三維條件下基坑開挖卸載對下方既有盾構(gòu)隧道的影響分析

胡盛亮 黃筱淇 李達(dá)宏

（南昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330038）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，地下空間的利用率也越來越高［1］，基坑開挖和盾構(gòu)隧道施工成為城市建設(shè)中不可避免的工程［2-3］。然而，基坑開挖和盾構(gòu)隧道施工所引起的地面沉降、地下水位變化、振動等問題［4-5］，給周邊環(huán)境和既有建筑帶來極大的影響，尤其是對下方既有盾構(gòu)隧道的穩(wěn)定性和安全性會造成一定程度的威脅［6-8］。因此，深入研究基坑開挖卸載對下方既有盾構(gòu)隧道的影響及其機(jī)理，對于保障盾構(gòu)隧道的安全施工和運(yùn)營具有重要意義［9-10］。

在三維條件下，基坑開挖卸載對下方既有盾構(gòu)隧道的影響涉及地面沉降、土體變形、地下水位變化、隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力等問題。這些問題相互影響，形成一個(gè)復(fù)雜的動態(tài)過程。本項(xiàng)目以南昌市地鐵盾構(gòu)隧道附近的基坑開挖工程為研究對象，通過現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，分析基坑開挖卸載對下方既有盾構(gòu)隧道的影響機(jī)理和規(guī)律，并對實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比和分析。研究成果對優(yōu)化基坑開挖卸載施工方案、減少對下方盾構(gòu)隧道的影響、提高盾構(gòu)隧道的穩(wěn)定性和安全性具有一定的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 工程及相關(guān)地質(zhì)條件概況

1.1 工程概況

該項(xiàng)目為青山路溢流閘門改造工程（以下簡稱青山路頂管工程）。該區(qū)域青山北路現(xiàn)狀方涵為雨、污合流方涵，未經(jīng)限流直接排至青山湖西渠截污涵，導(dǎo)致雨季后期青山北路箱涵里的雨、污合流水與青山湖西渠截污涵內(nèi)的污水混合。一方面稀釋了青山湖西渠截污涵內(nèi)污水的濃度，導(dǎo)致青山湖污水處理廠進(jìn)水濃度降低；另一方面增大了青山湖西渠暗涵溢流污水的濃度。為解決上述問題，要對現(xiàn)有青山路溢流閘門井進(jìn)行改造。青山路頂管工程位置如圖1所示。

圖1 青山路頂管工程位置

該工程為2019—2020 年南昌市城區(qū)城鎮(zhèn)污水全收集全處理達(dá)標(biāo)整治工程第一批（青山湖區(qū)一期、東湖區(qū)）項(xiàng)目（一標(biāo)段）-青山路溢流閘門改造工程。為解決青山北路現(xiàn)狀方涵合流問題，要對現(xiàn)有青山路溢流閘門進(jìn)行改造。一方面，改造青山北路現(xiàn)狀方涵與青山湖西渠截污涵連接處的閘門井，隔斷兩者之間連通；另一方面，在青山北路溢流閘門井南側(cè)新建一根d1000 截污管，連接青山北路現(xiàn)狀方涵與青山湖西渠截污涵，該d1000 截污管須穿青山北路。

由于青山北路近期進(jìn)行改造，改造工程目前已基本實(shí)施完畢。若采用明挖方式敷設(shè)管道，對該區(qū)域交通影響極大，且青山北路交通量大，地下管線復(fù)雜。綜合各方面因素考慮，擬采用頂管方式施工穿越青山北路。

經(jīng)過調(diào)查與現(xiàn)場勘探，該處地下管線眾多，情況復(fù)雜。道路西側(cè)綠化帶（斗門路-安山路段，下同）下敷設(shè)有1 根DN400 燃?xì)庵袎汗埽裆顬?.70 m），西側(cè)車行道下敷設(shè)有1 根DN50 路燈電線管（埋深為0.29 m）、3 根斷面為400×300 及1 根斷面為1 000×1 500 弱電管（埋深分別為0.92 m、0.92 m、0.92 m、3.15 m）、1 根斷面為3 200×2 000 合流箱涵（埋深為4.50～6.50 m）、1 根斷面為1 200×500 及1 根斷面為1 000×1 500 強(qiáng)電管（埋深分別為2.14 m、3.15 m）；道路東側(cè)車行道下有1根斷面為1 200×500及1根斷面為1 100×400強(qiáng)電管（埋深分別為1.75 m、1.35 m）、1 根斷面為1 200×500 及1 根斷面為1 100×400 弱電管（埋深分別為1.75 m、1.35 m）、1 根管徑為DN600 自來水管（埋深為1.21 m）、1 根管徑為d1500 雨水管（埋深為2.60～2.80 m）、1 根管徑為DN400 燃?xì)庵袎汗埽裆顬?.11 m）、1 根管徑為DN800 合流管（埋深為3.23 m），東側(cè)綠化帶下有1根DN508 燃?xì)庵袎汗埽裆顬?.34 m）及1 根斷面為3 200×2 200 截污箱涵（埋深為7.45～7.88 m，箱涵底距地鐵頂外壁凈距為5.0～5.5 m）。根據(jù)相關(guān)資料，青山北路下現(xiàn)有南昌地鐵4 號線，與設(shè)計(jì)頂管交匯處的地鐵隧道頂標(biāo)高約為6.59 m。

設(shè)計(jì)的F 形頂進(jìn)用鋼筋混凝土管管道外徑為1 200 mm、管道內(nèi)徑為1 000 mm、管壁厚為100 mm，設(shè)計(jì)管內(nèi)底標(biāo)高為13.476～13.507 m。設(shè)計(jì)的d1000 截污管管外壁距離地鐵頂外壁凈距約為6.89 m。采取泥水平衡法頂管施工，該處設(shè)頂管工作井、頂管接收井各1 座，頂管工作井內(nèi)尺寸為7.0 m×4.5 m，頂管接收井內(nèi)尺寸為4.5 m×4.5 m，距離地鐵線路平面凈距均不小于4.5 m。頂管平面設(shè)計(jì)及頂管縱斷面設(shè)計(jì)如圖2、圖3 所示。

圖2 青山路頂管工程與4號線七里站-民園路西站區(qū)間平面位置關(guān)系

圖3 青山路頂管工程與4號線七里站-民園路西站區(qū)間剖面位置關(guān)系

1.2 工程地質(zhì)條件概況

1.2.1 工程地質(zhì)概況。據(jù)鉆探揭露結(jié)果，勘探深度內(nèi)主要由第四系人工填土層（Qml）、第四系全新統(tǒng)靜水沉積層（Q4l）、第四系上更新統(tǒng)沖積層（Q3al）、第三系新余群（Exn）組成。按其巖性及工程特性，自上而下依次劃分為①-1 雜填土、①-2 素填土、②-1 淤泥、③-1 粉質(zhì)黏土、③-2 細(xì)砂、③-3粗砂、③-4礫砂、③-5粉質(zhì)黏土及④泥質(zhì)粉質(zhì)巖。

1.2.1.1 第四系人工填土層（Qml）。①-1雜填土：雜色-灰褐色，主要成分以黏性土為主，次為中粗砂、磚塊、瓦片等建筑垃圾，局部含生活垃圾，堆填時(shí)間為大于5 a，土、石等級為Ⅰ級，土、石類別為松土，揭露層厚為0.90～8.40 m，平均厚度為3.29 m。①-2素填土：灰褐色-灰黃色，主要成分以黏性土、中細(xì)砂粒為主，堆填時(shí)間為大于5 a，土、石等級為Ⅰ級，土、石類別為松土。

1.2.1.2 第四系全新統(tǒng)靜水沉積層（Q4l）。②-1 淤泥：灰黑色，流塑狀，主要成分以粉黏粒為主，次為腐殖質(zhì)，刀切面光滑，韌性及干強(qiáng)度中等，無搖振反應(yīng)，稍有光澤反應(yīng)，平均含水量W=42.8%，揭露層厚為0.80～2.50 m。

1.2.1.3 第四系上更統(tǒng)沖積層（Q3al）。③-1粉質(zhì)黏土：灰褐色-黃褐色，硬塑狀為主，局部可塑，主要成分以粉、黏粒為主，刀切面光滑，無搖振反應(yīng)，韌性及干強(qiáng)度中等，實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)為11～14擊，壓縮系數(shù)平均值為0.35 MPa-1，中壓縮性，壓縮模量平均值為5.27 MPa，土、石等級為Ⅱ級，土、石類別為普通土，稠度Bm=0.781，干濕類型為中濕型路基。該層在工程沿線均有揭露，揭露層厚為1.80～9.30 m，平均厚度為5.34 m。③-2細(xì)砂：黃色、淺黃色，干-稍濕-飽和，主要成分為石英、長石、云母等，局部含少量泥質(zhì)，實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)為9～12 擊，松散-稍密。土、石等級為Ⅰ級，土、石類別為松土，該層在工程沿線均有揭露，揭露厚度為0.60～7.50 m。③-3 粗砂：淺黃色-灰白色，稍濕-飽和，主要成分為石英、長石、云母等，實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)為16～18擊，中密，強(qiáng)透水性。揭露厚度為3.20～9.90 m。③-4礫砂：淺黃色、灰白色，飽和，修正后重型圓錐動力觸探擊數(shù)為12擊，中密。強(qiáng)透水性。礦物成分主要為石英、硅質(zhì)巖。土、石等級為Ⅱ級，土、石類別為普通土，該層在擬建工程沿線均有揭露，揭露層厚為1.90～12.40 m（局部未揭穿），層頂埋深8.00～21.30 m。③-5 粉質(zhì)黏土：灰褐色，軟塑狀為主，局部可塑，主要成分以粉、黏粒為主，刀切面光滑，無搖振反應(yīng)，韌性及干強(qiáng)度中等，實(shí)測標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)為3～4 擊，壓縮系數(shù)平均值為0.50 MPa-1，中壓縮性，壓縮模量平均值為3.97 MPa，土、石等級為Ⅰ級，土、石類別為松土，稠度Bm=0.227，干濕類型為過濕型路基。揭露層厚為1.10～5.10 m，平均厚度為2.00 m。

1.2.1.4 第三系新余群（Exn）。④泥質(zhì)粉砂巖：紫紅色，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀構(gòu)造，塊狀結(jié)構(gòu)，巖石質(zhì)軟，遇水易軟化，失水干裂，屬軟質(zhì)巖石，根據(jù)巖石的風(fēng)化程度及現(xiàn)場揭露厚度，泥巖可劃分為④-1 強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、④-2 中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及④-3 鈣質(zhì)泥巖等3 個(gè)亞層。對其工程地質(zhì)特征分述如下。④-1 強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，紫紅色，泥質(zhì)膠結(jié)，巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，節(jié)理裂隙發(fā)育強(qiáng)烈，巖芯呈碎塊狀、短柱狀，土石等級為Ⅲ級，土石類別為硬土，揭露厚度為0.60～2.00 m。④-2 中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，紫紅色，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀構(gòu)造，巖石風(fēng)化中等，見少許垂直裂隙，少數(shù)Fe、Mn 質(zhì)渲染。錘擊聲啞、無回彈、有凹痕、易擊碎，多呈柱狀，少數(shù)為短柱狀，巖體完整程度分類為“較破碎-較完整”，巖石飽和單軸極限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為4.5 MPa，屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級，揭露厚度為5.10～12.50 m。④-3 鈣質(zhì)泥巖，青灰色，塊狀結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀構(gòu)造，巖石風(fēng)化中等，以透鏡體的形式賦存于泥質(zhì)粉砂巖層中，巖芯較破碎，呈短柱狀、柱狀、薄餅狀，該層有溶孔發(fā)育，孔徑一般為1～3 cm，最大孔徑為5 cm，由于局部溶蝕、溶孔的原因，鈣質(zhì)泥巖的強(qiáng)度變異程度高，變異系數(shù)大，巖石飽和抗壓強(qiáng)度最大值為33.1 MPa，最小值為1.1 MPa，巖石飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.2 MPa，巖體完整程度分類為“破碎-較破碎”，屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，鉆孔揭露厚度為1.30～3.50 m。

1.2.2 場地水文地質(zhì)條件。

①上層滯水。上層滯水主要賦存于表層人工填土層中，該層主要接受大氣降水的入滲補(bǔ)給，向場地低洼地段蒸發(fā)或向低洼處排泄，由于填土及成分及密實(shí)度的差異，因此上層滯水的連通性較差，且無連續(xù)的水位面，一般水量較小。該層地下水的水位埋深及水量大小受季節(jié)性變化影響大，在強(qiáng)降雨或持續(xù)降雨期間，由于填土的不均勻性，局部有可能上升至地面，勘察期間測得初見水位埋深為0.80～3.10 m。

②第四系松散巖類孔隙水。主要賦存于下部砂礫石層中，③-1 粉質(zhì)黏土為含水層的隔水頂板，本場地孔隙水屬潛水（局部微承壓），水位隨季節(jié)變化，勘察期間初見水位埋深為7.50～14.60 m，穩(wěn)定水位埋深為6.60～14.20 m，主要接受大氣降水的滲流補(bǔ)給及贛江地表水、撫河的側(cè)向補(bǔ)給，根據(jù)南昌市經(jīng)驗(yàn)，含水層滲透系數(shù)為120 m/d，根據(jù)觀（監(jiān)）測資料，水位年變幅為1～3 m。

1.2.3 不良地質(zhì)作用及地下障礙物。管道原始地貌為贛撫沖積平原，屬Ⅱ級堆積階地，場地內(nèi)未發(fā)現(xiàn)全新世以來的活動性斷裂，勘察深度范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)崩塌、滑坡、泥石流等對工程不利的不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2 擬建項(xiàng)目實(shí)施下方既有盾構(gòu)隧道影響與實(shí)測分析

2.1 計(jì)算軟件及材料本構(gòu)模型

2.1.1 計(jì)算軟件。采用巖土、隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件MIDAS/GTS NX 進(jìn)行計(jì)算。該軟件是針對巖土隧道領(lǐng)域結(jié)構(gòu)分析所需功能開發(fā)的，與其他大型通用有限元軟件相比，除了具有強(qiáng)大的前后處理及求解功能外，還能很方便地進(jìn)行回填、開挖及施加支護(hù)結(jié)構(gòu)等巖土及隧道工程施工階段分析。

MIDAS/GTS 對施工階段的分析采用的是累加模型，每個(gè)施工階段都繼承了上一個(gè)施工階段的分析結(jié)果，并累加本施工階段的分析結(jié)果，即上一個(gè)施工階段中結(jié)構(gòu)體系與荷載的變化會影響到后續(xù)階段的分析結(jié)果。

研究施工過程中各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載效應(yīng)，以便指導(dǎo)設(shè)計(jì)，土體材料本構(gòu)模型使用修正的莫爾-庫倫（Modified Mohr-Coulomb）彈塑性模型。結(jié)構(gòu)材料按線彈性模型考慮。

2.1.2 材料本構(gòu)模型。各結(jié)構(gòu)的線彈性本構(gòu)關(guān)系的輸入?yún)?shù)為彈性模量E和泊松比μ。土體修正的莫爾-庫倫（Modified Mohr-Coulomb）本構(gòu)是在莫爾-庫倫（Mohr-Coulomb）本構(gòu)基礎(chǔ)上改善而來的本構(gòu)模型，適用于各種類型的地基，特別適用于像沙土或混凝土那樣具有摩擦特性的地基。

修正的莫爾-庫倫本構(gòu)用于模擬具有冪率關(guān)系的非線性彈性模型和彈塑性模型的組合模型，如圖4 所示。修正的莫爾-庫倫本構(gòu)的剪切屈服面與莫爾-庫倫本構(gòu)的屈服面相同，壓縮屈服面為橢圓形的帽子本構(gòu)。另外，修正的莫爾-庫倫本構(gòu)的剪切屈服面與壓縮屈服面是相互獨(dú)立的，在剪切方向和壓縮方向采用了雙硬化模型（Double Hardening）。

圖4 修正莫爾-庫倫本構(gòu)模型p-q平面

莫爾-庫倫本構(gòu)的偏平面形狀為六邊形，在計(jì)算頂點(diǎn)的塑應(yīng)變方向時(shí)要采用特別的數(shù)值計(jì)算方法，如圖5 所示。修正的莫爾-庫倫本構(gòu)為了消除分析過程中的不穩(wěn)定因素，偏平面采用圓角處理，使計(jì)算的收斂性更好。修正的莫爾-庫倫本構(gòu)在pq平面上采用相關(guān)流動法則，在偏平面上采用了非關(guān)聯(lián)流動法則（Non-associated Flow Rule）。另外，圖4 中使用了?p值，移動剪切屈服面可反映莫爾-庫倫本構(gòu)的黏聚力效果。

圖5 修正莫爾-庫倫本構(gòu)模型偏平面

2.2 基坑開挖數(shù)值模擬的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)該工程青山路頂管與鄰近地鐵結(jié)構(gòu)立體關(guān)系及頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工特點(diǎn)，對施工全過程進(jìn)行模擬。在MIDAS 有限元模型中，構(gòu)建三維實(shí)體單元模擬地層，采用板單元來模擬拉森鋼板樁、始發(fā)井沉井、接收井結(jié)構(gòu)、地鐵區(qū)間，采用一維梁單元來模擬鋼支撐等結(jié)構(gòu)。計(jì)算模型范圍以外輪廓為基準(zhǔn)，外擴(kuò)一定距離后而建立。有限元模型的邊界條件為模型側(cè)面邊界固定水平位移，底部邊界固定豎向位移，上部邊界為地表自由面，如圖6 所示。為保證計(jì)算結(jié)果精度及盡量減小有限元模型規(guī)模，在模型建立過程中進(jìn)行簡化處理，結(jié)果如圖7所示。

圖6 計(jì)算模型（模型尺寸80 m×80 m×30 m）

圖7 相對關(guān)系軸側(cè)圖

2.2.1 計(jì)算參數(shù)。土層材料屬性、結(jié)構(gòu)材料屬性及結(jié)構(gòu)特性見表1、表2、表3。

表1 土層材料屬性

表2 結(jié)構(gòu)材料屬性

表3 結(jié)構(gòu)特性

2.2.2 計(jì)算工況。根據(jù)建設(shè)單位提供的圖紙資料，對施工全過程進(jìn)行模擬，并進(jìn)行建模及網(wǎng)格剖分。工況1為初始土體地應(yīng)力形成，位移清零；工況2為地鐵區(qū)間隧道施工，位移清零；工況3為開始發(fā)井沉井施工；工況4為接收井基坑開挖施工及結(jié)構(gòu)回筑；工況5為頂管施工。不同工況下模型及網(wǎng)格剖分如圖8所示。

圖8 工況

2.3 結(jié)果分析

整體X、Y、Z方向位移云圖如圖9所示。

圖9 工況3和工況4方向位移云圖

工況3 和工況4 區(qū)間的結(jié)構(gòu)位移云圖如圖10所示。

圖10 工況3-4結(jié)構(gòu)位移云圖

工況5整體方向計(jì)算云圖如圖11所示。

圖11 工況5整體位移云圖

工況5區(qū)間結(jié)構(gòu)位移計(jì)算云圖如圖12所示。

圖12 工況5結(jié)構(gòu)位移云圖

對青山路頂管計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總分析，結(jié)果見表4。

表4 地鐵結(jié)構(gòu)附加位移計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，頂管施工期間引起的區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移為0.33 mm，最大水平位移為0.25 mm，滿足地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)安全要求。

3 結(jié)語

通過對青山路頂管施工對七民區(qū)間影響進(jìn)行數(shù)值分析后可知，由頂管施工期間引起的區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大豎向和水平位移均滿足地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)安全要求。