復合地層中基坑開挖對下臥隧道變形影響研究

趙 俊，甘鵬路，申文明，劉 維

(1.中鐵二院華東勘察設計有限責任公司，浙江杭州 310004; 2.浙江大學濱海與城市巖土研究中心，浙江杭州 310058)

0 引言

目前，國內各大城市通過興建地鐵來緩解城市日益擁堵的交通問題，與此同時，通過對地下空間的開發來提高城市土地利用率。由于地鐵帶來的巨大便利和經濟效益，地鐵沿線周邊大量建筑物隨之興建，而相應的基坑開挖難免會對臨近地鐵隧道造成變形影響，特別是在相互距離較小情況下，該影響尤為明顯。地鐵隧道對變形有著嚴格的控制標準，故研究隧道臨近基坑開挖對已有隧道變形影響具有重要的意義。目前就基坑開挖引起隧道變形問題，國內外學者主要采用理論分析法和數值分析法進行研究。文獻［1］在彈性理論基礎上，采用兩階段分析法，通過Mindlin解得到基坑開挖后應力分布，然后假設隧道為Winkler地基梁，計算開挖應力重分布條件下的隧道縱向變形;文獻［2－5］也采用類似方法進行了相關研究。在數值分析法中，主要采用應力控制法，該方法將地鐵隧道和周邊土體看作整體并考慮隧道結構和周邊土體的相互作用，通過在開挖邊界施加反向節點力來模擬基坑開挖。大量研究主要關注基坑在均質地層中開挖引起的附近土體及地下結構的變形［6－12］。

實際工程中經常遇到深大基坑開挖工程，基坑底部可能出現較大變形，進而對下臥土層中的隧道結構造成影響，但已有研究較少涉及開挖尺寸及土層模量對下部結構設施變形的影響，因此有必要進行上述2方面的參數分析。本文以南京地鐵3號線明發廣場站至南京南站區間地下空間開發為背景，采用數值分析法研究地下空間開挖時復合地層中基坑開挖寬度及土層模量變化對周邊土體和下穿地鐵隧道變形的影響。

1 工程概況

南京地鐵3號線明發廣場站至南京南站區間穿過規劃中的南京南站北廣場，該區段隧道采用明挖工法，3號線該區段明挖基坑位于地鐵1號線右線上部。該區段隧道結構完工后將已有明挖基坑擴建開發成南京南站下沉式北廣場。3號線明挖基坑為南北向狹長型分布，基坑寬度最小處為18 m，最大處為30 m，基坑深度為10 m。圍護結構采用直徑為800 mm的灌注樁，灌注樁長度為20 m。地表自上而下土層分別為粉質黏土、強風化粉泥巖、中分化泥巖及中風化砂巖。工程平面布置如圖1所示。基坑剖面如圖2所示。各土層參數如表1所示。下文主要通過數值方法研究該類狹長明挖基坑施工對土體及已有隧道變形的影響。

圖1 工程平面示意圖Fig.1 Plan of the project

圖2 基坑剖面圖Fig.2 Profile of foundation pit

表1 土體參數Table 1 Parameters of ground

2 數值模擬

根據工程背景，穿越段基坑寬度不均勻，筆者采用有限差分軟件FLAC 3D研究基坑寬度變化對土體及隧道變形的影響。同時，基坑和隧道位于復合地層中，基坑主要位于粉質黏土層，模量為18 MPa，地鐵1號線右線主要位于中風化砂巖層，模量為1 600 MPa，復合地層間模量差異較大，故有必要對地層模量比進行參數分析。數值分析示意如圖3所示。研究以平面應變問題為基礎，根據基坑和隧道主要穿越土層的地質情況，從簡化角度假設復合土層為雙層土，基坑位于土層①中，土層①厚度為10 m，力學參數(E1=18 MPa，c=34 kPa，φ=10.5°)與表1中粉質黏土相同;隧道所處土層厚度為10 m，力學參數為E2，c=300 kPa，φ= 38°。其中c，φ取自土層②，E2為本文所關注的參數，考慮不同的模量比E2/E1情況下基坑與隧道的變形情況。依據實際工程背景，從最不利角度考慮，認為基坑底部和隧道拱頂的距離為1 m。下文主要從2方面研究基坑開挖對周邊土體和隧道變形的影響:1)通過改變L/D研究不同基坑開挖寬度對土體及隧道變形的影響;2)通過改變E2/E1研究不同復合土層模量比對土體及隧道變形的影響。研究中土體變形主要包括基坑底部中點回彈量和基坑圍護樁頂側向位移，隧道變形包括隧道豎向變形Sc－i和隧道側向收斂Ul－r。建立平面模型如圖4所示。模型的寬度為60 m，高度為20 m，厚度為1 m。模型邊界條件為:模型底部限制豎向及水平方向位移，模型側面限制水平方向位移。上覆土層假定為工程中粉質黏土。實際工程中，圍護結構采用C30咬合樁，樁直徑為800 mm;隧道襯砌采用C50管片，襯砌厚度為300 mm。圍護樁在模擬過程中均采用結構單元Shell進行模擬，相關參數如表2所示。模擬步驟為:1)開挖隧道生成周邊應力場;2)設置圍護樁;3)開挖基坑計算基坑和隧道變形。

圖3 數值分析示意圖Fig.3 Numerical analysis

圖4 有限差分模型Fig.4 Finite difference model

表2 圍護樁和襯砌參數Table 2 Parameters of retaining piles and lining

2.1 基坑寬度變化的影響

復合土層基坑開挖時，基坑底部回彈量對周邊環境造成影響。由于模型的對稱性，本節關注基坑開挖寬度對位于隧道拱頂正上方的基坑底部中點回彈量的影響規律，結果如圖5所示。由圖5可知:1)當E2/E1=2時，隨L/D從1增大至3，基坑底部中點回彈量從34 mm迅速增加至53 mm;當L/D繼續增大，基坑底部回彈量則趨于穩定不再增大。2)當E2/E1=6時，隨L/D從1增大至3，基坑底部中點回彈量從14 mm緩慢增加至20 mm;當L/D繼續增大，回彈量不再受到基坑寬度變化的影響。3)當E1/E1=10時，基坑底部回彈量不受基坑開挖寬度的影響。

圖5 基坑底部中點回彈量隨L/D變化規律Fig.5 Rebound of midpoint of foundation pit floor Vs L/D

上述分析表明，復合土層中基坑開挖卸荷會引起基坑底部的回彈，基坑底部回彈量受到基坑開挖寬度不同程度的影響。在E2/E1≤6時，當L/D≤3時，基坑回彈量隨開挖寬度增加非線性增大，當L/D＞3時，基坑回彈量不隨開挖寬度的增加而變化;在E2/E1≥10時，基坑開挖寬度對回彈量沒有影響。

隧道拱頂回彈量隨基坑寬度變化規律如圖6所示。由圖6可知:1)當E2/E1=2時，L/D從1增大至3，隧道拱頂回彈量從21 mm迅速增大至43 mm;之后L/D繼續增大，隧道拱頂回彈量逐漸趨于穩定。2)當E2/E1=6時，隨L/D從1增大至3，隧道拱頂回彈量從10 mm緩慢增加至15 mm;此后隧道拱頂回彈量不再隨基坑寬度增加而變化。3)當E2/E1=10時，隧道拱頂回彈量不受基坑開挖寬度的影響。

圖6 隧道拱頂回彈量隨L/D變化規律Fig.6 Rebound of tunnel crown Vs L/D

上述分析表明，基坑開挖卸荷會引起隧道拱頂的回彈。當E2/E1≤6時，隧道拱頂回彈受基坑寬度變化明顯;當E2/E1≥10時，隧道拱頂回彈不受基坑開挖寬度的影響;對于任意E2/E1，當L/D≥3，隧道拱頂回彈量不受基坑寬度的影響。

L/D對隧道變形的影響如圖7所示。由圖7可知:1)當E2/E1=2時，隧道的豎向變形Sc－i和側向收斂變形Ul－r隨L/D增大線性增大;當L/D≥3時，隧道變形趨于穩定且不再受基坑寬度變化的影響。2)當E2/E1≥10時，隧道變形不受基坑開挖寬度的影響。3)對于任意E2/E1，當L/D≥3時，隧道變形不隨基坑寬度增加而變化。

圖7 L/D變化對隧道變形的影響Fig.7 Tunnel deformation Vs L/D

綜合以上分析可知，3號線基坑明挖時，因為E2/E1≥10，基坑寬度L由18 m增加至30 m(L/D由3變化至5)時，基坑底部回彈小于10 mm，下臥隧道拱頂回彈小于5 mm，隧道整體變形約為2 mm，表明該基坑開挖對下臥隧道影響很小。

2.2 復合土層模量變化的影響

基坑位于上覆黏土層中，隧道位于下臥土層中，不同土層的模量比會影響基坑開挖引起的土層變形。在不同基坑寬度條件下，E2/E1對基坑中點回彈量的影響如圖8所示。由圖8可知:1)不同基坑寬度條件下，隨E2/E1增加，基坑回彈量呈現非線性下降趨勢。當2≤E2/E1≤8時，基坑回彈量隨E2/E1增加快速降低;當E2/E1≥8時，基坑回彈量受模量比影響降低且基坑回彈量變化趨于穩定。2)當E2/E1≤8時，基坑中點回彈量亦受到L/D的影響。對于任意E2/E1，基坑回彈量隨L/D的增加而增大，而L/D=3和L/D=4時的基坑回彈量曲線幾乎重合。由此也可以證明2.1規律:對于任意E2/E1，當L/D≥3時，L/D增加幾乎不再影響基坑回彈量。當E2/E1＞8時，不同基坑寬度條件下的基坑底部回彈曲線逐漸趨近;當E2/E1=10時，基坑底部回彈量保持穩定且不再受基坑寬度變化的影響。

模量比E2/E1對隧道豎向變形Sc－i的影響如圖9所示。由圖9可知:1)隧道豎向變形隨E2/E1的增大而非線性降低，直到E2/E1＞8時，隧道豎向變形逐漸趨于穩定且不再受 E2/E1的影響。2)當E2/E1＞8時，不同基坑寬度條件下，隧道豎向變形曲線趨于重合。表明在該條件下，隧道豎向變形不再受L/D變化的影響。

圖8 E2/E1變化對基坑中點回彈量的影響Fig.8 Rebound of midpoint of foundation pit Vs E2/E1

圖9 E2/E1變化對Sc－i的影響Fig.9 Vertical deformation of tunnel Vs E2/E1

土層模量比E2/E1對隧道側向收斂Ul－r的影響如圖10所示。由圖10可知:1)隧道側向收斂Ul－r隨E2/E1增大而非線性降低。當E2/E1＞8時，隧道側向收斂Ul－r變化趨于穩定且不再隨E2/E1增加而變化。2)當E2/E1＞8時，不同基坑寬度條件下，隧道側向收斂Ul－r曲線趨于重合。再次表明在該條件下，隧道側向收斂不受L/D的影響。

圖10 E2/E1變化對Ul－r的影響Fig.10 Lateral deformation of tunnel Vs E2/E1

根據2.1的分析，當L/D≥3時，基坑開挖寬度變化對隧道變形無影響。研究L/D=3時基坑開挖引起的隧道變形，結果如圖11所示。當E2/E1=2時，隧道拱頂豎向位移為43 mm，仰拱豎向位移為28 mm，側壁收斂均為7.5 mm，可以推斷，在豎向上，隧道除了有28 mm整體上浮，還有15 mm的豎向變形，而橫向上隧道只有形變而無位移，故基坑開挖既造成了隧道整體位移也造成了隧道形變。當E2/E1=10時，隧道拱頂豎向位移為3 mm，隧道仰拱豎向位移為1 mm，隧道兩側壁的收斂值均為1 mm，可以推斷，此時隧道無整體位移，基坑開挖僅引起了隧道形變。

圖11 隧道變形示意圖(L/D=3)Fig.11 Deformation of tunnel when L/D=3

3 工程案例分析

以南京地鐵3號線明發廣場站至南京南站區間地下空間開發為例進行分析。該工程中，基坑位于黏土層，基坑下臥層主要為強風化粉泥巖、中風化泥巖及中風化砂巖，隧道穿越層主要為中風化砂巖。相比黏土層，基坑下臥巖層具有更高強度，巖土參數如表1所示。開挖引起的基坑及隧道變形為:基坑底部中點回彈量為2.6 mm，基坑圍護樁頂部收斂值為50 mm，因此開挖引起基坑頂部收斂值遠大于基坑回彈;隧道豎向位移Sc－i為1 mm，隧道側向收斂Ul－r為1 mm，表明隧道此時并無整體上浮，而只有微小形變。基坑及隧道變形云圖如圖12所示。基坑開挖引起的較大變形主要位于黏土層中，并隨與基坑距離的增大，位移逐漸減小，另外，巖層中隧道的變形很小。該現象通過2.2規律分析，隧道穿越巖層和基坑位于黏土層的模量比E2/E1＞10，故基坑開挖不會造成隧道整體上浮，僅造成隧道微小形變。

4 結論與建議

4.1 結論

1)當L/D＜3時，基坑底部回彈和隧道變形隨基坑寬度增加而增大。

2)當L/D≥3時，基坑底部回彈和隧道變形區域穩定，不受基坑寬度增加的影響。

圖12 基坑及隧道變形云圖Fig.12 Deformation contour of foundation pit and tunnel

3)當E2/E1＜8時，基坑回彈和隧道變形隨模量比的增加而迅速降低。

4)當E2/E1≥8時，基坑回彈和隧道變形微小，且不隨模量比的增加而變化。

5)當E2/E1＜8時，基坑底部出現明顯回彈，與此同時隧道既出現整體上浮又發生形變。

6)當E2/E1≥8時，基坑底部回彈不明顯，與此同時隧道出現微小形變但未出現整體上浮。

4.2 建議

1)在實際工程中，應盡量減小基坑開挖寬度。如果基坑開挖寬度過大(為隧道直徑3倍以上時)，可根據L/D=3時的變形情況采取相應的處理措施。

2)若隧道所處地層模量超過基坑所處地層模量的8倍，基坑開挖對下覆隧道結構的影響很小。若復合土層間的模量差不足8倍，坑底隆起現象明顯，易造成隧道結構上浮破壞，因此，應采取相應處理措施對基坑與隧道變形加以控制。

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