明挖隧道施工引起緊鄰信號塔三維變形影響因素研究*

劉光輝，宗鵬程，徐子邦，孫誠濤，李 平，史江偉

(1.南京上鐵地方鐵路開發有限公司，江蘇 南京 210008；2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098)

0 引言

城市空間需求的急劇增長與土地資源緊缺這一矛盾日益突出，有效地開發利用地下空間迫在眉睫。工程中，鄰近既有構筑物的深基坑工程不斷涌現。深基坑開挖引起的應力釋放將不可避免地導致土體位移和鄰近構筑物的附加變形。

信號塔為淺基礎的超高構筑物，為懸臂結構。基坑施工時，信號塔的變形機理與樁基礎、房屋不盡相同。一旦信號塔發生轉動，塔頂水平位移不可忽視。然而，明挖隧道(基坑)施工引起淺基礎超高信號塔的研究鮮有報道。本文以海安高鐵站擴建工程為背景，開展現場試驗和考慮土體小應變剛度特性的三維數值模擬，研究明挖隧道施工引起鄰近淺基礎超高信號塔變形特性。

1 工程概況

1.1 火車站站房明挖隧道擴建工程

海安火車站站房擴建工程平面與1—1剖面如圖1所示。既有站房擴建工程采用明挖法進行施工(基坑)，擴建工程分為3期，如圖1a所示。三期工程位于出站口，與原有出站口連接；二期工程為新建地下通道；一期工程與原有地下停車場連接。二期與一期基坑交界處，施工了圍護樁隔墻。一期、二期工程為長條形基坑，基坑開挖深度介于2.3～9.8m。二期基坑的南側存在淺基礎的信號塔，信號塔的高度為50.0m。信號塔與圍護結構的凈距為5.5m，位于1倍的深基坑開挖深度范圍內。三期基坑與信號塔的凈距為 32.7m，已接近4倍的基坑開挖深度。因此，信號塔變形主要受二期施工影響。

圖1 海安火車站站房擴建工程

二期基坑沿1—1斷面的縱剖面如圖1b所示。二期基坑開挖深度變化較大，基坑東側1∶2放坡開挖，最小開挖深度為2.3m。自東向西基坑開挖深度逐漸加大，最大開挖深度為9.8m。信號塔靠近二期基坑東南側，信號塔處基坑開挖深度為4.6m。

1.2 站房基坑工程圍護結構

信號塔處基坑的橫剖面如圖2所示。信號塔的基礎形式為淺基礎，基礎埋深為3.1m，基礎平面尺寸為8.0m×8.0m。為了降低基坑施工對鄰近信號塔的影響，一期、二期和三期基坑均采用直徑800mm、間距1 000mm、長度21m的鉆孔樁作為圍護結構。

圖2 深基坑典型橫剖面

為了降低基坑工程樁施工時對鄰近構筑物的影響，采用MJS微擾動施工技術。三期基坑、一期和二期基坑的北側施工直徑1 800mm、間距 1 100mm、 長度24m的MJS樁來降低圍護樁施工擾動對周邊建筑物的影響。一期和二期基坑的南側施工直徑800mm、間距500mm、長度24m的高壓旋噴樁作為基坑止水帷幕。為了降低基坑施工引起的土體變形，一、二、三期基坑的坑底以下4m范圍內均采用直徑800mm、間距500mm的高壓旋噴樁滿堂加固。

如圖1b所示，深基坑采用3道水平支撐，第1道為600mm×600mm混凝土支撐，第2，3道為直徑609mm、壁厚16mm鋼支撐。與2道支撐相連的冠梁和腰梁均為鋼筋混凝土結構，截面尺寸為800mm×800mm。

2 明挖隧道-信號塔相互作用三維仿真模擬

深基坑施工引起的墻后土體位移的主要和次要影響區域分別為(0～2)He(He為基坑最大開挖深度)和(2～4)He。如圖1a所示，信號塔的中心線與三期基坑圍護結構的水平凈距為38.5m，為3.9倍的深基坑開挖深度，位于三期基坑的影響范圍外。因此，三期基坑施工對信號塔的影響甚小。海安火車站站房基坑擴建工程沿東西向基本對稱，數值模擬考慮一期部分基坑和二期基坑(即1—1斷面)對信號塔的影響。

2.1 圍護結構鉆孔灌注樁剛度等效

一期、二期基坑的圍護結構為鉆孔灌注樁，且圍護結構的受力與板類似，因此將直徑為D、間距為t的鉆孔灌注樁等效成長度為D+t的連續板，基于剛度等效，鉆孔灌注樁等效成厚度為620mm的連續板。

2.2 三維有限元網格

采用Plaxis 3D軟件模擬基坑施工引起的鄰近信號塔三維變形。深基坑-信號塔相互作用的三維有限元數值計算網格如圖3所示。網格長度、寬度和深度分別為200，200，80m。墻后土體長度均>8倍的最大深基坑開挖深度，滿足邊界條件要求。土層采用10節點三維實體單元模擬，圍護結構、信號塔采用板單元模擬，支撐、冠梁和腰梁采用梁單元模擬。地下連續墻的板單元設置不透水正向界面單元，確保地下連續墻的密封性。

圖3 三維有限元計算網格和邊界條件

為了獲取準確的數值計算結果，基坑和信號塔周圍的網格加密。現有三維有限元網格共含有 199 777 個單元和297 499個結點。網格單元加密1倍后，信號塔的最大變形差值<1%，表明數值計算采用的有限元網格密度已足夠精細。網格四周為法向約束，四周沿豎向可自由移動。網格底部為三向約束，土體不允許產生任何位移。

2.3 數值計算采用的本構模型與模型參數

大量實測數據表明，基坑、隧道等周圍土體的剪應變介于0.01%～1%，屬于小應變范圍。此應變范圍內，土體剪切模量隨應變增加而快速衰減。為了準確預測基坑施工引起的信號塔變形，數值計算采用考慮土體小應變剛度特性的HSS模型模擬土體的變形特性。

表1 數值計算采用的HSS模型參數

圍護結構、支撐、冠梁、腰梁材料為鋼筋混凝土，信號塔材料為鋼材，此2種材料均采用線彈性模型模擬。混凝土彈性模量和泊松比分別為25GPa和0.2，鋼材彈性模量和泊松比分別為210GPa和0.17。

2.4 基坑-信號塔相互作用的三維數值模擬程序

為了準確預測基坑施工引起的信號塔變形，數值計算的施工模擬順序與現場一致。主要計算步驟為：①初始應力場生成；②施工既有信號塔；③施工圍護結構、冠梁和第1道混凝土支撐；④坑底4m范圍內土體滿堂加固；⑤開挖第1層土至 -5.250m 高程；⑥施工腰梁和第2道鋼支撐；⑦開挖第2層土至-9.800m高程；⑧施工第3道鋼支撐；⑨基坑底板混凝土施工。

3 明挖隧道-信號塔三維數值計算結果驗證

3.1 圍護結構整體側向變形

明挖隧道施工引起圍護結構側向變形如圖4所示。二期基坑的長度方向為東西向(y方向)。因此，二期基坑沿南北方向(Ux)的水平位移明顯大于沿東西方向位移(Uy)。一期基坑與南北方向呈45°，因此，南北、東西方向的水平位移均較大。在一、二期基坑交界處隔墻的約束作用下，圍護結構的側向變形明顯降低。基坑施工到坑底時，圍護結構沿南北向的最大側向位移(Ux)為6.3mm(0.064%He)，沿東西向的最大側向位移為7.8mm(0.080%He)。

圖4 圍護結構的整體側向變形(單位：mm)

3.2 圍護結構計算和實測側向變形對比

圍護結構側向變形的計算和實測結果對比如圖5所示。不同于鋼板樁等柔性圍護結構，實測和計算結果均顯示圍護結構向坑內鼓脹變形，圍護結構最大變形位于基坑開挖面位置。海安火車站站房基坑工程采用大直徑鉆孔灌注樁，整體剛度較大。圍護結構第1道支撐為大截面混凝土，且鉆孔灌注樁施工到砂土層。因此，圍護樁頂部和底部變形均很小。3個測點處圍護結構側向變形計算與實測結果十分接近，表明基坑-信號塔的三維數值仿真模擬合理，模型預測結果準確。

圖5 圍護結構側向變形實測與計算結果對比曲線

3.3 計算與實測的墻后地表沉降對比

計算和實測的墻后地表沉降對比如圖6所示。選取基坑由西到東3個不同位置進行比對驗證，如圖1a所示，發現3個測點處墻后土體沉降的計算結果略高于實測結果，考慮為現場的墻后壓重、開挖工序等因素導致。計算和實測墻后土體沉降十分接近，再次表明基坑-信號塔的三維數值仿真模擬合理，模型預測結果準確。

圖6 基坑施工引起墻后土體沉降對比曲線

4 信號塔三維變形的影響因素

4.1 數值模擬方案

開展三維有限元參數分析，系統研究明挖隧道(基坑)施工引起信號塔變形的主要影響因素，建立各種影響因素下信號塔變形的預測圖表，為類似工程提供設計指導。

有限元參數分析時，二期基坑東側不再放坡，一期和二期基坑間不設置隔墻。基坑開挖深度(He)均為9.8m，兩層土的開挖厚度分別為5.25，4.55m。支撐、冠梁和腰梁位置與海安火車站站房基坑工程一致。

數值分析考慮的參數包括：基坑開挖深度、信號塔-基坑平面相對位置，信號塔-基坑水平凈距、圍護結構支撐剛度。信號塔-基坑平面相對位置主要是指信號塔相對于圍護結構的位置，如角點、中點和拐點等。基坑與信號塔的水平凈距介于0.5～9.8m(1.0He)。圍護結構形式從鋼板樁過渡到1.0m厚地下連續墻，評價不同圍護結構剛度對信號塔變形的影響。

4.2 開挖深度

不同開挖深度下鄰近信號塔的水平和垂直位移如圖7所示。水平位移正值為指向基坑，垂直位移正值為沉降。信號塔與基坑凈距為5.5m。H和He分別為當前基坑開挖深度和最大開挖深度。當H/He=0.54時，信號塔水平位移與沉降分別為1.9，0.06mm。一旦基坑施工到坑底(H/He=1.0)，信號塔的水平位移和沉降增加至5.2，0.29mm，增幅高達173.7%，383.3%。隨著基坑開挖深度增加，坑內外土壓力差值加大；土體受剪時產生更大塑性變形，鄰近信號塔變形快速增加。為了確保鄰近信號塔的安全性，基坑施工時要嚴格控制坑內土體的開挖速率。信號塔為50m的超高懸臂結構，基坑施工引起的信號塔水平位移明顯大于沉降。因此，信號塔的水平位移是判斷其穩定性和安全性的重要指標。

圖7 不同開挖深度下信號塔位移曲線

4.3 基坑-信號塔平面位置影響

不同基坑-信號塔平面位置下信號塔水平位移與沉降如圖8所示。信號塔與基坑水平凈距均為5.5m。東側二期基坑、西側一期基坑的長度分別為L1，L2，信號塔中心與二期基坑角點距離為X。X/(L1+L2)表示基坑-信號塔相對位置，0和1代表基坑角點，0.58代表圍護結構的拐點。

圖8 不同基坑-信號塔平面位置下信號塔位移曲線

當H/He=0.54時，信號塔的總體變形較小。一旦基坑施工到坑底(H/He=1.0)，信號塔的變形與其所處的位置密切相關，表明深基坑開挖深度較大時，要充分考慮鄰近建筑物與基坑的相對位置。

當X/(L1+L2)增加時，即信號塔從基坑角點往基坑中部移動時，信號塔水平位移和沉降均快速增大，最終達到峰值。第1個位移峰值位于X/(L1+L2)=0.27處，信號塔的最大水平位移和沉降分別為43.2，4.2mm。X/(L1+L2)繼續增加時，信號塔從基坑中部往圍護結構拐點移動，信號塔變形快速降低。圍護結構拐點處信號塔位移與角點處基本一致，明顯小于圍護結構中部的信號塔變形。信號塔越過拐點后，出現第2個位移峰值，位于X/(L1+L2)= 0.72處，最大水平位移和沉降分別為15.1，1.2mm，明顯小于第1個位移峰值。這是因為二期基坑的長度L1遠大于一期基坑的長度L2。為了降低長條形基坑施工對鄰近信號塔的影響，應采用分區、分坑施工方法降低基坑開挖長度。

4.4 基坑-信號塔水平凈距影響

不同基坑-信號塔水平凈距下信號塔的水平位移和沉降如圖9所示。選取最不利的平面布置位置(X/(L1+L2)=0.27)，分析不同水平凈距下信號塔的三維變形特性。信號塔與基坑的水平凈距分別為0.5，2.5，5.5，7.5，9.8m。

圖9 不同水平凈距下信號塔位移曲線

當H/He=0.54時，信號塔位移隨著水平距離增加而出現逐漸降低的趨勢。當基坑施工到坑底(H/He=1.0)時，信號塔水平位移和沉降均呈現先增大后降低的趨勢。當基坑-信號塔的水平凈距為0.56He時，信號塔的水平位移達到峰值，為43.2mm。當基坑-信號塔的水平凈距為0.25He時，信號塔的沉降達到峰值，為7.6mm。基坑施工到坑底時，圍護結構向坑內鼓脹變形，如圖5所示；基坑施工的墻后土體沉降應為凹槽形，即先增大后降低，如圖6所示。信號塔為淺基礎結構物，其變形與地層變形一致。因此，隨著水平凈距增加，信號塔變形呈現先增大后降低的趨勢。

當基坑-信號塔的水平凈距達到1.0He(基坑最大開挖深度)時，信號塔的水平位移和沉降均接近0，表明深基坑施工引起鄰近信號塔變形的主要影響區域為1.0He。

4.5 圍護結構系統剛度

不同系統剛度下鄰近信號塔的水平位移和沉降如圖10所示。實際工程中，圍護結構形式多樣化，包括地下連續墻、鉆孔灌注樁、鋼板樁等。為了評估整個系統剛度范圍內鄰近信號塔的變形，圍護墻厚度分別為0.3，0.4，0.62，0.8，1.0m。當圍護墻厚度為0.3m時，其剛度與NSP III鋼板樁的抗彎剛度一致；圍護墻厚度為0.8，1.0m時，對應大剛度的地下連續墻。

圖10 不同支撐剛度下鄰近信號塔位移曲線

當開挖深度比值H/He=0.54時，基坑施工引起的信號塔水平位移和沉降均較小，但信號塔位移隨著支撐剛度的增加而逐步降低。當基坑開挖至坑底(H/He=1.0)，基坑支護結構采取鋼板樁圍護結構(墻厚0.3m)時，信號塔的最大水平位移和沉降分別高達190，19mm。若采用1.0m厚地下連續墻替代鋼板樁，鄰近信號塔的最大水平位移降低98%。1.0m厚地下連續墻將信號塔的最大水平位移限制在5mm內，信號塔的水平傾角僅為 1/10 000， 遠小于建筑物的極限傾角(1/500)。

海安火車站站房基坑工程圍護結構的等效厚度為0.62m(支撐剛度為155.3)，此圍護結構下信號塔的最大水平位移為43.2mm，僅為鋼板樁支護結構的22.7%，對應的水平傾角為1/1 157，依然小于建筑物的極限傾角(1/500)。海安火車站站房擴建基坑工程采用的圍護結構形式既能有效限制信號塔位移，確保鄰近信號塔安全，又能降低工程成本。

5 結語

基于現場監測和考慮土體小應變剛度特性的三維有限元仿真模擬，系統地研究了明挖隧道(基坑)開挖深度、信號塔-基坑平面相對位置、水平凈距和圍護結構剛度對淺基礎信號塔三維變形的影響規律，可以得出以下結論。

1)當基坑開挖深度比(H/He)從0.54增加至1.0時，鄰近信號塔水平位移和沉降的增幅分別為173.7%，383.3%。為了確保鄰近信號塔的安全性，要嚴格控制基坑開挖深度及其坑內土體開挖速率。

2)信號塔為50m的超高懸臂結構，基坑施工引起的信號塔水平位移明顯大于豎向位移。因此，基坑施工時要重點監測信號塔的水平位移。

3)深基坑圍護結構的角點和拐點存在明顯的三維約束效應，導致圍護結構角點、拐點處信號塔位移明顯小于基坑中部處信號塔位移。基坑開挖長度越大，信號塔的位移越大。因此，長條形基坑分區、分坑施工能有效降低信號塔變形。

4)信號塔位移隨基坑-信號塔水平凈距的增長呈現先增加后降低的趨勢。信號塔距基坑0.56He時水平位移達到最大，距基坑0.25He時沉降最大。

5)圍護結構剛度的增加能顯著降低基坑施工引起的鄰近信號塔位移。當基坑圍護結構從鋼板樁過渡為1m厚地下連續墻時，鄰近信號塔的水平位移降幅高達98%。海安火車站站房基坑工程的圍護結構很好地限制了信號塔塔頂位移，最大水平位移為43.2mm，產生的傾角(1/1 157)遠小于建筑物的極限傾角(1/500)。