淺覆土地鐵盾構上方基坑開挖影響數值分析

沈霄云

(1.中國電建華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122 2.浙江省智慧軌道交通工程技術研究中心，浙江 杭州 311225)

1 引言

隨著城市建設的高速發展，國內較多城市已有多條地鐵運營通車，而隨著周邊地塊開發活動的逐漸增多，近接地鐵進行基坑開挖的工況頻繁出現，尤其是在成型盾構隧道上方淺覆土開挖，施工風險更大，對盾構影響更嚴重。

趙俊等以南京地鐵3號線地下空間開發為背景，重點分析基坑開挖寬度與隧道直徑比和復合地層模量比變化對土體及隧道變形的影響[1]。劉天正以北京首條有軌電車西郊線上跨既有運營地鐵10號線為工程背景，通過對監測數據分析得出基坑開挖過程中既有盾構的變形規律[2]。黃栩提出了一種基坑卸荷條件下的盾構隧道變形簡化計算方法[3]。類似地，目前已有多個研究對既有盾構結構上方基坑開挖的變形影響分析開展研究[4-7]，但數值計算大多建立在Mohr-Coulomb本構模型理論框架下，數值計算的準確度不足。

為確保地鐵成型隧道滿足相關要求，設計施工一般會采取不同的加固措施，比如盾構上方設置門型水泥土加固。張亮針對杭州地區鄰近地鐵基坑變形展開研究，認為門型水泥土加固能有效控制隧道變形[8]。袁靜等依托杭州火車東西站西廣場工程提出了門式加固體的技術要求[9]。加固土為人工合成土，其參數的選取和原狀土有諸多不同，如何確定加固形式、加固范圍、加固強度等參數，是亟待解決的問題[10]。

本文主要是基于土體硬化模型，結合門型加固的參數選取和計算，對成型盾構隧道上方淺覆土基坑開挖進行三維計算，研究加固形式、加固范圍、加固強度的合理性。

2 土體硬化模型

本次數值計算采用土體硬化模型[11]，采用數字計算軟件MIDAS/GTS進行模擬。

圖1 主應力空間中的土體硬化模型屈服面圖

土體硬化模型（Hardening-Soil Model）作為目前比較先進的模型可以很好地模擬硬度不同的土體變形。當施加主應力時，土體的硬度減小，發生了塑性變形。

土體硬化模型中有多個剛度參數，E50ref、Eoedref以及 Eurref。E50ref表示某一參考應力下，土體強度降至破壞強度的50%時的割線模量，Eurref表示某一參考應力下土體卸載再加載模量，如圖2；而Eoedref表示某一參考應力下，主固結加載切線模量，如圖3。其中參考應力pref一般為100kPa。

圖2 土體卸載再加載模量Eurref示意

圖3 主固結加載切線模量Eoedref示意

本次研究主要是針對盾構上方土體卸載造成的隆起對結構的影響。土體硬化模型主要對盾構周邊的地層進行模擬，尤其是卸載后的土體回彈。原狀土硬化模型參數可根據《midas/gts用戶手冊》中進行選取，一般情況下可取E50ref=Eoedref，Eurref=3-5E50ref。另外，在地質勘查報告中一般會給出土體的壓縮模量Es1-2，可以取 Es1-2=Eoedref。

加固土的壓縮模量Es借鑒《建筑地基處理技術規范》中公式：

復合土層的壓縮模量相當于天然地基壓縮模量的ζ倍。

3 工程概況

下沉廣場在地鐵區間上方，隧道上方的基坑深度為5.25m，長度為60m，盾構頂距至地下室底板凈距約為3m。

因地鐵盾構先期已經完工，上部的基坑在已成型盾構隧道開挖。

圖4 地鐵與基坑平面圖

圖5 地鐵與基坑剖面圖

圖6 加固橫斷面圖

4 數值計算分析

4.1 數值計算模型

本計算中，區間隧道襯砌采用了由四點構成的板單元。如圖7所示。

圖7 板單元特性

模型尺寸為150m×170m×55m。穿越區域隧道考慮按150m，盾構采用標準外徑6.2m，內徑5.5m，壁厚0.35m。

網格劃分如圖8，隧道網格劃分如圖9。

加固采用三軸攪拌樁，為850@600，28天無側限抗壓強度為1.0MPa。根據公式（1）、（2）得出各個地層的土體硬化模型剛度。

4.2 數值計算結果

土層物理力學性質參數表 表1

土體硬化模型剛度參數表 表2

不采用門型攪拌樁加固措施的計算結果如圖10、圖11。

根據計算結果，69mm無法滿足盾構保護的要求，采取攪拌樁門型加固采用門型加固措施后，結果如下：

根據計算結果，采用門型的攪拌樁加固后，豎向位移減少至12mm，滿足規范要求。

5 后續監測成果對比

本項目于2013年完工。其中，監測內容及監測數量如下：坑外土體位移測斜孔13個，坑外地下水位觀測孔34個，地表沉降觀測點244個，管片沉降、收斂、水平位移觀測218環，坑內利用管井水位觀測點10個。隧道沉降、收斂報警值:累計變形8mm，連續3d的位移速率超過2mm/d。對隧道管片沉降、收斂、水平位移采用信息化法實時采集數據，根據實際施工監控，在三軸攪拌套打過程中，隧道管片最大累計位移為－6.7mm(下沉)，開挖施工完工后隧道管片最大累計位移為5.6mm(上浮)，隧道變形嚴格控制在要求的±10mm范圍內。

從結果中不難看出，隧道變形同三維模擬計算的趨勢較為接近，但是計算值相對偏大。實際開挖中，因施工單位采取了分層、分塊、及時封底的方案，能有效減少盾構變形。

6 結語

通過采用土體硬化模型，結合混凝土規范的加固體計算，模擬加固后的土體結構單位，結合MIDAS-GTS整體模擬上方大型基坑開挖對成型地鐵盾構進行分析，結論如下：

圖8 MIDAS模型網格示意圖

圖9 MIDAS區間隧道與加固措施

圖10 未采取措施的開挖豎向位移圖

圖11 未采取措施的隧道豎向位移圖

圖12 第一步開挖豎向位移圖

圖13 開挖至坑底豎向位移圖

圖14 開挖至坑底盾構隧道位移圖

①模擬結果趨勢基本符合實際基坑開挖的成果，但是施工過程中采取分層、分塊、及時封底的方案，減少盾構變形。

②硬化模型相對于摩爾庫倫模型，能有效反映土體的塑形特征，其難度在于如何準確的選取參數。本研究引入地基處理技術規范的加固體計算方法，結合硬化模型，能較好模擬地層中的加固土變形。

圖15 盾構沉降實測值同計算值對比

③加固土的機理特征同原狀土有諸多不同，尤其產生機理主要是以人為攪拌，形成各向異性的土體，常用原狀土的理論確定參數存在一定誤差。因此，今后應根據加固土的特性，形成相應的土體本構模型。

圖16 盾構收斂實測值同計算值對比