基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近盾構(gòu)隧道豎井的影響研究現(xiàn)狀

魏新江， 馬靖昊， 汪海林， 魯梁梁

（1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.浙大城市學(xué)院土木工程系，杭州 310015；3.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310058）

0 引言

隨著我國(guó)城市綜合管廊、軌道交通和地下空間的快速發(fā)展，基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近盾構(gòu)隧道的穩(wěn)定性分析與控制，成為了巖土工程界備受關(guān)注的焦點(diǎn)之一。大部分文獻(xiàn)［1］、［2］主要以引起旁側(cè)盾構(gòu)隧道和下方盾構(gòu)隧道進(jìn)行研究。基坑開(kāi)挖本身是一個(gè)卸荷的問(wèn)題，使得鄰近的盾構(gòu)隧道產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力和橫向變形，導(dǎo)致盾構(gòu)隧道管片開(kāi)裂、接縫間發(fā)生錯(cuò)臺(tái)及轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)、以及滲水等嚴(yán)重危害盾構(gòu)隧道的現(xiàn)象。位于鄰近盾構(gòu)隧道的基坑在開(kāi)挖的過(guò)程中，由于側(cè)壁和坑底的卸荷作用會(huì)通過(guò)土體傳遞給鄰近的盾構(gòu)隧道，使得在盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)上引起附加應(yīng)力。基坑開(kāi)挖在一定程度上也會(huì)導(dǎo)致坑內(nèi)的土體回彈、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形以及坑外的地平面發(fā)生沉降，因此研究基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近盾構(gòu)隧道具有十分深遠(yuǎn)地意義。目前基坑開(kāi)挖對(duì)既有盾構(gòu)隧道的影響，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者已有大量的研究并取得了相當(dāng)?shù)某晒菍?duì)于基坑開(kāi)挖對(duì)盾構(gòu)隧道豎井的研究還未見(jiàn)相應(yīng)文獻(xiàn)記載如圖1所示。文中將對(duì)盾構(gòu)隧道內(nèi)垂直頂升法的頂升力和豎井下隧道特殊段結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行歸納總結(jié)并將基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近盾構(gòu)隧道的研究方法歸納為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析、數(shù)值模擬以及模型試驗(yàn)進(jìn)行探討。

圖1 豎井與水平隧道關(guān)系

1 隧道內(nèi)豎向頂升的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)如今，豎向構(gòu)筑物的開(kāi)挖廣泛運(yùn)用于城市綜合管廊的檢查井、排水隧道等。在開(kāi)挖水工盾構(gòu)隧道的過(guò)程中，常采用垂直頂升法、豎井法、豎向頂管法對(duì)盾構(gòu)隧道的排水立管、檢查井、風(fēng)井等進(jìn)行施工，相較于傳統(tǒng)的沉箱鑿井法，具有操作簡(jiǎn)單、不受季節(jié)的控制、對(duì)鄰近盾構(gòu)隧道的影響較小且最大限度地發(fā)揮成本管控的優(yōu)勢(shì)。文中將對(duì)豎向構(gòu)筑物的頂升力以及豎井下特殊段結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行探討。

1.1 垂直頂升法頂升力研究

由于頂升力受諸多因素的影響，如管節(jié)自身的重量、管壁的摩阻力、水壓力以及開(kāi)挖面的土體壓力等影響，所以在開(kāi)挖前，應(yīng)計(jì)算頂升力的大小以確保豎向構(gòu)筑物安全頂入土體。陳閩［3］通過(guò)數(shù)據(jù)得出實(shí)際頂升時(shí)的頂力與摩阻力基本符合，建立了頂升力與摩阻力的計(jì)算關(guān)系式。WANG L Z［4］認(rèn)為目前還沒(méi)有較為成熟的頂力的計(jì)算公式，可以基于Meyerhof 對(duì)于深基坑的極限承載理論，可近似為反向打樁的計(jì)算求解，對(duì)其頂升力進(jìn)行計(jì)算。董勝憲［5］根據(jù)朗肯土壓力理論以及施工經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為頂升力可取為朗肯土壓系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)一般取1.3～1.5，但是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)具有人為主觀因素，誤差可過(guò)于保守。王壽生［6］通過(guò)兩種方法對(duì)其頂升力進(jìn)行計(jì)算，按照土體的剪切破壞對(duì)頂升力進(jìn)行計(jì)算，按照修正后的漢森極限承載力對(duì)其頂升力進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)對(duì)上述兩種方法的比較，得出運(yùn)用漢森極限承載力公式計(jì)算的頂升力遠(yuǎn)比利用土體承載力計(jì)算的頂升力要大。原因在于漢森極限承載力公式僅適用于自上而下的土體承載力，但由于垂直頂升法是由下到上對(duì)土體進(jìn)行開(kāi)挖，公式使用不是較為準(zhǔn)確。

綜上所述目前采用土體剪切破壞理論對(duì)頂升力的求解較為準(zhǔn)確，但其由于剪切破壞線內(nèi)土體的最上端的寬度大小較為難以確定，所以計(jì)算時(shí)仍存在一定的誤差，如圖2所示。

圖2 立管的剪切破壞線受力圖

1.2 豎井下隧道特殊段結(jié)構(gòu)受力研究

由于豎井立管大部分埋藏在地層中且立管的嵌固部位被固定在盾構(gòu)隧道的特殊襯砌環(huán)上，所以立管結(jié)構(gòu)的受力主要分為施工階段和運(yùn)營(yíng)階段進(jìn)行考慮。

（1） 施工階段的荷載形式：主要受到水壓力、土壓力以及千斤頂?shù)捻斏Α?/p>

（2） 運(yùn)營(yíng)階段的荷載形式：主要受到水壓力、土壓力以及水流的沖擊作用等。

根據(jù)江中孚［7］對(duì)于豎井與水平隧道開(kāi)口區(qū)域的研，表明了在千斤頂剛開(kāi)始頂進(jìn)的過(guò)程中，封頂塊仍然與隧道襯砌環(huán)相連，兩側(cè)的水壓力以及土壓力變化不明顯，但隨著千斤頂?shù)捻斄Σ粩嘣黾訒r(shí)，隧道結(jié)構(gòu)逐漸由圓環(huán)變成了“豎鴨蛋”的形狀。

但是WANG L Z通過(guò)有限元得到盾構(gòu)隧道管片實(shí)際上是一個(gè)被壓扁的橢圓，這與江中孚的結(jié)論完全相反，因此頂升過(guò)程隧道管片結(jié)構(gòu)的受力情況值得深入研究。對(duì)于豎井立管和隧道襯砌環(huán)，閆子海［8］對(duì)豎井的時(shí)間階段劃分為以下3個(gè)階段，頂升開(kāi)啟期、頂升上升期和頂升平穩(wěn)期。孫廉威［9］對(duì)取排水隧道進(jìn)行的監(jiān)測(cè)得出，開(kāi)口環(huán)的接頭變形大于鄰近標(biāo)準(zhǔn)環(huán)，在豎井施工階段，最大的沉降量位于開(kāi)口環(huán)的頂部，豎井的影響范圍大致在開(kāi)口區(qū)左右各1.5L的范圍內(nèi)，可將整個(gè)區(qū)域劃分為開(kāi)口區(qū)域、相鄰區(qū)域、頂升區(qū)域以及卸荷區(qū)域。

目前還沒(méi)有文獻(xiàn)提到基坑開(kāi)挖對(duì)盾構(gòu)隧道豎向構(gòu)筑物的影響，但是基坑開(kāi)挖對(duì)盾構(gòu)隧道的影響研究，已有很豐富的成果，以下將基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近盾構(gòu)水平隧道的影響研究歸納為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等幾個(gè)方面進(jìn)行討論。

2 基坑開(kāi)挖對(duì)盾構(gòu)隧道影響的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

由于基坑開(kāi)挖是一個(gè)極其復(fù)雜的力學(xué)問(wèn)題，易受時(shí)空、基坑降水、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的類型與圍護(hù)結(jié)構(gòu)埋置深度等諸多因素對(duì)鄰近盾構(gòu)隧道的影響，而現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能夠更加真實(shí)地反映出鄰近隧道受力和變形的規(guī)律，因此對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是研究鄰近隧道變形與受力特征最直接有效的措施之一，可為現(xiàn)場(chǎng)施工提供指導(dǎo)意見(jiàn)。

為保證盾構(gòu)隧道的安全性和耐久性，有必要選擇合理的支護(hù)方式，減少工程安全風(fēng)險(xiǎn)。吳伯建等［10］通過(guò)樁撐和樁錨相結(jié)合的支護(hù)方式，采用如下兩種方案：對(duì)深13.15m 的基坑采用單層鋼管支撐+深15.65m的基坑四角采用鋼管角撐+預(yù)應(yīng)力錨桿；同樣對(duì)深13.15m 的基坑采用單層鋼管支撐+深15.65m 的基坑采用預(yù)應(yīng)力錨桿，兩種方案的區(qū)別在于在基坑四角是否設(shè)置鋼管角撐，結(jié)果表明方案，對(duì)于鄰近盾構(gòu)隧道的控制變形明顯優(yōu)于方案；且整體造價(jià)相對(duì)較低但存在施工工序復(fù)雜的缺點(diǎn)。曾詩(shī)媛［11］采用三排樁+被動(dòng)區(qū)留土的支護(hù)方式，通過(guò)有限元得到此工藝對(duì)于盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的內(nèi)力影響最小，其優(yōu)勢(shì)在于采用被動(dòng)區(qū)留土一定程度上能夠抵抗水平變形，增強(qiáng)土體對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固作用。汪良旗等［12］采用地下連續(xù)墻、混凝土內(nèi)支撐以及鋼支撐對(duì)基坑深度17.55m進(jìn)行支護(hù)，分析結(jié)果表明利用該支護(hù)方案能夠最大地保證盾構(gòu)隧道的運(yùn)營(yíng)安全。胡海英等［13］對(duì)基坑開(kāi)挖深度23.9m采用地下連續(xù)墻以及樓板作為支護(hù)體系的逆作法，結(jié)果表明由于地下連續(xù)墻的施工產(chǎn)生的擾動(dòng)會(huì)作用于盾構(gòu)隧道上，使得盾構(gòu)隧道朝著背離基坑一側(cè)發(fā)生變形，當(dāng)首層施工結(jié)束后由于采用豎向連續(xù)墻以及樓水平板作為正交支護(hù)體系的逆作法，有助于控制盾構(gòu)隧道的變形。王立峰等［14］對(duì)基坑開(kāi)挖深度14.2～16.4m 采用地下連續(xù)墻、內(nèi)支撐以及三軸水泥攪拌樁對(duì)周?chē)馏w進(jìn)行加固并在地下連續(xù)墻和盾構(gòu)隧道之間增加鉆孔灌注樁結(jié)果表明由于采用鉆孔灌注樁一定程度上阻隔了基坑開(kāi)挖卸荷下土體附加應(yīng)力的傳遞。馮龍飛等［15］對(duì)基坑開(kāi)挖深度約22m 采用地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐，采用內(nèi)撐式支護(hù)方式能夠更好地約束盾構(gòu)隧道的水平位移。伍尚勇等［16］對(duì)基坑開(kāi)挖深度約14.9m采用人工挖孔樁作為基坑的主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)并結(jié)合內(nèi)支撐及樁錨組合支護(hù)，研究表明設(shè)置鎖腳錨桿體系，是樁腳受到的土壓力轉(zhuǎn)化為巖體的內(nèi)力，提高圍護(hù)樁的穩(wěn)定性，使得鄰近盾構(gòu)隧道變形量在控制范圍內(nèi)。

共同的研究表明：①當(dāng)基坑開(kāi)挖深度較大時(shí)，基坑支護(hù)通常采用地下連續(xù)墻、內(nèi)支撐或者樁撐支護(hù)的形式，并對(duì)基坑和盾構(gòu)隧道間的土體采用水泥攪拌樁對(duì)其進(jìn)行加固。當(dāng)基坑位于盾構(gòu)隧道上方時(shí)，在盾構(gòu)隧道兩側(cè)增加磚孔灌注樁一定程度上可有效阻隔卸荷下應(yīng)力路徑的傳遞，較好的控制盾構(gòu)隧道的變形；②對(duì)于開(kāi)挖深度大于10m的深基坑，在基坑四角增設(shè)鋼支撐或者設(shè)置鎖腳錨桿，可控制盾構(gòu)隧道的變形；③采用被動(dòng)區(qū)留土的方式，能增強(qiáng)土體對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固作用。

3 基坑開(kāi)挖對(duì)盾構(gòu)隧道影響的理論分析

通常兩階段分析方法需考慮基坑坑底和基坑側(cè)壁的卸荷效應(yīng)以及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的阻隔影響。通過(guò)周順華［17］在計(jì)算基坑引起盾構(gòu)隧道的隧道應(yīng)力作出了假定認(rèn)為基坑側(cè)壁釋放的應(yīng)力全部由支撐體系承擔(dān)即基坑側(cè)壁對(duì)土體沒(méi)有卸荷作用，但實(shí)際上側(cè)壁有相應(yīng)的卸載作用，基坑側(cè)壁釋放的應(yīng)力由部分支撐體系和部分側(cè)壁對(duì)土體的卸載作用共同承擔(dān)，如圖3 所示。張治國(guó)［18］認(rèn)為側(cè)壁對(duì)土體的卸載作用力呈三角形分布的靜止土壓力K0γZ，但此法沒(méi)有考慮Mindlin解［19］的適用條件，僅適用于半無(wú)限空間體，只需計(jì)算鄰近盾構(gòu)隧道基坑側(cè)壁的卸荷作用，如圖4 所示。姜兆華［20］在張治國(guó)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行改善，僅需考慮鄰近盾構(gòu)隧道基坑側(cè)壁的卸荷作用，側(cè)壁采用靜止土壓力K0γZ 作為側(cè)壁卸荷量，但是此法過(guò)于保守，完全認(rèn)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)作用下側(cè)壁的應(yīng)力全部釋放，如圖5 所示。魏綱［21］針對(duì)上述不足之處，引入了應(yīng)力損失率β，側(cè)壁采用K0βγZ 作為側(cè)壁卸荷量，如圖6 所示。但實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)上應(yīng)力損失率的取值較為困難，僅能通過(guò)數(shù)值模擬和理論分析的方法進(jìn)行相應(yīng)的取值。目前考慮兩階段分析法大部分學(xué)者僅僅算至基坑底面處，而實(shí)際上，即使有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的遮攔作用，基坑底面以下的一段區(qū)域內(nèi)也會(huì)受到卸荷作用的影響，需要進(jìn)行相應(yīng)的理論計(jì)算，如圖7所示。

圖3 僅考慮坑底卸荷量

圖4 考慮坑底和所有側(cè)壁卸荷量

圖5 考慮坑底和鄰近側(cè)壁卸荷量

圖6 考慮鄰近側(cè)壁的應(yīng)力釋放系數(shù)

圖7 坑底卸荷模型

4 基坑開(kāi)挖對(duì)盾構(gòu)隧道影響的數(shù)值模擬

4.1 本構(gòu)關(guān)系的選擇

在數(shù)值模擬方法中，選擇不同的本構(gòu)模型，土體間非線性特征的表現(xiàn)是截然不同的。所以本構(gòu)模型的選擇及參數(shù)的確定十分重要。如表1所示。從表1［22-24］可以清晰的看出大部分文獻(xiàn)中研究對(duì)象為復(fù)合土，目前最常見(jiàn)的本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb 和線彈性模型，但其計(jì)算結(jié)果往往過(guò)于保守，計(jì)算誤差較大。陳仁朋引入了硬化土體模型，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠反映土體間硬化的規(guī)律及應(yīng)力路徑，但其無(wú)法反映土體間小應(yīng)變的非線性狀態(tài)，在Mohr-Coulomb、線彈性以及硬化土體模型基礎(chǔ)上鄭剛、王燦［25，26］引入了小應(yīng)變硬化模型，其能精確模擬出圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移，為控制鄰近盾構(gòu)隧道的變形提供了理論支撐，但是由于小應(yīng)變硬化模型對(duì)于工程的運(yùn)用較為復(fù)雜，張浩［27］提出了小應(yīng)變非線性彈性模型，其能描述不同應(yīng)力路徑小應(yīng)變剛度的衰減以及大應(yīng)變間的應(yīng)力、應(yīng)變以及剪脹性的關(guān)系。Benz［28］提出了Overlay模型，該模型參數(shù)過(guò)于簡(jiǎn)單且對(duì)于土體的小應(yīng)變剛度的計(jì)算過(guò)于保守，導(dǎo)致計(jì)算值偏大。

表1 數(shù)值模擬本構(gòu)模型選擇

5 基坑開(kāi)挖對(duì)盾構(gòu)隧道影響的模型試驗(yàn)

在巖土工程界，模型試驗(yàn)?zāi)軐?duì)現(xiàn)場(chǎng)工況具有一個(gè)較高的還原度，主要室內(nèi)試驗(yàn)有常重力縮尺模型試驗(yàn)、離心模型試驗(yàn)以及管片加載試驗(yàn)等見(jiàn)表2［29-33］。從表2 可以清晰的看出：①大部分的施工工況基于隧道縱向與基坑長(zhǎng)邊方向平行，目前盾構(gòu)隧道縱向與基坑長(zhǎng)邊方向斜交的工況較少；②且模擬的土質(zhì)比較單一，大部分以細(xì)砂為主，目前實(shí)際工況大部分以復(fù)合地層為主；③隧道的材質(zhì)多為鋁管、塑料管、橡膠管、有機(jī)玻璃；④盾構(gòu)隧道的形狀較多采用圓形，對(duì)于異性盾構(gòu)隧道目前研究較少；⑥模型箱尺寸大多數(shù)設(shè)計(jì)為1m×1m×1m，且縮尺比集中在1：30～1：60間，最大縮尺比為1：15；⑦大部分采用常重力下的縮尺試驗(yàn)，原因在于離心模型試驗(yàn)相較于常重力模型試驗(yàn)成本較高。

表2 模型試驗(yàn)信息

6 結(jié)語(yǔ)

（1） 文中對(duì)于隧道襯砌環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了相應(yīng)的總結(jié)，究竟其管片是“豎鴨蛋”變形還是“扁平的橢圓”變形還有待進(jìn)一步研究。

（2） 目前針對(duì)施工工況影響的研究，主要集中于支護(hù)方式研究且文中對(duì)相應(yīng)的支護(hù)方式進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)于基坑開(kāi)挖所采取的降水方式對(duì)鄰近盾構(gòu)隧道的影響文獻(xiàn)較少。

（3） 文中對(duì)考慮兩階段分析法進(jìn)行了總結(jié)，從原有的僅考慮坑底卸荷量模型到考慮所有側(cè)壁和坑底的卸荷量模型再到僅考慮鄰近側(cè)壁和坑底的卸荷量模型最后引入了應(yīng)力釋放系數(shù)，但是目前應(yīng)力釋放系數(shù)的確定，有待進(jìn)一步的討論。

（4） 文中針對(duì)本構(gòu)模型的選擇進(jìn)行了相應(yīng)的總結(jié)，大部分文獻(xiàn)主要以Mohr-Coulomb 和線彈性為主，目前提出了HSS、HS、IGS、Overlay等模型。

（5） 目前大部分文獻(xiàn)都是針對(duì)基于基坑開(kāi)挖對(duì)水平盾構(gòu)隧道的影響研究，但是對(duì)于基坑開(kāi)挖對(duì)盾構(gòu)隧道豎向構(gòu)筑物的研究相對(duì)較少。

（6） 文中總結(jié)了模型試驗(yàn)中所采用的的隧道的形狀、土層性質(zhì)、以及施工工況，研究表明隧道形狀大部分以圓形隧道為主且土質(zhì)為單一的河砂或者福建標(biāo)準(zhǔn)砂，模型箱的尺寸集中于為1m×1m×1m，大部分試驗(yàn)以常重力縮尺試驗(yàn)為主。