基坑開(kāi)挖對(duì)相鄰盾構(gòu)隧道變形的影響研究

摘要：文章就基坑開(kāi)挖對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的破壞進(jìn)行研究，建立了基于基坑與隧道不同距離、不同隧道管片厚度的有限元模型，分析了不同厚度盾構(gòu)隧道管片的位移場(chǎng)及縱向變形。得出以下結(jié)論：（1）相鄰基坑開(kāi)挖會(huì)引起位移過(guò)大、沉降、盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形，造成斷裂增多、漏水、滲漏等結(jié)構(gòu)破壞；（2）隨著隧道與基坑距離的減小，隧道變形不斷增大，當(dāng)距離＜30 m時(shí)，管片厚度的增加大大改善了結(jié)構(gòu)變形；（3）管片厚度的增加對(duì)縱向變形阻力沒(méi)有明顯影響。此外，當(dāng)隧道與基坑距離＜50 m時(shí)，應(yīng)采取附加防護(hù)措施，以減少隧道縱向變形。

關(guān)鍵詞：隧道工程；基坑；盾構(gòu)；變形

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.43A421454

0引言

由于施工技術(shù)的不斷進(jìn)步和機(jī)械化程度的提高，地下結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從明挖和地下開(kāi)挖向盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變［1］。然而，城市地鐵工程早期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮周邊水土荷載和部分超載，隨著大量城市基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，城市地鐵建成區(qū)周邊將出現(xiàn)新的工程活動(dòng)，如周邊裝卸施工和新建相鄰隧道施工等。城市環(huán)境的變化導(dǎo)致了傳統(tǒng)理論盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)剛度不足的問(wèn)題，進(jìn)而引發(fā)變形過(guò)大等多種病害，同時(shí)也增加了后期的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)成本，影響盾構(gòu)隧道的安全性。因此，在城市地鐵工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮環(huán)境變化引起的各種影響因素［2］。

目前，許多學(xué)者從工程監(jiān)測(cè)、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬三個(gè)方面研究了基坑開(kāi)挖對(duì)相鄰地鐵結(jié)構(gòu)的影響，且在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，常采用整體開(kāi)挖、隔墻等措施來(lái)保護(hù)隧道?？紤]到橫向平臺(tái)對(duì)新建地鐵線(xiàn)路邊界的影響，我國(guó)隧道內(nèi)徑呈增加趨勢(shì)［3］。目前，隧道結(jié)構(gòu)擴(kuò)徑后在外部環(huán)境影響下的變形特征尚不明確；同時(shí)，隧道擴(kuò)徑后，應(yīng)增加隧道管片的厚度，使其與擴(kuò)徑相匹配。然而，目前的研究大多沒(méi)有涉及確定厚度和承載變形能力之間的關(guān)系［4］。

基于此，本文詳細(xì)介紹某地鐵1號(hào)線(xiàn)相鄰基坑開(kāi)挖方案，并預(yù)測(cè)基坑開(kāi)挖后的隧道變形，研究隧道管片厚度能否增加其抗基坑擾動(dòng)能力；同時(shí)分析了現(xiàn)有工程基坑開(kāi)挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，探討了盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的變形和破壞。

1項(xiàng)目概況

本文研究對(duì)象為某地鐵1號(hào)線(xiàn)，其左線(xiàn)起止樁號(hào)為K31+523.250～K32+561.290，右線(xiàn)起止樁號(hào)為K31+523.250～K32+561.290，左右線(xiàn)總長(zhǎng)度分別為1 033.097 m和1 038.040 m。隧道段為單孔單線(xiàn)圓形隧道，盾構(gòu)施工。隧道最小平曲線(xiàn)半徑為450 m，線(xiàn)距范圍為13.4～17.0 m。隧道最大縱坡為25.326%，頂部埋深為9.2～17.32 m。開(kāi)挖區(qū)內(nèi)隧道埋深約為13.8～17.2 m，隧道外徑為6.7 m，盾構(gòu)管片厚度為0.4 m。地鐵盾構(gòu)隧道左右線(xiàn)平行，雙線(xiàn)中心線(xiàn)間距約為12.0 m。隧道主要位于粉質(zhì)黏土層。在基坑開(kāi)始挖掘之前，兩條隧道線(xiàn)的建設(shè)已經(jīng)完成。

基坑面積約為46 000 m2，地鐵隧道結(jié)構(gòu)頂部至基坑底部的距離約為9.29 m，最近的水平距離約為0.7 m。屋蓋埋深約為1.8 m，基坑開(kāi)挖深度約為4.85 m?；硬捎妹魍诜ㄊ┕ぃ捎肧MW850@600工法支撐?；优c隧道的位置關(guān)系如圖1所示。

2工程隧道損傷監(jiān)測(cè)分析

項(xiàng)目組在二次支護(hù)下開(kāi)挖基坑時(shí)，在日常檢查中發(fā)現(xiàn)左線(xiàn)盾構(gòu)隧道底部有滲漏現(xiàn)象；一周后，盾構(gòu)隧道底部出現(xiàn)縱向裂縫和滲水現(xiàn)象；受相鄰大型基坑施工影響，區(qū)間隧道40～414環(huán)出現(xiàn)不同程度受損，斷層增多、漏水、管片開(kāi)裂等現(xiàn)象。

基坑開(kāi)挖范圍為盾構(gòu)隧道第60環(huán)至第260環(huán)之間的位置。從圖2可以看出，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，隧道有明顯的橫向位移和沉降位移。橫向位移呈中間較大、兩側(cè)較小的趨勢(shì)，最大水平位移為34 mm。隧道整體沉降明顯，最大沉降為20 mm。全部施工完成后，隧道累計(jì)沉降為33.26 mm，縱向和橫向收斂變形分別為-23 mm和28 mm?；娱_(kāi)挖引起的隧道沉降、豎向變形和水平變形分別占最終值的40%、47.8%和42.9%。

3數(shù)值模型和開(kāi)挖方案

3.1數(shù)值模型和參數(shù)

Midas-GTS是用于土壤和隧道的三維有限元分析軟件，幾乎包含了施工全階段的應(yīng)力分析和滲透分析［5］，可以對(duì)復(fù)雜的幾何模型進(jìn)行可視化和直觀的建模，故本研究采用該軟件進(jìn)行數(shù)值建模。計(jì)算模型尺寸選擇為260 m×220 m×40 m（長(zhǎng)×寬×高），計(jì)算模型網(wǎng)格如圖3（a）所示。以該曲面為自由邊界，其余五個(gè)曲面均受其法向變形約束。該模型分為76 512個(gè)單元和13 576個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)位置關(guān)系如圖3（b）所示，修正的摩爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則用于土的本構(gòu)模型。模型的其他組成部分采用以下方法進(jìn)行模擬：（1）模型周?chē)寥乐胁捎脤?shí)體單元；（2）盾構(gòu)段和塊狀結(jié)構(gòu)采用板單元模擬；（3）采用等效剛度原理將基坑擋土樁轉(zhuǎn)化為板單元模擬；（4）采用梁?jiǎn)卧M鋼支撐和混凝土支撐；（5）螺栓采用植入式梁元件。同時(shí)，考慮了土體的開(kāi)挖過(guò)程和擋土結(jié)構(gòu)的作用，以及20 kN/m2的變荷載。

3.2模擬開(kāi)挖過(guò)程

為模擬全施工開(kāi)發(fā)過(guò)程對(duì)隧道的影響，將施工步驟分為支撐施工、隧道施工、基坑開(kāi)挖、地下結(jié)構(gòu)施工、地下室回填、地上結(jié)構(gòu)施工六個(gè)步驟，如圖4所示。其中，由于設(shè)計(jì)方未提供詳細(xì)的施工組織方案，模型計(jì)算是按照一次性完成開(kāi)挖時(shí)最不利的工況進(jìn)行。

4結(jié)果與討論

4.1隧道位移

以隧道竣工階段為初始狀態(tài)，隧道位移為零。圖5為基坑開(kāi)挖、地下結(jié)構(gòu)施工、地下室回填三個(gè)施工步驟的模擬隧道位移計(jì)算結(jié)果。從圖5可以看出，盾構(gòu)隧道向基坑的水平位移是由基坑開(kāi)挖引起的，同時(shí)也產(chǎn)生了隧道的上抬位移。最大水平位移為23.6 mm，最大沉降位移為4.2 mm。在接下來(lái)的施工中，隧道位移逐漸反彈，隧道累積水平位移為19.2 mm，累積沉降位移為4.2 mm。與前文現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果能夠反映基坑施工的實(shí)際情況。

4.2隧道管片厚度敏感性分析

由于消防疏散平臺(tái)的要求，某地鐵1號(hào)線(xiàn)盾構(gòu)隧道內(nèi)徑增加到5.9 m，這在我國(guó)目前的地鐵盾構(gòu)隧道中是很少見(jiàn)的。因此，管片厚度與內(nèi)徑5.9 m的匹配情況尚不清楚。本節(jié)通過(guò)改變管片厚度，研究了不同厚度管片在基坑開(kāi)挖下的抗變形能力。分段厚度以25 mm為間隔，范圍為350～425 mm。此外，基坑深度分別取為8 m和12 m，隧道與基坑的距離也調(diào)整為5～50 m。

在基坑開(kāi)挖的影響下，隧道外的土體向基坑內(nèi)部移動(dòng)。隨著基坑附近隧道的位移大于基坑外隧道的位移，隧道變形增大。右側(cè)隧道距基坑不同距離的水平變形如圖6（a）所示，隨著距離的增加，隧道的水平變形不斷減小。當(dāng)距離在5～20 m時(shí)，變形呈線(xiàn)性減小，管片加厚可使變形減小20%～50%。同時(shí)，管片加厚可以明顯降低較深基坑的變形值。當(dāng)距離在20～30 m時(shí)，管片厚度的影響減弱，厚度的增加并不能顯著減小隧道變形。當(dāng)距離＞30 m時(shí)，變形趨于穩(wěn)定，不同厚度的管片變形基本相同；在這種情況下，基坑深度對(duì)隧道變形的影響較小。左側(cè)隧道的水平變形如圖6（b）所示，這與右側(cè)隧道曲線(xiàn)相似。不同之處在于，由于距基坑較遠(yuǎn)，隧道整體變形較小，對(duì)管片厚度影響較小。

除了隧道變形外，隧道整體位移過(guò)大也會(huì)造成破壞［6］。當(dāng)隧道發(fā)生水平位移時(shí)，其相對(duì)曲率應(yīng)＜1/2 500。根據(jù)曲率公式計(jì)算隧道在不同工況下的縱向曲率，得到計(jì)算范圍內(nèi)的最小曲率半徑。如表1所示。

從表1可以看出，隨著隧道與基坑的距離減小，相同開(kāi)挖深度下，最小曲率半徑不斷減小。當(dāng)距離在30～50 m之間時(shí)，最小曲率半徑超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)采取防護(hù)措施。不同管片厚度隧道結(jié)構(gòu)的最小曲率半徑在相同距離處基本相同，說(shuō)明管片厚度的增加對(duì)縱向變形抗力沒(méi)有明顯影響。

5結(jié)語(yǔ)

本文以某1號(hào)線(xiàn)相鄰基坑開(kāi)挖方案為基礎(chǔ)，探討了類(lèi)似工程中盾構(gòu)隧道的破壞情況。在此基礎(chǔ)上，對(duì)某地鐵1號(hào)線(xiàn)相鄰基坑開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬，研究管片厚度與基坑深度的關(guān)系。得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)同類(lèi)工程監(jiān)測(cè)結(jié)果，相鄰基坑開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致盾構(gòu)隧道整體偏斜、沉降、結(jié)構(gòu)變形過(guò)大，造成斷層增多、漏水、管片開(kāi)裂等結(jié)構(gòu)破壞。其中，基坑開(kāi)挖引起的隧道變形絕對(duì)值占比最大，＞40%。

（2）地鐵相鄰基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬結(jié)果表明，基坑開(kāi)挖導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)水平變形和沉降變形過(guò)大，隧道結(jié)構(gòu)變形在后續(xù)施工中反彈。數(shù)值結(jié)果與工程監(jiān)測(cè)結(jié)果的一致性表明，本文提出的模型是正確的，可用于預(yù)測(cè)地鐵相鄰基坑的施工過(guò)程。

（3）管片厚度和隧道與基坑距離分析表明，隧道變形隨著隧道與基坑距離的減小而增大，管片加厚可以顯著減小變形。隨著距離的增加，管片加厚的抗變形效果降低。當(dāng)距離＞30 m時(shí)，變形趨于穩(wěn)定，不同厚度段和基坑深度對(duì)隧道變形影響不大。此外，管片厚度的增加對(duì)縱向變形抗力沒(méi)有顯著影響。當(dāng)隧道距基坑＜50 m時(shí)，應(yīng)采取附加防護(hù)措施，以減小隧道縱向變形。

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作者簡(jiǎn)介：吳仲邦（1992—），工程師，主要從事城市軌道交通及高速公路管理工作。