鄰近基坑卸荷—加載對既有軟土盾構隧道影響分析

張劍濤， 姚愛軍， 郭海峰， 周一君， 胡 愈

(北京工業大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室， 北京 100124)

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鄰近基坑卸荷—加載對既有軟土盾構隧道影響分析

張劍濤， 姚愛軍， 郭海峰， 周一君， 胡 愈

(北京工業大學城市與工程安全減災教育部重點實驗室， 北京 100124)

為了減少和避免地鐵盾構隧道發生運營中斷事故，提升地鐵盾構隧道的防災減災能力，應用數值模擬的方法，以上海某典型工程為例，研究了軟土地層中，鄰近基坑卸荷—加載作用下，盾構隧道位于基坑拐角特殊位置的變形機制，并對地下連續墻支護方案的隔離效果和盾構隧道與基坑邊緣凈距l的影響進行了分析。研究結果表明： 1)當基坑位于盾構隧道側方淺部時，基坑卸荷—加載誘發盾構隧道產生朝向基坑方向的位移，隨著基坑加載的進行，豎向位移可得到適量恢復，水平位移恢復較少； 2)當盾構隧道位于基坑拐角特殊位置時，受基坑臨空面范圍和卸荷—加載作用共同影響，最大豎向位移出現在基坑拐角位置附近，最大水平位移出現在隧道軸線距離基坑邊緣約1.5h(h為基坑深度)位置； 3)近地鐵區域采用地下連續墻加固方案，可使盾構隧道水平位移減小50%，加固效果明顯； 4)當盾構隧道與基坑邊緣凈距l大于1.5h時，鄰近基坑卸荷—加載對既有盾構隧道影響較小。

盾構隧道； 土體卸荷； 基坑加載； 數值模擬； 臨空面

0 引言

地鐵作為城市軌道交通的組成部分，對促進城市經濟發展發揮著重要作用，而大量的商業、公共、交通和住宅項目臨近甚至緊貼正在運營的地鐵隧道建設。基坑開挖及隨后建筑的施作形成了一系列復雜的卸荷—加載過程，該過程嚴重影響了鄰近區域內地鐵車站及區間隧道的安全和運營。近年來，國內外不少學者對此問題進行了研究，為施工過程中地鐵車站及區間隧道的保護積累了大量的經驗。李志高等[1]、曾遠等[2]和丁樂[3]運用數值模擬的方法，研究了基坑開挖對鄰近地鐵車站的影響；劉亮[4]、劉庭金[5]和張玉成等[6]基于工程實測數據和數值計算結果，研究了鄰近基坑卸荷對既有隧道產生的影響；張治國等[7]和姜兆華等[8]應用理論解析法，對基坑卸荷作用下，隧道的變形計算進行了研究；劉國彬等[9]和周建昆等[10]對基坑卸荷作用下，隧道的保護措施進行了研究；劉旻旻[11]、范垚垚等[12]和李國龍等[13]基于實際工程，研究了基坑卸荷—加載雙重作用下，既有隧道的變形機制。現有研究成果包含了基坑位于隧道正上方及側方的影響研究，但對隧道位于基坑拐角特殊位置時的影響缺乏研究。

鑒于此，本文以上海軟土地區某典型盾構隧道及其鄰近的基坑工程為例，應用數值模擬的方法，深入分析隧道位于基坑拐角特殊位置時，基坑開挖卸荷及建筑物施作加載對地鐵盾構隧道產生的影響，并對隧道與基坑邊緣凈距l的界定進行分析。

1 工程概況

1.1 工程簡介

上海某鄰近地鐵高層建筑工程，占地面積5 771 m2，建筑面積58 509m2，地上總建筑面積約46 761m2，地下面積11 784 m2，地下2層，地上18層，地上建筑總高度80 m。主樓區基坑開挖深度11.35 m，其他范圍10.70 m[14-15]。基坑北側圍護結構距上海地鐵4號線運營隧道最短距離3.903 m，該地鐵隧道頂部覆土約16 m，直徑6.6 m。在本工程中，地鐵隧道位于基坑拐角位置，隧道結構體系變形受基坑臨空面“空間效應”影響較大。基坑與地鐵4號線盾構隧道相對位置如圖1所示。

圖1 基坑與盾構隧道相對位置(單位： mm)

Fig. 1 Relationship between foundation pit and shield tunnel (mm)

1.2 基坑圍護結構與近地鐵區域加固方案

基坑圍護結構采用“排樁(局部地下連續墻)+3道內支撐”的形式，止水帷幕采用單排三軸水泥攪拌樁帷幕(在排樁支護范圍內采用壓密注漿加強)，坑內局部地基采用水泥攪拌樁進行加固，基坑外側考慮坑外超載值20 kPa。內支撐結構、圍護樁、地下連續墻和立柱樁使用C30混凝土施工。

遠地鐵區域，基坑開挖深度10.7 m，圍護結構采用φ1 000@1 200鉆孔灌注樁，有效樁長22.80 m，在3排φ850@600水泥攪拌樁內套打。

近地鐵區域，為保護地鐵4號線運營安全，圍護結構采用800 mm厚地下連續墻加固，有效深度21.80 m，墻長約44 m，共分8幅(標準幅長5.5 m)。槽壁加固采用單排φ850@600三軸水泥攪拌樁，樁長為22.5 m。基坑圍護結構如圖2所示。

圖2 基坑圍護結構3D模型

2 數值分析模型建立

2.1 模型尺寸及網格劃分

本文應用MIDAS/GTS軟件進行數值分析計算，網格剖分采用線性梯度(長度)的方法，通過輸入起始單元線和結束單元線的長度，按線性插值，自動設置節點位置，使得建筑物和盾構隧道周圍網格相對密集，邊界處網格相對稀疏。計算模型區域為400 m×400 m×40 m(長×寬×高)，滿足忽略邊界效應的要求，整體模型網格劃分如圖3(a)所示；建筑物-2—6層模型尺寸約為80 m×80 m×30 m(長×寬×高)，7—18層模型尺寸約為40 m×35 m×48 m(長×寬×高)，建筑物與盾構隧道部分網格劃分如圖3(b)所示。

2.2 模型材料參數設定

相比于Mohr-Coulomb模型，修正的Mohr-Coulomb本構模型可以分別設定土體的加、卸載變形模量，依據MIDAS/GTS幫助文件及相關文獻[16]，卸荷模量取3倍加載模量，能有效地控制基坑開挖時由于應力釋放引起的回彈隆起現象，故本模型中地基土體選用修正的Mohr-Coulomb本構模型，以實體單元建立。具體取值依據對應的地質勘查報告數據，詳見表1。

(a) 整體模型網格劃分

(b) 建筑物與盾構隧道部分網格劃分

圍護結構(地下連續墻、支護樁、立柱樁、水泥攪拌樁和內支撐)和盾構隧道均屬于結構構件，采用彈性本構模型，具體參數按實際值確定，詳見表1。地下連續墻采用實體單元建模，支護樁、立柱樁、水泥攪拌樁和內支撐均采用梁單元建模。

2.3 界面接觸處理

在本模擬中，圍護結構和土層之間通過設置接觸，模擬圍護結構與地基土層之間的擠壓和摩擦效應。接觸單元應用Mohr-Coulomb準則，通過設置接觸面之間的法向剛度模量、切向剛度模量、黏聚力和內摩擦角等參數，模擬地基土與結構間的擠壓和摩擦。依據MIDAS/GTS幫助文件，法向剛度模量取相鄰單元較小彈性模量的50倍；剪切剛度模量取相鄰單元較小剪切模量的50倍；黏聚力取基坑外側土體黏聚力的3倍；內摩擦角取基坑外側土體內摩擦角的3倍。

2.4 施工工況模擬

參照實際施工流程，在數值計算中基坑開挖卸荷及建筑物施作加載按以下步序模擬，如表2所示。

表1 計算模型物理力學計算參數表

表2 施工工況模擬

3 計算點布置與變形控制標準

3.1 計算點布置

為深入分析鄰近基坑卸荷—加載對既有軟土盾構隧道產生的影響，選取隧道斷面上具有代表性的點進行監測。共設置11個監測斷面，每個監測斷面設12個計算點，即A1、B1、…、K1、L1，A2、B2、…、K2、L2，以此類推，共計132個計算點。計算點具體位置如圖4所示。

3.2 變形控制標準

為保證地鐵4號線運營安全，地鐵運營公司制定了較為嚴格的變形控制標準。隧道結構絕對變形量(沉降、隆起和水平位移)小于10 mm，地鐵結構變形速率小于0.5 mm/d。

(a) 監測斷面布置圖

(b) 剖面圖

4 計算結果與分析

4.1 盾構隧道豎向位移分析

在軟土地層中，鄰近基坑卸荷—加載作用下，盾構隧道沿軸線方向豎向位移如圖5所示，正值表示豎向位移向上，負值表示豎向位移向下。通常情況下，隧道距離基坑越近，盾構隧道豎向位移越大，但本工程中盾構隧道位于基坑拐角特殊位置，隨著計算點到基坑邊緣距離的增加，臨空面范圍逐步增大，導致豎向位移略有增加，受基坑臨空面范圍和卸荷—加載作用共同影響，隧道最大豎向位移并未出現于距離基坑最近位置，隧道頂部最大豎向位移出現在監測斷面2，距離基坑邊緣8.06 m位置，即計算點A2位置；隧道底部最大豎向位移出現在斷面3，距離基坑邊緣9.34 m位置，即計算點G3位置。斷面1與斷面3豎向位移分布如圖6所示，在鄰近基坑卸荷—加載作用下，隧道發生朝向基坑所在位置的豎向位移，豎向位移較大位置集中在隧道左側，靠近基坑位置。計算點A1、G1、A2和G3豎向位移時程曲線如圖7所示。在鄰近基坑卸荷—加載過程中，隧道豎向位移并非單調增減，在基坑卸荷階段，隨著土方開挖的進行，豎向位移逐步增加，最大豎向位移出現在最后一層土方開挖完成階段；在基坑加載過程中，隨著上覆荷載的增加，豎向位移逐步減小，在本工程中，豎向位移并未恢復初始狀態，若上覆荷載持續增大，則豎向位移可能恢復初始狀態，并繼續增加。在鄰近基坑卸荷—加載作用下，盾構隧道豎向位移并未超過隧道結構絕對變形量，滿足要求。

(a) 隧道頂部豎向位移

(b) 隧道底部豎向位移

(a) 斷面1

(b) 斷面3

Fig. 6 Vertical displacements of cross-section of soft soil shield tunnel

圖7 軟土盾構隧道豎向位移時程分析

Fig. 7 Vertical displacements of soft soil shield tunnel at different construction phases

4.2 盾構隧道水平位移分析

在軟土地層中，鄰近基坑卸荷—加載作用下，盾構隧道沿軸線方向水平位移如圖8所示，正值表示水平位移遠離基坑所在方向，負值表示水平位移朝向基坑所在方向。

(a) 隧道左側水平位移

(b) 隧道右側水平位移

通常情況下，隧道距離基坑越近，盾構隧道水平位移越大，但本工程中盾構隧道位于基坑拐角特殊位置，隨著計算點到基坑邊緣距離的增加，臨空面范圍逐步增大，導致水平位移增加，受臨空面范圍及基坑卸荷—加載作用共同影響，盾構隧道兩側最大水平位移出現在隧道軸線距離基坑邊緣16.81 m的位置，即監測斷面8的位置。選取距離基坑最近位置(斷面1)和隧道水平位移最大位置進行橫斷面水平位移分析，斷面1與斷面8水平位移分布如圖9所示，在鄰近基坑卸荷—加載作用下，隧道發生朝向基坑方向的水平位移，水平位移較大位置集中于隧道底部及右側位置。計算點A1、G1、A8和G8水平位移時程曲線如圖10所示。

(a) 斷面1

(b) 斷面8

Fig. 9 Horizontal displacements of cross-section of soft soil shield tunnel

圖10 軟土盾構隧道水平位移時程分析

Fig. 10 Horizontal displacements of soft soil shield tunnel at different construction phases

在鄰近基坑卸荷—加載過程中，隧道水平位移并非單調增減，在基坑卸荷階段，隨著土方開挖的進行，水平位移逐步增加，最大水平位移出現在最后一層土方開挖完成階段；在基坑加載過程中，隧道水平位移不隨基坑加載的進行而發生明顯變化。在鄰近基坑卸荷—加載作用下，盾構隧道水平位移略大于隧道結構絕對變形量，在施工過程中，應采取適當加固措施控制盾構隧道水平位移。

5 近地鐵區域加固效果分析

5.1 計算方案

為深入研究軟土地層中，近地鐵區域采用地下連續墻加固方案對地鐵隧道結構的保護效果，以計算點A1—A11豎向位移(拱頂沉降)、計算點G1—G11豎向位移(拱底隆起)、計算點D1—D11及J1—J11水平位移為判別標準，對近地鐵區域采用地下連續墻支護(方案1)及排樁支護(方案2)的加固效果進行了研究分析。計算方案如下：

方案1： 按照原設計方案進行計算。近地鐵區域圍護結構采用地下連續墻加固，遠地鐵區域采用排樁加固。

方案2： 近地鐵區域與遠地鐵區域均采用排樁加固。

5.2 不同加固方案計算結果與分析

在軟土地層中，鄰近基坑卸荷—加載作用下，近地鐵區域加固效果如圖11及表3所示。計算結果表明：近地鐵區域采用地下連續墻加固方案，可減小盾構隧道水平位移50%左右，也可在一定程度上減小豎向位移，但效果不明顯。分析原因可知，地下連續墻剛度明顯高于排樁，且墻體槽段無間隔，這使得在控制盾構隧道結構水平位移方面，地下連續墻具有明顯的優勢。

Table 3 Comparison among maximum displacements

mm

6 隧道與基坑邊緣凈距影響分析

6.1 計算工況

在軟土地層中，鄰近基坑卸荷—加載作用下，采用地下連續墻加固方案可以有效控制盾構隧道水平位移。筆者深入地分析了采用地下連續墻加固(方案1)，隧道與基坑邊緣凈距l對隧道結構的影響。隧道與基坑邊緣凈距l取值為2、3.48(實際工況)、8、12、16 m，共計5種計算工況。

6.2 不同凈距計算結果與分析

圖12所示為隧道與基坑邊緣凈距l變化時，基坑開挖完成及建筑物施工完成階段，盾構隧道距離基坑邊緣最近斷面及位移變化最大斷面，隧道拱頂豎向位移、拱底豎向位移及兩側水平位移變化曲線。分析計算結果可知： 隨著隧道與基坑邊緣凈距l的增加，隧道結構位移逐步減小，當凈距l為h(h為基坑深度)時，盾構隧道拱頂及拱底豎向位移變化可以忽略不計，小于2 mm；當凈距l為1.5h時，盾構隧道兩側水平位移可以忽略不計，小于2 mm。

(a) 盾構隧道拱頂豎向位移

(b) 盾構隧道拱底豎向位移

(c) 盾構隧道左側水平位移

(d) 盾構隧道右側水平位移

Fig. 12 Displacements of soft soil shield tunnel under different clear distances between shield tunnel and foundation pit

根據本文計算結果，僅考慮盾構隧道鄰近基坑卸荷—加載的影響，可以1.5h為界限，將基坑施工鄰域分為強影響區和弱影響區。若盾構隧道位于弱影響區，則應加強監測；若盾構隧道位于強影響區，在加強監測的同時，還應采取適當措施控制盾構隧道變形量及變形速率。

7 結論與討論

本文應用數值模擬的方法，以上海軟土地區某典型盾構隧道及其鄰近的基坑工程為例，研究了鄰近基坑卸荷—加載作用下，盾構隧道位于基坑拐角特殊位置的變形機制，并對地下連續墻方案的加固效果和凈距l的影響進行了探討分析。主要結論如下：

1)在軟土地層中，當基坑位于盾構隧道側方淺部，隧道發生朝向基坑方向的位移。在基坑卸荷階段，盾構隧道位移變化劇烈，豎向位移以上浮為主，水平位移朝向基坑所在方向；在基坑加載階段，盾構隧道位移逐步趨于穩定，豎向位移可得到適量恢復，水平位移恢復較少。

2)在軟土地層中，當盾構隧道位于基坑拐角特殊位置，受基坑臨空面范圍和卸荷—加載作用共同影響，最大豎向位移出現在基坑拐角位置附近，最大水平位移出現在隧道軸線距離基坑邊緣約1.5h(h為基坑深度)位置。

3)在軟土地層中，與排樁支護方案相比，近地鐵區域采用地下連續墻加固方案，可使盾構隧道的水平位移減小50%左右，較好地抑制了盾構隧道的水平位移。

4)隨著盾構隧道與基坑邊緣凈距l的增加，隧道結構位移逐步減小，當l大于1.5h時，鄰近基坑卸荷—加載對既有盾構隧道影響較小。僅考慮盾構隧道鄰近基坑卸荷—加載作用影響時，可以1.5h為界限，將基坑施工鄰域分為強影響區和弱影響區。

5)鄰近基坑卸荷—加載空間位置的不同，決定了對盾構隧道影響的差異。本文以實際工程為基礎，研究了隧道側方淺部基坑卸荷—加載作用位置的影響，對于其他空間位置的影響還需進一步研究。另外，本文未考慮地下水升降對既有盾構隧道產生的影響，下一步可深入研究地下水作用的影響。

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Study of Influence of Unloading-loading of Adjacent Foundation Pit on Existing Soft Soil Shield Tunnel

ZHANG Jiantao， YAO Aijun， GUO Haifeng， ZHOU Yijun， HU Yu

(Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

The deformation mechanism of a soft soil shield tunnel in Shanghai adjacent to a foundation pit under the effect of unloading-loading of foundation pit is studied; the influences of the supporting scheme for underground diaphragm wall and the clear distance between shield tunnel and foundation pit on shield tunnel structure are analyzed. The study results show that: 1) The displacement of shield tunnel towards foundation pit would be induced by unloading-loading effect when the foundation pit is on the side of shield tunnel. The vertical displacement and horizontal displacement of shield tunnel would be recovered with the loading time increases. 2) The maximum vertical displacement of shield tunnel would occur nearby corner of the foundation pit and the maximum horizontal displacement of shield tunnel would occur at 1.5h(h is the height of foundation pit) point (from tunnel axial line to foundation pit) under the effect of free surface scope of foundation pit and unloading-loading. 3)The horizontal displacement of shield tunnel would be reduced by 50% by setting underground diaphragm wall. 4) The unloading-loading effect of foundation pit can be ignored when the clear distance between shield tunnel and foundation pit is larger than 1.5h.

shield tunnel; soil unloading; foundation pit loading; numerical simulation; free surface

2016-03-31;

2016-04-28

國家自然科學基金資助項目(51578023)

張劍濤(1991—)，男，北京人，北京工業大學巖土工程專業在讀碩士，主要從事巖土工程方面的科研工作。E-mail： zhangjiantao@emails.bjut.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.010

U 45

A

1672-741X(2016)11-1348-08