑影響范圍內(nèi)土體剪應(yīng)變均不大于0.3%，基本處在小應(yīng)變的范圍之內(nèi)。采用分區(qū)開挖后，靠近隧道側(cè)基坑周邊土體剪應(yīng)變最小，說明采用土體小應(yīng)變本構(gòu)模型分析基坑變形是非常必要的。

圖16 綠谷項目Ⅱ區(qū)基坑地下連續(xù)墻周圍土體剪應(yīng)變等值線圖

2.2.3.2 隧道變形

圖17示出距離基坑較近的東線隧道計算位移與實測值對比。在Ⅰ區(qū)地下室結(jié)構(gòu)完成時的最大水平位移和豎向位移實測值分別為4.0、4.8 mm(對應(yīng)計算值分別為5.8、4.4 mm)，Ⅱ區(qū)地下室結(jié)構(gòu)完成時的最大水平位移和豎向位移實測值分別為7.0、8.6 mm(對應(yīng)計算值分別為7.8、8.5 mm)。計算結(jié)果不僅在數(shù)值上與實測值吻合，隧道變形形態(tài)也基本一致：在基坑平面范圍內(nèi)隧道產(chǎn)生的變形較大，隨著與基坑距離的增大，隧道水平及豎向位移均逐漸減小。

(a)水平位移

因此，采用基于小應(yīng)變本構(gòu)模型(HS-Small模型)，能夠較好地評估基坑開挖變形及對鄰近隧道的影響；同時，綜合采用分區(qū)、坑內(nèi)加固等設(shè)計方法能夠有效控制基坑開挖對隧道的影響，保證隧道運營安全。

3 結(jié)論與建議

基坑對鄰近隧道的影響是一個非常復雜的土與結(jié)構(gòu)共同作用的問題，鄰近隧道的基坑工程變形控制要求高、難度大。本文闡述了基于軟土地層鄰近隧道深基坑工程實踐總結(jié)形成的較為成熟的變形控制設(shè)計方法，主要包括分區(qū)設(shè)計、軸力自動補償鋼支撐、坑內(nèi)土體加固、坑外隔斷以及承壓水控制等。綜合采取上述設(shè)計方法能夠達到良好的變形控制效果，總體能滿足地鐵及隧道變形控制和結(jié)構(gòu)安全的要求。

1)分區(qū)設(shè)計能夠有效保證各分區(qū)的開挖與支撐施工速度，特別是在軟土地層中，減少了無支撐暴露的時間和基坑變形。通過在窄條形基坑中設(shè)置軸力自動補償鋼支撐能夠有效控制近接施工時隧道結(jié)構(gòu)的變形。

2)基坑內(nèi)被動區(qū)土體經(jīng)過可靠有效的加固后，土體無側(cè)限抗壓強度和基床系數(shù)可提高2～3倍，能夠在源頭上提高基坑抵抗變形的能力，結(jié)合坑外布置的隔離樁可進一步在傳播路徑上減小基坑開挖對緊鄰隧道的影響。

3)承壓含水層較厚無法隔斷時應(yīng)采用“隔-降-灌”一體化設(shè)計方法，充分評估承壓降水對隧道的影響。超深等厚度水泥土攪拌墻(如TRD、SMC工法)質(zhì)量好、適用土層廣、施工環(huán)境影響小，為緊鄰隧道基坑工程深層地下水控制提供了新對策。

4)根據(jù)室內(nèi)試驗和工程案例反演分析，首次提出了上海軟土地層小應(yīng)變本構(gòu)模型(HS-Small模型)全套參數(shù)的確定方法，基于小應(yīng)變本構(gòu)模型的數(shù)值分析方法為評估基坑開挖對隧道的影響提供了有效的技術(shù)手段。