軟硬復合斷面隧道受側方開挖卸荷的影響研究

黃 峰，劉俊杰，吳長官，王 晨

(1.青島地鐵集團有限公司，青島 266033；2.青島理工大學 土木工程學院，青島 266525)

如今地鐵已經成為各大城市重要的公共交通方式，隨著城市建筑密集程度的增加，地鐵附近越來越多的基坑工程已不可避免。基坑開挖卸荷必然對鄰近的地鐵隧道結構造成一定影響，影響程度過大會導致隧道結構的變形破壞，影響地鐵的安全運行。如國內寧波市某基坑與地鐵1號線最小間距為7.15 m，基坑施工不久便引起隧道整體水平位移高達33.6 mm，導致地鐵區間滲水和多處縱向裂縫[1]；廣州市某距離地鐵隧道34.5 m的基坑開挖過程中，坑邊土體受錨桿牽引作用產生側向傾斜，引起隧道產生66 mm拉伸變形，管片發生多處開裂[2]；臺北某深基坑與隧道結構最小間距為12 m，基坑開挖引起隧道產生26 mm的水平拉伸和45 mm的豎向壓縮[3]。國外，如倫敦的South Bank區The Shell Center基坑開挖引起隧道南線上浮達到60 mm、北線上浮達到50 mm，而且受到黏土層緩慢固結影響，隧道的上浮仍然在緩慢進行[4]；新加坡某基坑開挖引起鄰近盾構隧道水平位移達6 mm、豎向位移3.8 mm[5]。

針對基坑開挖對鄰近隧道的影響，已有不少學者展開相關研究，主要研究方法集中于理論解析、模型試驗、數值模擬、現場監測。張治國等[6-7]考慮基坑四壁和底部土體同時開挖卸荷的情況，基于兩階段分析方法的Winkler地基模型建立了基坑開挖對隧道變形影響的計算微分方程；姜兆華[8]采用細砂為土體，塑料管為隧道，進行室內模型試驗，試驗中通過改變基坑與隧道的空間關系得到基坑開挖卸荷對旁側隧道的力學響應規律；陳仁朋等[9]通過用馬來西亞高嶺土模擬軟黏土進行軟黏土地層基坑開挖對隧道影響的離心機試驗，模型試驗得到了基坑開挖卸荷前后隧道結構一系列力學參數的變化規律；CHEN等[10]結合寧波地鐵1號線，采用Plaxis 3D有限元軟件分析了軟土地層中大型深基坑開挖對緊鄰雙線地鐵隧道的影響，對比模擬結果與監測數據發現，優化基坑開挖順序是減輕基坑開挖卸荷對附近隧道結構影響的最有效措施；丁智等[11]根據臨近運營地鐵隧道的基坑施工監測數據發現，基坑開挖深度與隧道埋深相近時，隧道水平位移顯著，而豎向變形卻不明顯，隧道收斂為“橫鴨蛋”形。

與上述研究相似，目前針對基坑開挖對鄰近既有隧道的研究大多集中于單一軟土地層，而對于特殊地層，如軟硬復合地層中此類基坑-隧道的影響研究尚少。軟硬復合地層通常為上覆松軟土層、下部為巖層，或者上部為軟弱風化程度高的巖層、下部為風化程度低的巖層，主要表現為上下地層之間的剛度差異性[12]，如國內青島、廈門、廣州和國外新加坡、曼谷、圣保羅等地區均為此類典型的工程地質情況，實際工程建設上也缺乏此類工況研究成果的指導，因此開展該工況下基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響研究具有十分重要的工程意義。

鑒于現場監測中周期長、難度大、成本高的缺點，本文結合青島地區典型的上軟下硬復合地層工況，借助模型試驗相似理論設計基坑開挖對側方隧道影響的室內模型試驗，研究上軟下硬斷面隧道結構受側方基坑開挖卸荷引起的內力變化。

1 模型試驗方案

1.1 工程原型

以青島市某鄰近運營地鐵的住宅樓項目為工程背景，項目基坑開挖深度約為15 m，周長約為410 m，最小水平距離約為15 m，基坑靠近地鐵隧道一側采用混凝土灌注樁配合預應力錨桿支護，灌注樁直徑為600 mm，樁芯間距為1000 mm，混凝土強度等級為C30。隧道斷面為圓形，外徑約為6 m，隧道拱頂埋深約為10 m，基坑與隧道相對位置關系如圖1所示。

1.2 相似關系

依據相似定理，物理模型試驗要在一定程度上反應原型實體的真實情況或者規律需要遵循相似條件，相似條件是模型試驗的基礎。相似條件即試驗原型與試驗模型的物理特征函數關系比值為一個常數，該常數稱為相似常數。

根據原型和模型的平衡方程、幾何方程、物理方程、應力邊界條件和位移邊界條件可以得出本文模型試驗存在以下相似關系：

Cσ=CγCL

(1)

Cδ=CLCε

(2)

Cσ=CECε

(3)

物理模型試驗要求所有無量綱物理量(如應變、內摩擦角、泊松比等)的相似比等于1，即

Cε=Cφ=Cμ=1

(4)

依據相似關系和試驗條件確定模型試驗中各物理量相似比參數，如表1所示。

圖1 基坑與隧道相對位置關系(單位：m)

表1 物理模型試驗的物理量

1.3 模型試驗系統和試驗方案

采用青島理工大學自主研發的平面應變試驗模型箱，模型箱凈空尺寸為2000 mm×1800 mm×300 mm(長×高×寬)，如圖2所示，正面為50 mm厚透明有機玻璃板，上方為敞口面，其他面均為鋼板焊接。模型箱上部和兩個側面安裝反力液壓裝置，每個液壓缸最大可以施加300 kN反力。

圖2 平面應變試驗模型箱

模型試驗中對地層進行一定簡化分析，將填土層、粉質黏土層、強風化花崗巖歸一化處理為強風化花崗巖層，試驗中主要研究由強風化、中風化花崗巖復合而成的上軟下硬復合地層中基坑開挖對側方地鐵隧道的影響。模型試驗考慮了單一軟巖地層工況(對照組)和軟硬復合地層工況(試驗組)2種地層工況，基坑尺寸和基坑與隧道的位置平面尺寸保持不變，考慮基坑的對稱性，只考慮一半基坑開挖寬度[13]。模型試驗方案尺寸如圖3所示，基坑開挖深度h=900 mm，開挖寬度d=600 mm，圍護結構深度為1200 mm。隧道外徑Φ=300 mm，隧道外邊緣距離基坑邊緣為250 mm，隧道拱頂埋深為750 mm。軟硬復合地層工況中隧道斷面復合高度比為1∶1，軟巖層厚度為900 mm。

圖3 模型試驗方案(單位：mm)

1.4 相似材料選擇

根據實際工程巖土體物理力學參數和表1中模型試驗物理量相似比，得到2種地層的物理力學參數，如表2所示。軟巖和硬巖的相似材料中以砂和重晶石粉為骨料、石膏為膠凝材料、凡士林為摻加料，同時摻加少量的水。采用正交試驗理論設計巖土相似材料配比試驗，最終采用的材料配比如表3所示。

表2 軟硬巖原型和模型的物理力學參數

表3 復合地層相似材料最終配比 %

選擇有機玻璃管(PMMA)作為隧道模型材料，有機玻璃的彈性模量為2.5 GPa，泊松比為0.37。將隧道襯砌視為薄板結構，僅考慮隧道環向抗彎和相似性，采用彎曲變形相似準則推導隧道結構的相似比[14]，最終確定有機玻璃隧道模型厚度為5 mm，長度為300 mm，外徑為300 mm。模型試驗中未考慮錨桿結構，將圍護樁按照等效剛度原則簡化為地連墻結構，圍護結構選擇薄鋼板，同樣依據彎曲變形相似準則確定板厚為3 mm，長度設計為1200 mm，寬度為300 mm。

1.5 測量方案及試驗過程

模型試驗基坑開挖過程中測量隧道結構的環向彎矩、隧道周圍土壓力變化。隧道環向彎矩和周圍土壓力分別通過在隧道結構內外壁布置應變片和外側布置微型土壓力盒測量分析得出，傳感器布置如圖4所示。

圖4 隧道監測點布置

試驗流程如下：

1) 按照表3相似材料的配比稱量好重晶石粉、砂、石膏、凡士林、水，將骨料重晶石粉、砂、石膏和石膏緩凝劑倒入攪拌機攪拌均勻，最后將水和水浴融化的凡士林溶液緩慢倒入攪拌機攪拌均勻；

2) 分層填裝拌制完成的相似材料至模型箱內，每層填裝150 mm并夯實，填裝過程中在模型箱的相應位置預埋結構模型，并連接應變片和土壓力盒傳感器至計算機記錄數據，填裝完成后在室內靜置養護3 d；

3) 打開采集裝置并進行基坑開挖，基坑開挖采用人工緩慢開挖的方式，總共開挖6層。每層開挖深度為150 mm，相當于原型3 m的深度，總開挖深度為900 mm，每層開挖完成的時間控制為30 min。每層基坑開挖完成待測量數據穩定后方可進行下一層基坑開挖，開挖過程中避免對模型箱內其他部件造成過大的擾動。

2 試驗結果分析

2.1 隧道周圍土壓力

圖5是基坑開挖過程中隧道周圍土壓力分布的極坐標圖。整體來看，2種工況的各點位土壓力分布形態均類似為“葫蘆”形，土壓力的分布形態與姚愛軍等[15]發現的位于基坑底部的隧道周圍土壓力分布形態相似。軟硬復合工況各點位的土壓力變化幅度小于單一軟巖工況，尤其是軟硬復合工況中隧道下半部分位于硬巖層中90°，135°，180°，225°，270°的土壓力變化明顯小于單一軟巖工況，說明基坑開挖引起的隧道周圍土壓力的變化受到了下部硬巖層的影響。

圖6為基坑開挖過程中隧道各點位土壓力變化曲線。可以看出，軟硬復合工況各點位的土壓力隨著基坑開挖不斷減小，其中0°點位變化最大，減小值為1.74 kPa。單一軟巖工況中不同的是，隧道遠基坑側0°，45°，180°點位的土壓力變化值先減小后增大，其他點位的土壓力不斷減小，近基坑側315°點位的土壓力變化最為明顯，減小值為2.83 kPa，該變化與姜兆華[8]在采用砂土的模型試驗中發現的基坑開挖引起旁側隧道的土壓力變化規律一致，分析產生不同變化的原因與基坑圍護結構和周圍土體向基坑內傾斜位移幅度有關。軟硬復合地層工況中受下部硬巖層穩定性較強影響，基坑開挖卸荷對周邊地層的擾動影響較小，隧道周圍土壓力受到的主要影響為基坑卸荷引起的變化。

2.2 隧道環向彎矩

圖7是基坑開挖過程中隧道環向彎矩分布的極坐標圖，圖中正值表示向外彎曲，負值表示向內彎曲。從分布形態可以看出，2種工況環向彎矩均呈“∞”分布形態，這與楊帆[16]在單一砂土地層中基坑開挖對旁側隧道影響的模型試驗中發現的隧道橫向彎矩分布呈現橫鴨蛋形十分相似。單一軟巖工況中0°，45°，180°，225°點位的彎矩變化明顯，而軟硬復合工況中隧道位于硬巖層中的135°，180°，225°點位彎矩變化非常小，其他點位彎矩變化與單一軟巖工況比較接近，說明位于硬巖層中的隧道環向彎矩變化受到復合地層的限制明顯，同時說明隧道結構的變形受地層影響大。何川等[17]研究發現，隧道結構所受外部荷載增大時，位于硬巖層中的隧道結構彎矩受到硬巖層的約束作用，而普通區域的隧道結構彎矩基本不受硬巖層區域的影響，這與本文的試驗結果十分相似。

將隧道環向各點位彎矩變化繪制成變化曲線，如圖8所示。從圖中可以看出，軟硬復合工況中彎矩變化趨勢單一，0°，180°點位環向彎矩不斷增大，其他點位不斷減小，結合該工況各點位土壓力變化可以認為基坑開挖卸荷使隧道結構原有的彈性形變復原。單一軟巖工況中0°，180°，135°，315°點位的彎矩變化在開挖4—6階段出現轉折，結合各點位初始彎矩狀態，分析認為該工況基坑開挖擾動大，地層受到的擾動對隧道結構產生一定影響，隧道結構變形主要為斜向基坑方向的擠壓變形。

2.3 軟硬復合地層的影響

通過對比2種工況中基坑開挖引起的隧道周圍土壓力和環向彎矩變化可以認為，軟硬復合工況中受下部硬巖層的影響，基坑開挖卸荷對周圍地層的擾動程度減小，地層擾動的不同必然對周邊隧道結構產生不同的影響：隧道周圍土壓力和環向彎矩變化減小，尤其是位于硬巖層部分的變化更小，說明硬巖層的存在對復合斷面隧道結構受側方基坑開挖卸荷產生的影響具有一定限制作用。

3 結論

對比分析單一軟巖和軟硬復合2種工況下，基坑開挖卸荷對側方隧道影響的模型試驗結果，得出以下結論：

1) 相比于單一軟巖工況，軟硬復合工況中隧道的周圍土壓力整體變化較小，但是靠近基坑一側的土壓力變化相對較大。

2) 相比于單一軟巖工況，軟硬復合工況中隧道的環向彎矩整體變化較小，尤其是位于硬巖層中彎矩變化更小。軟硬復合工況中彎矩變化說明基坑開挖卸荷使隧道結構原有的彈性形變復原。

3) 由隧道周圍土壓力和環向彎矩的變化可以看出，軟硬復合工況中下部硬巖層的存在，使基坑開挖卸荷對周邊地層的擾動變小，對隧道結構內力變化也具有一定的限制作用，尤其是位于硬巖層中的隧道，其結構整體穩定性更強。