基坑跳倉開挖對下覆盾構(gòu)隧道變形影響分析

尤 偉 軍，郭 海 輪，陳 嘉，張 江 雄，田 寧

(1.中建三局第一建設(shè)工程有限責任公司，湖北 武漢 430040； 2.深圳市建筑工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，廣東 深圳 518034； 3.卓越置業(yè)集團深圳公司，廣東 深圳 518034； 4.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖石力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071； 5.中國科學院大學，北京 100049)

0 引 言

近年來，地鐵建設(shè)成為緩解城市交通壓力的重要工程建設(shè)項目。然而隨著地鐵線路的增多，越來越多的新建基坑位于既有地鐵隧道上方。由于大面積卸荷開挖會引起土體位移，進而導致下覆盾構(gòu)地鐵隧道的附加變形[1-6]，過大的變形會造成管片連接處的張開和錯移，以及軌道的翹曲變形，影響地鐵列車的運營。嚴重時，管片間的過度變形和膨脹還會引起隧道漏水、漏沙，進而導致隧道變形破壞，影響地鐵運營安全[7-9]。因此，研究基坑開挖卸荷對下覆隧道變形影響具有重要意義。

基坑開挖引起隧道變形的研究方法很多，其中應(yīng)用最廣泛的是數(shù)值計算方法[8，10-15]。Chen等[9]采用三維有限元法(FEM)研究了開挖-土壤-隧道相互作用機理，并比較了幾種防護措施控制隧道變形的有效性；Hu等[12]研究了上海地鐵隧道附近深基坑的設(shè)計和施工方法；Huang等[14]對鄰近深基坑開挖引起的隧道變形進行了研究，分析了不同因素對隧道變形的影響；Shi等[15]利用先進的亞塑性本構(gòu)模型開展了三維數(shù)值模擬研究。此外，現(xiàn)場測量法[1，16]、實證分析法[17-21]和室內(nèi)試驗法[22]也常用于研究基坑開挖引起的下覆隧道變形特征。

由于基坑開挖卸荷會引起下覆隧道結(jié)構(gòu)變形，進而發(fā)生破壞，目前采用了許多保護技術(shù)來防止這種損壞。在這些技術(shù)中，灌注樁和地下連續(xù)墻在基坑和隧道工程中被廣泛應(yīng)用[23-24]。這些措施雖然能控制隧道變形，但也會增加工程造價，另一方面，基坑開挖過程中還存在時空效應(yīng)[25]。因此，有必要合理運用基坑開挖的施工力學原理和空間效應(yīng)，研究軟土基坑分段開挖模式對長距離地鐵隧道變形的影響機理。

本文以深圳地鐵2號線某一區(qū)段為例，研究在隧道上方大型深基坑開挖時隧道變形響應(yīng)特征。基于土體小應(yīng)變硬化本構(gòu)模型，采用三維有限元分析方法對基坑開挖過程中隧道上浮和坑底隆起進行分析。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計不同的基坑跳倉開挖方案，對比分析不同跳倉開挖個數(shù)對隧道變形的影響，同時研究了坑底注漿控制隧道變形的有效性。相關(guān)研究成果可為軟土地區(qū)類似工程提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

深圳市神州數(shù)碼集團總部基地項目位于南山區(qū)深圳灣超級總部基地，深灣二路以東，白石三路以北。地鐵2號線紅樹灣站至世界之窗站區(qū)間通過該工程，項目占地面積約25 636 m2，為地下二層結(jié)構(gòu)，基坑開挖深度約為10.5～12.0 m，場區(qū)內(nèi)的實際布置如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)條件

擬建場地原始地貌單元為濱海灘涂，后經(jīng)填海造地成為待建用地?；酉赂菜淼乐睆? m，最淺埋深距離基坑底部4.4 m，管片厚度0.5 m。場區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)條件較為復雜，以力學性能較差的軟土為主，主要存在填石、淤泥質(zhì)土、黏土、礫砂、礫質(zhì)黏性土和風化后的花崗巖，場區(qū)內(nèi)地層斷面如圖2所示。

根據(jù)工程經(jīng)驗，上部明挖基坑施工期間，會導致既有地鐵2號線盾構(gòu)隧道隆起，過大隧道變形將會影響地鐵線路正常運營。為保護地鐵2號線盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全，合理利用施工力學原理和開挖的空間效應(yīng)，基坑采用了跳倉開挖的開挖方式，即采用垂直分層、水平分倉的開挖方法。

2 數(shù)值模擬

本文采用有限元軟件Plaxis3D模擬開挖過程。根據(jù)場區(qū)實際勘察資料，將實際場地簡化為如圖3所示的平面概化模型。為消除模型邊界對計算結(jié)果的影響，以開挖深度的3倍長度作為模型邊界寬度，因此，模型尺寸為140 m×80 m×40 m，側(cè)邊界固定水平位移，底部邊界固定垂直和水平位移。深圳地鐵2號線首期工程于2006年12月28日開工，工期4 a。考慮到基坑開挖時距離盾構(gòu)隧道開挖完工已歷時9 a，孔隙水壓力和變形已完全消散[9]，結(jié)合工程實際，先整體開挖了5.5 m厚的土層，之后放置兩個月，再對下部7 m厚的土層進行后續(xù)開挖。因此，數(shù)值模擬中不再考慮由于盾構(gòu)隧道開挖造成的土體擾動。隧道采用襯砌進行支護，在模擬過程中，首先激活整條隧道和襯砌，計算應(yīng)力平衡后，在模擬基坑開挖之前，重置模型位移為零。由于本文主要研究不同跳倉開挖方案下的隧道上浮變形響應(yīng)的定性分析，因此在模擬過程不考慮地下水影響。

2.1 模擬工況

為驗證基坑跳倉開挖方案對控制隧道上浮和坑底隆起的有效性，對基坑原始開挖方案(工況1)進行了數(shù)值模擬。圖4給出了工況1的施工步驟，具體為：在基坑開挖前，在基坑底部打入3排樁，之后將基坑沿著隧道前進方向按照6 m的間隔(其中部分按照8 m分隔)共分為22段，依次對基坑逐段放坡開挖，放坡坡度為1∶1，每次開挖深度1 m。在工況2中，采用跳倉開挖的方式對基坑進行開挖，在基坑中部施加12 m長的拉森鋼板樁，坑底以下打入深度為5 m；將基坑沿著隧道前進方向按照4 m的間距分為30段，按照先右線后左線的順序，采用單段間隔放坡開挖的方式進行施工。同樣，放坡坡度采用1∶1，開挖深度為每次開挖1 m。

另一方面，為討論跳倉開挖方式中同時開挖個數(shù)對下覆既有盾構(gòu)隧道上浮和坑底隆起變形的影響，在工況3和工況4中，在跳倉開挖階段分別同時開挖2段和3段，其余步驟與工況2保持相同。圖5以工況3為例，展示了兩段間隔同時跳倉開挖的開挖步驟：利用拉森鋼板樁將基坑沿著地鐵前進方向劃分為左線和右線兩部分，在開挖時按照先右線后左線的順序，采用兩段間隔同時跳倉開挖的方式開挖基坑。左線的開挖順序與右線保持相同。

2.2 本構(gòu)模型選取

在有限元模型中，土層采用10節(jié)點楔形單元，對于基坑底部的排樁和分隔基坑的拉森鋼板樁，采用6節(jié)點板單元進行模擬。圖6為工況1對應(yīng)的有限元數(shù)值模型，其中網(wǎng)格由大約330 000個10節(jié)點楔形單元和480 000個節(jié)點組成。另外，在結(jié)構(gòu)與土體的接觸界面需設(shè)置界面單元。界面單元是一個附加在板上的節(jié)點單元，用來模擬結(jié)構(gòu)與土的相互作用。通過選擇合適的界面強度折減系數(shù)Rinter來模擬結(jié)構(gòu)與土體的相互作用粗糙度，將界面強度與土體強度聯(lián)系起來。根據(jù)基坑支護技術(shù)規(guī)范的推薦值，在黏性土中Rinter=0.67，而在非黏性土中Rinter=0.6。

表1 HSS模型和Mohr-Coulomb模型的土體參數(shù)Tab.1 Soil parameters of HSS model and Mohr-Coulomb model

3 模擬結(jié)果

3.1 跳倉個數(shù)影響分析

3.1.1模型校驗

在前期施工過程中，首先進行了長22 m、深4 m的試挖，由于監(jiān)測到下臥隧道變形較大，將開挖長度調(diào)整為10 m長后向下開挖了1 m，此后繼續(xù)縮短寬度，開挖長度調(diào)整為9 m長后進行了最后2 m的開挖，開挖示意圖如圖6所示。圖7為工況1有限元模型。

為了檢驗計算模型的準確性與參數(shù)設(shè)置的合理性，特意將該過程利用有限元進行模擬，將實際工程中監(jiān)測結(jié)果與計算結(jié)果進行對比(以隧道21號環(huán)拱頂為例)。結(jié)果顯示，監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果與模擬結(jié)果具有較好的一致性，因此建立的有限元模型可以用來分析不同工況下隧道對于基坑開挖的變形響應(yīng)。

3.1.2隧道縱向變形

以工況3為例，圖8給出了基坑開挖完成后的隧道位移云圖，可以看出隧道橫向位移較小，最大不超過1 mm，且位移關(guān)于隧道中心呈對稱的形態(tài)分布，對于隧道豎向變形，最大變形在隧道基坑開挖區(qū)域內(nèi)部，而在開挖區(qū)域以外，隧道豎向變形逐漸減小。

由于單一的位移云圖無法直觀顯示不同開挖方案對于隧道變形的控制效果，因此圖9和圖10分別給出了左線隧道和右線隧道拱頂?shù)乃轿灰坪痛怪蔽灰?，可以看出不同的開挖方案造成的隧道變形特征是不同的。相比于原始開挖方案，采用跳倉開挖方案可以有效控制隧道變形。其中工況3對于控制下覆隧道的豎向變形效果最好，即間隔2段同時跳倉開挖的方案對于該工程中的基坑效果最好。也就是說對于跳倉開挖方案而言，同時開挖個數(shù)對于控制隧道變形具有兩面性，同時開挖段數(shù)過少時(即工況2)會導致基坑暴露時間過長，無法得到及時支護進而引起下覆隧道的較大變形；而當同時跳倉開挖的段數(shù)過多時(即工況3)，由于在短時間內(nèi)土體挖除量過多，導致下覆隧道向臨空面發(fā)生過大變形。因此對于設(shè)計人員來說，在跳倉開挖方案中，確定合理的開挖段數(shù)十分必要。

由圖9(a)和圖10(a)可以發(fā)現(xiàn)，對于水平位移，隧道的變形很小，最大只有0.92 mm，且最大水平位移出現(xiàn)在開挖區(qū)域以外。這是由于隧道處于基坑正下方，上覆土體的卸荷開挖對于垂直位移影響更大，而水平位移主要是由于邊界土體向臨空面變形造成的，這也是導致最大水平位移出現(xiàn)在開挖區(qū)域以外的主要原因。相比于原始開挖方案，采用跳倉開挖方案時，隧道水平位移減少量達到了45%，但不同跳倉個數(shù)對于隧道橫向變形的控制不甚明顯。

圖9(b)和圖10(b)分別給出了左線和右線隧道的豎向變形。可以發(fā)現(xiàn)，在基坑開挖區(qū)域以外，隧道豎向變形速率較大，在基坑開挖區(qū)域以內(nèi)達到最大且逐漸趨于穩(wěn)定。此外，不同的開挖方案對于下覆隧道的豎向變形影響是不同的，采用跳倉開挖方案后，隧道拱頂?shù)呢Q向位移大幅下降。以右線隧道為例，在工況1中，拱頂?shù)淖畲笪灰七_到14.26 mm，然而在工況2、3、4中分別降低到了12.30，10.71 mm和12.31 mm，其中工況3對于控制隧道拱頂變形效果最好，最大降幅達到25.9%，工況2和工況4的控制效果相差不大。此外，還可以發(fā)現(xiàn)在開挖區(qū)域內(nèi)，跳倉開挖會降低隧道上浮，然而在開挖區(qū)域以外，相比原始開挖方案，跳倉開挖法未必可以有效控制隧道豎向變形。

3.1.3坑底隆起變形

在基坑開挖過程中，除了防止下覆的地鐵2號線產(chǎn)生較大的豎向變形外，坑底的隆起變形量也是基坑安全施工的一個重要指標。圖11給出了不同開挖方案下沿圖3中A-A′剖面的基坑底部隆起變形，與隧道的豎向變形不同，在基坑開挖區(qū)域以外，原始開挖方案坑底最大隆起變形為18.50 mm，而跳倉開挖方案引起的坑底最大變形只有14.73 mm，可見在基坑開挖區(qū)域以外，跳倉開挖方案對于控制坑底變形要優(yōu)于原始開挖方案。在基坑開挖區(qū)域內(nèi)，原始開挖方案引起的最大位移在左線上方，達到25.60 mm，而工況4達到了27.45 mm，這說明在基坑開挖區(qū)域內(nèi)，跳倉開挖反而會增大坑底隆起變形。在各個跳倉開挖方案中，工況3引起的最大坑底隆起變形為26.29 mm，結(jié)合上節(jié)中工況3對于控制下覆隧道上浮變形的效果，將工況3選為本次設(shè)計方案中的最優(yōu)開挖方案。

3.2 坑底土體加固

在工況3基礎(chǔ)上，對基坑底部土體進行注漿加固，以研究坑底土體加固控制隧道縱向變形的有效性，即工況5?？紤]到隧道周邊3 m范圍內(nèi)為禁入?yún)^(qū)，結(jié)合場區(qū)實際環(huán)境，對坑底以下1 m范圍內(nèi)進行土體加固。圖12表示的是在不同開挖階段下左線隧道的豎向位移，其中階段1是指右線基坑開挖完成一半，階段2指右線基坑開挖完成，階段3指左線基坑開挖完成一半，階段4指基坑全部開挖完成?？梢娫谟揖€基坑開挖階段，左線隧道上浮量很小，而當左線基坑開始開挖后，左線隧道發(fā)生較為明顯的上浮，這證明了基坑開挖過程中的確存在空間效應(yīng)，下覆隧道的變形響應(yīng)對不同的基坑開挖方式明顯不同。此外，在右線開挖階段，土體加固對于左線隧道的豎向變形控制效應(yīng)不顯著，然而當開挖左線基坑時，土體加固的效果逐漸顯現(xiàn)，當開挖完成后，左線隧道上浮量由8.61 mm(工況3)降低至8.04 mm(工況5)，可見土體加固雖然對下覆隧道豎向變形具有一定的控制效果，然而效果不明顯，這主要是由于加固厚度較薄造成的。

工況3和工況5中沿著A-A′剖面在不同位置處土體的豎向位移如圖13所示，其中H為基坑開挖深度，可以看出土體加固對控制基坑底部的隆起具有非常重要的意義。土體加固前坑底最大隆起變形為26.29 mm，經(jīng)過加固后，坑底隆起變形降低至23.68 mm，降幅達9.9%，可見盡管加固深度較淺，對控制下覆隧道上浮變形效果不甚顯著，但對控制坑底隆起效果較為明顯。隨著深度的增加(d=0.5H)，土體的豎向位移逐漸減小，土體加固的效果也相應(yīng)減弱。對于遠離坑底位置處(d=2H和d=3H)，土體加固效果基本消失。

4 結(jié) 論

以深圳市神州數(shù)碼集團總部基地項目為例，對基坑開挖引起的既有雙線隧道變形進行了實例研究?；谕馏w小應(yīng)變硬化本構(gòu)模型，采用Plaxis3D有限元數(shù)值軟件建立了三維有限元數(shù)值計算模型，設(shè)計了不同的跳倉開挖方案和坑底土體加固方法，重點對跳倉開挖方式和坑底注漿對下覆隧道上浮和坑底隆起變形的控制效果進行了分析。主要結(jié)論如下：

(1) 基坑開挖存在明顯的空間效應(yīng)，對于軟土地區(qū)大面積深基坑開挖工程項目，通過合理調(diào)整開挖順序，如分段分層或者跳倉開挖方式，可以有效控制下覆隧道的豎向變形和坑底隆起變形。

(2) 采用跳倉開挖的施工方式可以有效控制基坑下覆隧道的豎向變形。其中，采用同時開挖兩段的跳倉開挖施工方式，可有效控制隧道拱頂變形和坑底隆起。

(3) 坑底土體加固能夠有效控制坑底隆起，但對控制下覆隧道上浮變形效果不甚顯著。采用該方法時，坑底隆起變形降低了9.9%。