基坑分塊開挖對下臥盾構隧道的變形影響分析

岳云鵬,劉曉玉,張龍云,李志遠,劉繼強,鄭先昌

(1.廣州大學土木工程學院,廣州 510006； 2.紹興文理學院土木工程學院,浙江紹興 312000； 3.中鐵南方投資集團有限公司,深圳 518052)

隨著我國城市軌道交通的不斷發展，建立在地鐵隧道上方的基坑工程日益增多，基坑開挖卸荷會導致下臥盾構隧道產生豎向位移與水平位移，同時造成橫截面收斂變形。當隧道變形過大時，會導致盾構隧道開裂、滲水，嚴重影響地鐵隧道的安全運營。針對基坑開挖對下臥地鐵隧道的變形影響問題，許多學者通過數值分析、理論計算以及現場監測等方法展開研究。在數值模擬分析方面，陳仁朋等[1]采用小應變硬化土模型，對下臥盾構隧道的明挖通道基坑進行數值分析，統計了基坑開挖過程中下臥隧道上浮規律；鄭剛等[2]對天津地區某地鐵區間上方基坑開挖過程進行數值分析，研究不同控制措施對下臥隧道變形的效果；章潤紅等[3]分析了不同隧道埋深的地鐵隧道在施工結束時的附加彎矩與位移；岳云鵬等[4]基于流固耦合理論對基坑降水過程中隧道的影響規律進行數值分析，研究了降水深度、降水速度對隧道產生的影響；孟小偉[5]對坑內加固控制隧道上浮影響進行分析；劉天正[6]分析了U形槽基坑開挖對隧道變形的影響，得到了隧道內徑在開挖卸荷過程中的收斂規律。

在理論解析推導方面，張治國等[7]結合Loganathan與Poulos理論解對卸載引起土體位移場進行分析，得到隧道豎向位移與內力的簡化表達式；陳郁等[8]基于Mindlin解對開挖導致下臥隧道的附加應力進行推導，得到了隧道隆起值的簡化計算公式；周澤林等[9]對層狀地層中明挖卸荷對下臥隧道影響進行分析，并將隧道變形的解析解與實測數據進行對比驗證；卜康正等[10]分析了深圳地區某基坑開挖對復合地基下臥隧道附加荷載的影響，結果表明側摩阻力與“雙洞效應”會對隧道附加荷載產生較大影響。

在現場監測研究方面，向亮[11]通過對砂巖層深基坑施工過程實測數據進行分析，得出開挖過程中圍護樁與隧道的變形規律；Chang等[12]通過監測數據對開挖卸荷過程中導致某盾構隧道管片開裂事故進行分析；馮虎等[13]基于層次分析法對地鐵基坑工程進行研究，為基坑施工過程中的整體安全性指標提供了更規范的評判準則；魏綱[14]對國內14個基坑實例的實測數據進行總結，提出了下臥隧道在基坑開挖過程中的最大位移預估公式。

綜上，目前基坑開挖對下臥盾構隧道的研究成果主要集中在對隧道變形及位移影響規律的分析上，而針對具體開挖順序對下臥隧道的影響規律研究比較少見。文獻[15-17]研究表明，基坑在開挖過程中具有時空效應，合理的選擇分塊開挖順序可較好地控制鄰近隧道的變形。但上述研究均未考慮分塊開挖對下臥隧道的影響規律?；诖?，以深圳前海區某深基坑工程為依托，建立三維有限元模型，結合現場實測數據，分析不同分塊開挖方式對下臥地鐵隧道的變形影響，并將坑底土體加固等隧道保護措施與分塊開挖相結合進行考慮，對下臥隧道深基坑的開挖方式進行優化，為類似深基坑工程開挖工序的合理選擇提供理論依據。

1 工程概況

1.1 基坑概況

深圳市前海區雙界河路段某地鐵保護區基坑工程開挖范圍為114 m×52 m×13.5 m，其基坑工程與地鐵11號線空間分布平面關系如圖1所示，基坑下臥盾構地鐵隧道，基坑坑底距隧道豎向距離平均5.3 m。采用1：1.5橫向放坡結合φ1 000 mm@1 200 mm的鉆孔灌注樁對基坑進行支護，開挖前將基坑水位降低至基坑底部1 m處?；臃?步進行開挖，每次分別開挖至-3、-5.5 m和-13.5 m，并采用橫向分塊開挖的方式對每層土體進行開挖。

1.2 下臥隧道

盾構地鐵隧道左、右線水平距離約為17.8 m，襯砌內徑為5.7 m、外徑為6.3 m，盾構管片環寬1.5 m，壁厚0.3 m，每環管片由6塊管片通過螺栓進行連接，盾構管片混凝土強度等級為C50。地鐵隧道自里程K0+080開始進入基坑支護排樁下側，隧道兩側采用φ550 mm@1 000 mm抗拔樁進行圍護，在基坑施工結束時與坑底抗浮板形成門式抗浮結構控制隧道上浮。按照深圳市相應規范的要求，在基坑開挖期間，控制地鐵隧道的位移≯25 mm。

在地鐵保護區監測范圍內，每隔10 m布置1個隧道監測斷面，左、右線共布置30個監測斷面，編號L、R01～15每個監測斷面內布置5個監測點，并在坑底布置9個抗隆起監測點，編號KD01～09，監測布置方案如圖1、圖2所示。

圖1 基坑與下臥地鐵隧道平面關系(單位：m)

圖2 基坑K0+140縱斷面示意(單位：m)

1.3 工程地質條件

區間隧道地層屬于典型軟弱土層，地下水位約為地表下1 m?，F場勘查資料表明，雙界河路段地層由第四系全新統沖洪積層和基巖組成，主要包括③黏土層和④砂質黏性土層。①填土、填石層經人工處理后形成局部含淤泥質土的復合地基；②淤泥層呈流塑狀，屬高靈敏度軟土，具有觸變性；③黏土層和④砂質黏性土以可塑狀為主，物理性質可滿足一般地下結構承載力的要求，在場地內分布較為廣泛；⑤全風化花崗巖屬Ⅲ級硬土，頂層埋深大于20 m。通過室內外試驗獲得各土層物理性質參數如表1所示。

2 模型建立

采用三維有限元軟件MIDAS GTS NX進行有限元數值模擬分析，按照圖1、圖2中基坑與隧道相對位置關系建立模型，計算模型范圍取為180 m×240 m×50 m，基坑開挖范圍取114 m×52 m×13.5 m，模型上部設置為自由面，底部設置固定約束，側面設置水平約束。在生成初始應力場后將土體與隧道位移進行清零。

2.1 工況分析

為研究分塊開挖基坑對下臥雙線隧道的影響，建立3種不同的開挖工況，首先建立現場實際開挖方案的開挖過程模擬(工況1)；然后再對縱向分塊開挖模擬(工況2)；先橫向分塊開挖隧道上方基坑，再縱向分塊開挖其余部分基坑的模擬(工況3)，具體開挖方案如圖3所示。

工況1：對現場實際開挖方式進行模擬，現場基坑采用橫向分塊方式由塊1～塊4的工序進行開挖，每塊開挖范圍為52 m×16 m，共分為7塊。

工況2：基坑采用縱向分塊方式由塊1到塊4的工序進行對稱開挖，每塊開挖范圍約為114 m×6.5 m，共分為8塊。

圖3 基坑開挖方案平面示意(單位：m)

工況3：基坑先采用橫向分塊開挖方式由塊1～塊10的工序開挖隧道上方土層，然后采用縱向分塊開挖方式開挖塊11～塊13，橫向每塊開挖范圍約為5.7 m×6.5 m，縱向每塊開挖范圍約為114 m×6.5 m。

2.2 土層與材料參數

土層采用摩爾庫倫本構模型(MC)與硬化土本構模型(HS)進行模擬，模型中土層自上而下分別為①填土、填石層15.8 m；②淤泥層2.9 m；③黏土層7.1 m；④砂質黏性土層5.9 m；⑤全風化花崗巖層18.3 m。通過現場取樣、室內試驗的方式獲得數值模擬所需要的HS本構模型參數，其中由于①、③土層屬于結構性土，在取樣過程中會由于土體擾動作用使得試驗獲得參數偏低，按照經驗取值法采用MC本構模型進行模擬[18-20]。模型中土體計算參數如表2所示。

支護排樁與抗拔樁采用1D梁單元模擬，止水帷幕根據強度等效法等效為2D板單元模擬，考慮施工階段的缺陷，設置強度折減系數為0.75，各結構計算參數如表3所示。在基坑內部設置節點水頭，用以模擬坑內初始水位，在基坑底部設置壓力水頭，用以模擬基坑降水的過程。

表2 模型中土體計算參數

圖4 有限元模型

表3 結構計算參數

2.3 模型參數驗證

基于以上參數，建立有限元模型如圖4所示。

為驗證模型中土體與材料參數的可靠性，首先對現場實際開挖方案(工況1)的施工過程進行數值分析，主要分析了工況1在開挖過程中K0+140斷面右線隧道監測點1～監測點3的豎向位移。

數值模擬與現場實測數據如圖5所示，基坑開挖結束后隧道R09-1監測點豎向位移的計算值與實測值分別為24.88 mm和23.60 mm，且開挖過程中R09-2、R09-3兩監測點模擬值與計算值豎向位移規律也較為相似，因此可以認為模型的土體本構關系與材料參數選取可靠。

圖5 K0+140斷面開挖過程右線隧道豎向位移曲線

3 計算結果分析

3.1 坑底隆起與隧道豎向位移分析

基坑開挖過程中會改變周圍土體原狀性，間接地影響下臥地鐵隧道，分塊開挖屬于小規模的對基坑內土體進行卸載，使得坑底豎向位移較小，進而控制下臥隧道的變形。因此，為研究基坑分塊開挖對下臥地鐵隧道變形的保護作用，本文首先分析了不同工況下基坑開挖完成后K0+140斷面上坑底隆起值，如圖6所示，對比工況1～工況3可知，不同分塊開挖方式下基坑底部隆起方式有所不同。

圖6 不同工況下K0+140斷面坑底隆起值

工況1、工況2、工況3的坑底最大隆起值分別為27.46，34.85，19.84 mm，根據《建筑基坑工程監測技術規范》規定，開挖過程中基坑底部隆起值不宜超過35 mm[21]，可認為橫向分塊開挖基坑可較好的控制基坑底部的隆起，且橫向分塊數量越多，對坑底隆起的控制效果越好。相應地，不同分塊開挖方式對基坑底部隆起規律將間接影響到下臥地鐵隧道的變形。如圖7所示，計算得到不同工況在開挖結束時左線隧道的拱頂處豎向位移，可以看出，基坑縱向分塊開挖會增大下臥地鐵隧道的豎向位移，使隧道最終豎向位移超過控制標準值，基坑先橫向分塊開挖隧道上方基坑再縱向開挖基坑對控制隧道豎向位移較有利。工況2與工況3在開挖結束時隧道呈“拱”形隆起，工況1在開挖結束時隧道呈“雙峰”形隆起，可能的原因是基坑分塊開挖的累積效應使得最后一塊土體開挖結束時引起的位移增量明顯高于其他塊，工況1左線隧道的“雙峰”形隆起是由于最后一塊(第四塊)的跳挖使得隧道縱斷面中軸線兩側區域豎向位移明顯高于其他位置。

圖7 不同工況下左線隧道拱頂處豎向位移曲線

從圖7可以發現，相比實際開挖工況(工況1)，先橫向分塊開挖隧道上方基坑再縱向開挖基坑(工況3)有效地限制了隧道縱斷面上拱頂的豎向位移，這是由于較小的分塊開挖尺寸會使隧道上方土體前期積累的豎向變形疊加影響較小，使得隧道上方土體在卸荷過程中受力較小，最終變形較小。另外，最后卸荷的土體會由于積累效應導致其受到土體壓力比其他分塊大，工況3提前開挖隧道上方土體，使得基坑內部土體受力最后集中在基坑中部，最終隧道上方土體位移較小。

3.2 隧道附加彎矩分析

在基坑開挖卸荷過程中，下臥隧道會受到坑底與側部兩個方向的擠壓作用產生附加彎矩，為系統地分析分塊開挖基坑對下臥地鐵隧道附加彎矩的影響，首先分析了原開挖方案(工況1)在開挖過程中隧道的附加彎矩變化規律，不同開挖深度下左線隧道監測斷面L12的附加彎矩如圖8所示。由圖8可知，隧道的附加彎矩隨著基坑開挖深度的增大而增大，開挖到第3步后，最大的正負附加彎矩達到238.4 kN·m/m和-244.6 kN·m/m，在開挖過程中彎矩的最大處均在隧道拱頂處，從隧道附加彎矩的變化規律可判斷隧道的大致變形，即拱頂、拱底處隧道豎向伸長，拱腰處隧道壓縮變形。

圖8 不同開挖深度下左線隧道附加彎矩

不同工況基坑開挖結束時左線隧道監測斷面L12的附加彎矩如圖9所示，可以發現不同工況下隧道彎矩的變化趨勢基本相同，但工況3的開挖方式較為明顯地減少了左線隧道的附加彎矩，使得最大的正負附加彎矩分別為201.7 kN·m/m和-196.3 kN·m/m。與工況2相比，小范圍的橫向開挖隧道上方土體可有效控制下臥盾構隧道的變形，這是由于一次性開挖隧道上方土體使得隧道周圍土體出現應力集中現象，最終彎矩較大，而小范圍橫向開挖隧道上方土體隆起較小，最終隧道附加彎矩較小。

圖9 不同工況下左線隧道附加彎矩

3.3 內徑變形分析

為進一步研究分塊開挖對下臥盾構隧道的影響，本文選取了比較有代表性的左線隧道L09監測斷面，繪制工況1在開挖過程中的內徑變形圖，如圖10所示。隧道在開挖第一層土過程中內徑未發生明顯變形，直到第二層土開挖結束后，拱頂才產生了較為明顯的隆起變形，待開挖結束后，隧道整體在靠近基坑中軸線方向發生較大的拉伸變形。

圖10 不同開挖深度下左線隧道內徑變形

圖11為不同工況在開挖結束時左線隧道L09斷面內徑變形圖，對比可知，縱斷面分塊開挖(工況2)在開挖結束時會使隧道內徑產生較大的變形，整體變形趨勢為頂部隆起的豎橢圓狀。工況3在開挖結束時隧道的變形最小，在開挖過程中宜采用小范圍的分塊橫向對稱開挖控制隧道內徑變形，分塊尺寸宜選用在5～7 m內。

圖11 不同工況下左線隧道內徑變形

3.4 坑底加固對隧道影響分析

上述研究表明，合理的分塊開挖基坑可較好的控制下臥隧道的變形，但在對隧道變形控制較為嚴格的工程中，還需要采取增加保護的措施，以保證地鐵隧道的運營安全。本文研究了分塊開挖結合坑底地基加固相結合的方式對下臥隧道的影響，坑底加固深度為基坑底5 m，在模擬過程中，將加固區土體模量參數擴大2.5倍，以達到坑底加固的效果。采用工況1的開挖方式，每1 m開挖1次，分析無地基加固、開挖前進行地基加固、開挖至7 m后地基加固對下臥隧道的影響，得到不同開挖深度下K0+120斷面右線隧道監測點1的拱頂處豎向位移曲線如圖12所示。

圖12 地基加固對隧道豎向位移的影響曲線

可以看出，圖12中無地基加固方案中右線隧道豎向位移曲線與圖5的豎向位移曲線有所不同，其原因是本次模擬中增加了基坑分層開挖的次數，減小了每次土體卸荷的應力，使得同一工況下隧道最終豎向位移較小。如果開挖7 m后再對基坑進行坑底加固，隧道豎向位移最終僅能減小8%左右；在基坑開挖前進行坑底加固，隧道豎向位移可減少約20%。

4 結論

(1)橫向分塊開挖基坑可較好地控制基坑底部的隆起，且橫向分塊數量越多，對坑底隆起的抑制效果越好；在分塊數量相同的情況下，橫向分塊開挖基坑對隧道的保護效果要好于縱向分塊開挖。

(2)在開挖過程中，下臥隧道的最大附加彎矩在拱頂處，隧道整體呈拱頂、拱底處豎向伸長，拱腰處壓縮的變形規律，工況3中小范圍的橫向開挖基坑可有效減小隧道附加彎矩。

(3)在不改變開挖深度的情況下，先小范圍對稱橫向分塊開挖隧道上方土體再縱向分塊開挖土體效果最好，橫向分塊次之，最后為縱向分塊。在本文分析的3種工況中，工況3為最優工況，施工中建議優先采用。

(4)坑底加固土體可有效控制隧道豎向位移，在隧道變形控制較為嚴格的工程中，可采用分塊開挖與坑底加固相結合的措施保護隧道，建議在基坑開挖前進行坑底加固。

(5)基坑開挖過程存在一定的時空效應，本文計算過程中將每個條塊簡化為一次開挖，但實際開挖過程中仍可能是分塊開挖的，因此會造成計算結果與監測值有一定差別。后續可對考慮時空效應的下臥地鐵隧道深基坑開挖工序優化進行研究分析。