基坑開挖對旁側(cè)既有隧道影響的模型試驗研究

魏煥衛(wèi)楊帆羅威奎耀盧卓

(1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南250000)

0 引言

近期隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，其用地的供應(yīng)日漸緊張，使得基坑在既有隧道附近開挖施工的情況越來越多。基坑開挖會改變原隧道的應(yīng)力場及變形場，破壞其原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致隧道發(fā)生變形、開裂，甚至引發(fā)嚴(yán)重事故。因此，研究基坑開挖對既有隧道的影響成為一個非常重要的課題。

左殿軍等[1]通過數(shù)值計算研究了深基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響，認(rèn)為在分析大直徑管道時，應(yīng)考慮管—土的相互作用。劉偉等[2]使用邁達(dá)斯分析軟件，研究了堆載狀態(tài)公路隧道所受的沉降及偏移的影響。林杭等[3]通過有限差分的方法，認(rèn)為隧道的位置會影響其豎向與橫向位移的關(guān)系，指數(shù)函數(shù)能較好的擬合出隧道影響的臨界線。汪小兵等[4]使用三維有限元軟件Z-Soil預(yù)估了上海某基坑項目對隧道的影響，并將結(jié)果與最終實測結(jié)果進(jìn)行了對比，得到的結(jié)果類似。段紹偉等[5]分析了深基坑開挖引起的鄰近管線破壞，認(rèn)為可通過加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的方法減少對既有管線的影響。姜兆華等[6]研究了鄰近隧道的巖質(zhì)深基坑開挖影響，認(rèn)為巖質(zhì)條件下隧道有明顯的偏壓效應(yīng)。陳仁朋等[7]進(jìn)行了單一土層下基坑開挖對既有隧道及隔斷墻作用的模型試驗研究，認(rèn)為隔斷墻的設(shè)置可明顯減小隧道的彎矩及土壓力。胡欣[8]采用小型室內(nèi)模型試驗的方式，研究了3種不同試驗方案下基坑開挖對既有隧道的影響。鄭剛等[9]研究了隔離樁對基坑外既有隧道的變形控制，認(rèn)為隔離樁樁長過長反而會表現(xiàn)出牽引作用。紀(jì)茜堯等[10]通過模型試驗，研究了地鐵盾構(gòu)隧道鄰域埋入式隔離樁的力學(xué)性能，認(rèn)為埋入式與非埋入式效果相同。喬南[11]探討了板凳法與管幕法對既有隧道的保護(hù)作用。KOJIMA等[12]采用模型試驗的方法，研究了底面加卸載工況下的隧道變形，發(fā)現(xiàn)砂土卸荷引起的隧道非線性變形明顯。ZHANG等[13]以上海某地鐵盾構(gòu)隧道為例，比較了深基坑工程安全監(jiān)測中的測量結(jié)果。張書豐等[14]研究了長江漫灘地區(qū)深基坑工程盾構(gòu)隧道應(yīng)急保護(hù)。吳才德等[15]通過巖土與隧道結(jié)構(gòu)有限元分析軟件MIDAS/GTS對不同開挖面積和開挖深度的18個三維基坑有限元模型進(jìn)行數(shù)值計算。

基于上述研究，文章通過模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了旁側(cè)基坑開挖作用下地鐵盾構(gòu)隧道的內(nèi)力、位移及隧道周圍土壓力的變化規(guī)律，分析了隧道空間位置對隧道變形的影響規(guī)律及隔離樁支護(hù)體系對既有隧道的保護(hù)作用。

1 試驗方案

室內(nèi)模型試驗在尺寸為1 100 mm×900 mm×1 200 mm(長×寬×高)的鋼架模型箱內(nèi)進(jìn)行，為保證模型箱整體的剛度及強(qiáng)度，除正面外均采用厚度為10 mm的鋼板，模型箱右立面上部采用開放設(shè)計，以方便基坑卸載的進(jìn)行，模型箱正立面采用厚度為19 mm的透明鋼化玻璃，以便于觀察模型試件的安裝及試驗進(jìn)程，模型箱示意圖如圖1所示。

圖1 模型箱示意圖

試驗采用福建標(biāo)準(zhǔn)砂模擬基坑土體。將細(xì)砂分為數(shù)層均勻的放入模型箱中，并將每層細(xì)砂充分壓實，以確保土體的密實性與均勻性，砂體的中值粒徑D50為0.17 mm、土粒比重GS為2.62，最大孔隙比emax為0.952、最小孔隙比emin為0.607。

1.1 模型構(gòu)件布置及開挖方案

各構(gòu)件布置剖面圖和平面圖如圖2所示，基坑平面形狀為矩形，采用墻錨支護(hù)形式；圍護(hù)墻采用厚度為8 mm的均質(zhì)聚氯乙烯PVC(Polyvinyl Chloride)板；錨桿采用外徑為15 mm、壁厚為1 mm、長為400 mm的細(xì)無規(guī)共聚聚丙烯PP-R(Polypropylene Random)管。基 坑 開 挖 深 度 為400 mm、嵌入深度為600 mm，分4層開挖，每層開挖深度為100 mm。

模型隧道縱向與基坑長邊方向平行，隧道結(jié)構(gòu)采用外徑為200 mm、壁厚為4 mm、長度為900 mm的硬聚氯乙烯PVC-U(Unplasticized Polyvinyl Chloride)管進(jìn)行模擬，經(jīng)過試驗測定其彈性模量為3.94 GPa，隧道拱頂埋深d分別為250、350 mm；隧道與基坑距離b分別為100、150 mm。

隔離樁采用外徑為25 mm、內(nèi)徑為21.5 mm的粗PP-R管進(jìn)行模擬，隔離樁樁頂埋深為50 mm，樁長分別為400、600 mm，樁間距為90 mm，布置于隧道距離基坑為100 mm工況下與基坑中間位置處。

圖2 模型剖面及平面圖/mm

1.2 傳感器布置

(1)隧道周圍土壓力測點(diǎn)布置

在隧道縱向中間位置處布置一個土壓力監(jiān)測截面，如圖2(a)所示，從隧道拱頂開始每隔30°布設(shè)一個土壓力盒，共有12個，以測量基坑開挖過程中隧道模型的土壓力變化數(shù)據(jù)。

(2)隧道變形測點(diǎn)布置

為減少密封應(yīng)變片的膠體對隧道截面剛度的影響，在土壓力監(jiān)測面前后各4 cm處設(shè)置兩個變形監(jiān)測截面，監(jiān)測截面從隧道拱頂開始每隔22.5°漸次布設(shè)應(yīng)變片，共有16個，以測量基坑開挖過程中距離土壓力監(jiān)測截面4 cm處隧道模型彎矩的變化數(shù)據(jù)。監(jiān)測點(diǎn)布置實際情況如圖3所示，應(yīng)變數(shù)據(jù)和土壓力盒數(shù)據(jù)均通過靜態(tài)應(yīng)變采集儀進(jìn)行記錄收集。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)實際情況布置圖

(3)位移測點(diǎn)布置

隧道位移變化采用拉線位移計進(jìn)行量測，為使其不與土壓力及應(yīng)變測點(diǎn)相互干擾，將測點(diǎn)選定在距離應(yīng)變測點(diǎn)10 cm處，共設(shè)置上部及側(cè)向兩個點(diǎn)，以分別獲得隧道的縱向及側(cè)向位移變化值。

在圍護(hù)墻兩側(cè)(靠窗、非靠窗側(cè))設(shè)置兩個百分表，其起到監(jiān)測土體穩(wěn)定的作用。同時，通過對土體穩(wěn)定(試驗用時)總時間及墻體位移量的觀測，也可從另一方面得出隔離樁的控制效果。

1.3 試驗過程

模型試驗步驟如下:

(1)將帶編號的應(yīng)變片及土壓力盒安裝到模型上，對應(yīng)變片進(jìn)行密封處理，確保其不被損壞。

(2)在模型箱內(nèi)均勻的填入標(biāo)準(zhǔn)砂，并根據(jù)工況要求將拉線位移計、隧道、支護(hù)結(jié)構(gòu)及隔離樁模型安置于模型箱對應(yīng)位置，并在墻上部設(shè)置兩個百分表，對模型進(jìn)行靜置，對主要儀器設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。

(3)分4層進(jìn)行基坑開挖卸載，每層開挖深度為10 cm作為卸載厚度。為保證基坑每級卸載是在土體穩(wěn)定的情況下進(jìn)行，基坑待前一級卸載完成后百分表讀數(shù)穩(wěn)定后，再進(jìn)行下一級的卸載。

模型試驗流程如圖4所示。

圖4 模型試驗流程圖

2 試驗結(jié)果與分析

將不同空間位置隧道的彎矩變化值、同樣埋深及距離的不同隔離樁樁長方案下的隧道的彎矩變化值、土壓力變化值及位移進(jìn)行對比分析。

2.1 基坑開挖對不同空間位置隧道彎矩的影響

隧道與基坑距離b為150 mm、埋深d為250 mm。方案的各個卸載段(每個卸載段卸載10 cm的土)隧道各點(diǎn)彎矩變化值如圖5(a)所示，上、左、下、右(U、L、D、R)四點(diǎn)的彎矩變化值如圖5(b)所示，隧道不同空間位置隧道工況下各點(diǎn)隧道彎矩變化對比如圖6(a)所示，U、L、D、R四點(diǎn)彎矩變化對如圖6(b)所示。

圖5 隧道埋深250 mm基坑各卸載段隧道各點(diǎn)及四周點(diǎn)彎矩變化值圖

圖6 不同空間位置隧道各點(diǎn)及四周點(diǎn)卸載完成后彎矩變化對比圖

在第一次開挖基坑時，由于土體靜置后的應(yīng)力平衡遭到破壞，隧道各點(diǎn)發(fā)生輕微的向外拉伸，致使絕大部分點(diǎn)的彎矩值＞0，但因為卸荷量過小，所以彎矩值也很小，絕大部分點(diǎn)的彎矩值在0～2 N·m范圍內(nèi)。基坑開挖兩層后，與第1級卸載相比，各點(diǎn)的彎矩隨卸荷量的增加略有增大，由于土體開始發(fā)生朝向基坑側(cè)的移動，隧道開始受壓，部分點(diǎn)由起初的向外拉伸轉(zhuǎn)變?yōu)橄騼?nèi)壓縮，彎矩值由正變負(fù)，但從整體上來看變化依舊不明顯，各點(diǎn)的彎矩變化值大都在±2～6 N·m范圍內(nèi)。綜合前兩次基坑開挖卸荷可以得出，基坑開挖初期，開挖對隧道情況的彎矩的影響很小。

第3級卸載完成后，隧道各點(diǎn)的彎矩值進(jìn)一步增大，且開始呈現(xiàn)初步的規(guī)律性，隧道左、右兩端的彎矩值增大，上、下兩端的彎矩值減小，隧道的橫向直徑增大，縱向直徑減小，隧道初步呈現(xiàn)兩端拉伸，上、下壓縮的變化趨勢，U、L、D、R四點(diǎn)及靠近與此四點(diǎn)相鄰的點(diǎn)彎矩值較大，大多數(shù)約為±20 N·m，其余各點(diǎn)的彎矩值較小。基坑開挖完成后，隧道各點(diǎn)的彎矩進(jìn)一步增大，隧道兩端拉伸、上、下壓縮的變化趨勢更加明顯，隧道U、L、D、R四點(diǎn)的彎矩均達(dá)到100 N·m。

對圖5(b)的U、L、D、R四點(diǎn)各階段的彎矩進(jìn)行分析可知，隨著基坑開挖的進(jìn)行，各點(diǎn)彎矩的增加速率逐漸加快，L、R兩點(diǎn)逐漸增大，U、D兩點(diǎn)逐漸減小，基坑開挖對隧道彎矩的影響主要來自于后期的第3、4級卸載，前期的第1、2級對隧道影響很小。

其對圖6中不同空間位置的隧道進(jìn)行分析，各點(diǎn)雖然存在細(xì)微的差異，但呈現(xiàn)的規(guī)律相似，即隧道埋深越淺、距離基坑越近，受基坑開挖的影響越大，表現(xiàn)為大部分點(diǎn)彎矩變化絕對值較大，基坑兩端拉伸、上、下壓縮的趨勢越明顯。

2.2 隔離樁對隧道彎矩的控制效果分析

試驗在隧道埋深為250 mm、距離基坑為100 mm的工況下，分別采用無隔離樁，隔離樁樁長為40、60 cm(兩者均為埋入式隔離樁，樁頂埋深為5 cm)三種不同工況下基坑開挖完成后的各點(diǎn)、隧道四周點(diǎn)的彎矩變化對比如圖7所示。

對比無隔離樁與長隔離樁兩種方案，在隔離樁樁長較長的情況下，有隔離樁的支護(hù)體系對于既有隧道變形的控制作用較好，橫向彎矩變化值較大的點(diǎn)13彎矩變化值減小了37%，縱向彎矩變化值較大的點(diǎn)1彎矩變化值減小了58%，其他點(diǎn)也有較大幅度的減小，隧道的彎矩變化得到有效控制。在隔離樁樁長較短的方案下，隔離樁支護(hù)體系對于既有隧道的保護(hù)作用有限，同樣對比點(diǎn)1與點(diǎn)13，彎矩變化值僅減小了約10%，若是更短的隔離樁，作用將更為有限。因此采用越長的隔離樁，效果越明顯。

圖7 隔離樁不同樁長各點(diǎn)及四周點(diǎn)卸載完成后彎矩變化對比圖

2.3 隔離樁對隧道土壓力的控制效果分析

三種不同工況下基坑開挖完成后的彎矩及周圍土壓力變化對比如圖8所示。基坑開挖完成后的各點(diǎn)的土壓力大體呈現(xiàn)左側(cè)增大，右側(cè)減小的趨勢，其中點(diǎn)1的增加最大，點(diǎn)4的增大趨勢最小，點(diǎn)10的減小值最大，這是由于基坑開挖除了會引起隧道截面兩端拉伸、上、下壓縮的變形趨勢，還存在隧道朝向基坑一側(cè)扭轉(zhuǎn)的位移趨勢，土壓力、彎矩、位移三者相互聯(lián)系，土壓力變化較大的點(diǎn)1與點(diǎn)10的隧道變形與位移一致，土壓力變化較小的點(diǎn)4的隧道變形與位移不一致。

對比三種不同的試驗方案，可以看出樁長60 cm的隔離樁支護(hù)體系能夠較大程度的減小隧道圍土壓力的變化值，變化最大的U、R點(diǎn)分別減小了45%和33.3%；對隧道圍土壓力變化控制較好，樁長40 cm的隔離樁支護(hù)體系對隧道的保護(hù)作用有限。因此，采用較長的隔離樁支護(hù)體系，會較大程度的減小隧道的圍土壓力變化值，進(jìn)而對隧道起到保護(hù)作用。

圖8 隔離樁不同樁長卸載完成后各點(diǎn)及四周點(diǎn)土壓力變化對比圖

2.4 隔離樁對隧道及圍護(hù)墻位移及試驗用時的控制效果分析

3種不同工況下基坑開挖完成后的橫向及豎向位移對比如圖9所示。對3種工況下的橫向及豎向位移進(jìn)行分析可知，隧道的橫向位移大于豎向位移，隧道發(fā)生朝向基坑一側(cè)的橫向位移與沉降，整體發(fā)生朝向基坑底面一側(cè)的位移；設(shè)置長隔離樁能夠在基坑開挖過程中及基坑開挖完成后有效減小隧道的側(cè)移及沉降，第4級卸載的橫向與豎向位移分別減小了60.7%和58.4%；對位移的減小幅度較大，能夠?qū)λ淼榔鸬捷^好的保護(hù)作用，因此長隔離樁適用于基坑工程與隧道距離較近，其他加強(qiáng)基坑的支護(hù)、控制隧道變形及位移的措施(如土釘墻、預(yù)應(yīng)力錨索等)無法施展的工況。

長隔離樁與短隔離樁工況試驗的位移趨勢一致，隧道均是發(fā)生朝向基坑底面一側(cè)的位移，雖然減小幅度較彎矩值減小幅度大，但是與長隔離樁減小的幅度相比依舊有限，不能起到對隧道的保護(hù)作用。

圖9 隔離樁不同樁長橫向及豎向位移對比圖

墻體位移及試驗用時如圖10所示。隔離樁對隧道的控制作用不僅體現(xiàn)在能夠減少隧道的彎矩變化值、土壓力變化值及位移值上，還會使圍護(hù)墻兩側(cè)的位移值有所減小。但短隔離樁對圍護(hù)墻的位移值減小程度有限，埋設(shè)長隔離樁方案下，圍護(hù)墻位移值有很大程度的減少。土體的穩(wěn)定時間也與隔離樁的設(shè)置有很大關(guān)系，其中埋設(shè)長隔離樁能夠極大的減少土體的穩(wěn)定時間，穩(wěn)定時間短，則隧道受較大影響的時間也隨之變短，隧道能夠因此得到較好的保護(hù)。

圖10 墻體位移及試驗用時對比圖

3 數(shù)值分析

3.1 數(shù)值建模

為了對實際環(huán)境中的基坑開挖對隧道位移及變形規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步的研究，選用三維有限元軟件PLAXIS 3D對其開展數(shù)值模擬研究。為消除模型范圍對計算結(jié)果的影響，計算邊界取2.5倍的開挖深度，即模型尺寸為60 m×50 m×30 m(長×寬×高)。

采用1∶30的幾何相似比對模型進(jìn)行模擬試驗，圍護(hù)墻墻厚為0.24 m、錨桿直徑為200 mm、長為12 m、埋深為4.5 m；隧道外徑為6 m、內(nèi)徑為5.6 m，隧道拱頂埋深分別為7.5、10.5 m，距離基坑距離分別為3、4.5 m；隔離樁直徑為600 mm，樁頂埋深為1.5 m，樁長分別為12、18 m，樁間距為2.7 m。模型頂面自由，側(cè)邊和底面分別設(shè)置水平和固定約束，數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分如圖11所示。

圖11 數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分圖

試驗土體單元采用土體硬化模型HS(Hardening Soil Model)，HS具有處理加卸載特性，能更真實體現(xiàn)土體卸載對隧道的影響。模擬時墻體采用板單元，錨桿采用梁單元，隔離樁采用嵌巖樁embedded pile單元。土體的不飽和重度為17 kN/m3、飽和重度為20 kN/m3，固結(jié)儀加載剛度及三軸加/卸載剛度分別為28.6、22.8、103 MPa，系數(shù)m為0.74、泊松比為0.3、黏聚力為0、內(nèi)摩擦角為340。

根據(jù)實際施工順序及加載情況，分步模擬基坑開挖對既有隧道影響試驗，在PLAXIS 3D分布施工界面定義施工階段，具體步驟如下:

(1)重置位移為零，土方開挖深度為-6 m；

(2)施工錨桿；

(3)土方開挖至深度為-12 m。

3.2 不同空間位置隧道變形及位移數(shù)值分析

3種不同空間位置基坑卸載完成后的彎矩變化值如圖12(a)所示，總位移如圖12(b)所示，其中位移正值表示隧道朝向右側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)。

對比數(shù)值模擬結(jié)果，可以看出，隨著基坑的開挖，隧道左、右兩端的彎矩增大，上、下兩端的彎矩減小，均呈現(xiàn)左、右兩端拉伸而上、下兩端壓縮的趨勢。對比三種工況下卸載完成后的彎矩大小，可知，隨著隧道埋深及與基坑距離的增大，基坑開挖對隧道的影響變大，這與模型試驗所得出的結(jié)論一致。

隨著基坑開挖的進(jìn)行，隧道整體表現(xiàn)朝向基坑一側(cè)的位移，并且盾構(gòu)隧道右上部分位移量遠(yuǎn)大于左下部分，最大位移量出現(xiàn)在監(jiān)測點(diǎn)1位置，隧道有朝向基坑一側(cè)扭轉(zhuǎn)的趨勢。對比3種不同工況，同隧道彎矩變化情況一樣，橫向與豎向位移都隨著隧道埋深及與基坑距離的增大而減小。

圖12 不同空間位置隧道卸載完成后彎矩變化及總位移對比圖

3.3 隔離樁對隧道彎矩及位移控制效果數(shù)值分析

隧道埋深為7.5 m、距離基坑3 m的工況下，無隔離樁、隔離樁樁長為12、18 m(兩者均為埋入式隔離樁，樁頂埋深為1.5 m)三種不同工況下，基坑開挖完成后的彎矩變化及隧道總位移對比如圖13所示，位移正值表示隧道發(fā)生朝向基坑一側(cè)的位移。

圖13 隔離樁不同樁長隧道卸載完成后彎矩變化及總位移對比圖

在隔離樁較長的情況下，隔離樁體系對隧道的彎矩變化及位移都有很好的控制作用，隧道各點(diǎn)均有較大幅度的減小，較短的隔離樁支護(hù)體系對隧道的保護(hù)作用有限，這與模型試驗得出的結(jié)論一致。同時，分析3種工況下隧道的總位移，可以發(fā)現(xiàn)隧道右上部分遠(yuǎn)大于左下部分，隧道整體發(fā)生朝向基坑一側(cè)的位移。

選取基坑距離隧道3 m、隧道埋深為7.5 m工況下，隔離樁樁長分別為6、8、10、12、14、16、18、20 m的隧道U、L、D、R四點(diǎn)基坑開挖完成后的彎矩變化值及總位移值進(jìn)行分析，結(jié)果如圖14所示。

隔離樁體系對隧道的彎矩變化和總位移的控制效果類似，長度較短、嵌固深度未超過基坑開挖深度的隔離樁體系對隧道的保護(hù)作用有限，長度較長、嵌固深度在基坑嵌固深度上下的隔離樁體系對隧道的保護(hù)作用最好，但超過此深度后，隔離樁體系對隧道的保護(hù)作用相對減弱，效費(fèi)比不高。

圖14 隧道四周點(diǎn)隔離樁不同樁長彎矩變化及總位移對比曲線圖

4 結(jié)論

通過模型試驗及PLAXIS 3D有限元軟件研究了基坑開挖對不同空間位置既有隧道的影響規(guī)律及隔離樁對隧道的保護(hù)作用，主要結(jié)論如下:

(1)基坑開挖初期對隧道的影響很小，開挖引起既有隧道截面縱向彎矩變小，橫向彎矩變大，導(dǎo)致既有隧道的橫向直徑拉長，縱向直徑壓短；基坑呈現(xiàn)兩端拉伸上、下壓縮的趨勢，隧道埋深越淺，距離基坑越近，變形趨勢越大。

(2)隧道的橫向位移大于豎向位移，隧道右上部分的位移均大于其他部分，隧道整體發(fā)生朝向基坑一側(cè)的位移，距離基坑越近，隧道埋深越淺，位移越大。

(3)隧道圍土壓力大體呈現(xiàn)左側(cè)增大，右側(cè)減小的趨勢，土壓力與彎矩、位移三者相互聯(lián)系，變化較大的頂部點(diǎn)與右部點(diǎn)隧道變形與位移一致，變化較小的左側(cè)點(diǎn)不一致。

(4)長度在基坑嵌固深度上下的隔離樁支護(hù)體系明顯的減小了隧道的彎矩變化值、土壓力變化值及橫線與豎向位移，對隧道的保護(hù)作用較好，但長度過長導(dǎo)致效費(fèi)比不高；長度短于基坑開挖深度的隔離樁體系對隧道的保護(hù)作用有限。同時，隔離樁對隧道的保護(hù)作用不止于此，還體現(xiàn)在其能夠同時減小維護(hù)墻的位移及土體的穩(wěn)定時間，隧道受基坑開挖的影響時間小，最終所受影響就有所減小。