長距離深大基坑開挖下臥隧道上浮控制措施研究

祁恒遠 葉躍鴻 吳熠文

(1.深圳市交通公用設施建設中心，廣東 深圳 518040； 2.浙江大學巖土工程研究所，浙江 杭州 310058； 3.湖南大學土木工程學院，湖南 長沙 410082)

0 引言

基坑開挖不可避免的會對周邊土體產生不同程度的擾動和破壞，由此產生地層位移和變形，而位于基坑開挖影響區的隧道則會受到相應的影響，在管片上產生附加應力，使隧道發生變形，嚴重的可導致隧道管片開裂破壞、漏水，威脅既有隧道的運營安全[1]。基坑與隧道相對位置對鄰近隧道變形存在影響。基坑下臥隧道變形以上浮變形為主[2]。因此研究基坑開挖期間隧道上浮的控制措施對實際施工有較好的指導作用。

為控制基坑開挖過程中鄰近既有地鐵隧道的變形，國內普遍采用數值模擬方法從地基加固、基坑分塊開挖、堆載以及抗拔樁等方面研究控制隧道變形的措施[2]。但現有研究多集中于鄰近基坑開挖下隧道變形控制措施的研究，長距離共線基坑開挖下臥隧道變形控制措施的研究較少。

本文以深圳南山區某城市道路快速化改造明挖基坑一期項目為背景，基于典型剖面和地層條件采用Plaxis 3D開展三維數值分析，研究了地基加固、隧道注漿對控制基坑下方隧道上浮變形的效果，可為控制長距離共線下臥地鐵隧道上浮變形的實際施工提供了一定的參考。

1 項目概況

1.1 明挖基坑

某道路兩側多為居民區、工業區，建筑物密集，且下臥深圳地鐵隧道主要位于基坑北側，共線段全長約3.09 km。明挖地下通道基坑一期項目共分為三個標段，其中東段閉合框架全長1 408.5 m，路塹U型槽全長147 m。起點為U槽段，采用標準U槽斷面。其采用雙孔、單孔和三孔矩形閉合框架結構。明挖基坑均采用圍護樁形式開挖。

1.2 場地地層條件

桂廟路快速化改造項目長度范圍內原始地貌為濱海灘涂地貌單元及海沖積平原，后經人工改造為現有現狀場地，其地勢平坦，兩側主要為居民區，商住樓等，建筑物密集，地表下淺部市政管線復雜。場地范圍內的分布普遍且與工程較為相關的地層如下：

人工填土層(①1素填土、①2填砂、①3填石)：呈松散～稍密狀，范圍內層厚為0.3 m～7.8 m不等。⑧礫質粘性土層層厚4.00 m～31.10 m，屬Ⅱ級普通土。⑨1全風化粗粒花崗巖層為Ⅲ級硬土。

地鐵隧道主要位于礫質粘土和全風化花崗巖中。場地地面標高普遍為4 m左右，場地地下水位多位于標高1 m～2 m處。隧道所處的地層主要為⑧礫質粘性土層和⑨1全風化粗粒花崗巖層。

2 三維有限元數值模擬

本文采用Plaxis 3D有限元軟件對項目進行三維數值模擬，考慮邊界條件的影響，模型高度取50 m,寬度取150 m。

2.1 建模剖面介紹

考慮剖面地層條件及基坑開挖后下臥隧道變形主要受隧道所處地層及下臥地層回彈變形影響，故建模時將地層簡化為上部27 m礫質粘土，下部23 m全風化花崗巖兩層。建模剖面基坑寬度46.6 m，圍護結構為φ1 000@1 200 mm鉆孔灌注樁，并由φ600 mm高壓旋噴樁咬合止水。基坑設三道支撐：第一道為800×1 000 mm鋼筋混凝土支撐，縱向間距7.2 m；第二道和第三道為16 mm厚φ609 mm鋼支撐，縱向間距3.6 m。地鐵隧道為錯縫拼裝盾構隧道，內外徑分別為6.0 m和6.7 m，拱頂埋深22.5 m。分析剖面具體概況如圖1所示。

2.2 模型參數確定

2.2.1土層參數

土體采用小應變硬化土(HSS)模型[3]，綜合室內試驗與現場測試獲得土層參數如表1所示。

2.2.2隧道、圍護及支撐參數

采用正交各向異性板模擬隧道襯砌的受力行為，橫向抗彎剛度有效率η取0.75[4]，縱向抗彎剛度有效率ηl取21%[5]。

圍護樁混凝土強度等級為C30，采用正交各向異性板模擬。考慮到施工缺陷對圍護樁豎向抗彎剛度折減20%。

基坑共有三道支撐：第一道為800 mm×1 000 mm鋼筋混凝土支撐，混凝土強度等級C30，縱向間距7.2 m；第二道和第三道為16 mm厚φ609 mm鋼支撐，縱向間距3.6 m。三維模擬中，支撐不考慮撓曲變形均采用錨桿單元模擬。

隧道、圍護樁及支撐的計算參數如表2所示。

表1 土層模型參數

表2 隧道、圍護樁及支撐計算參數

2.3 三維模型

結合實際工程條件，本文三維模型尺寸為150 m×150 m×50 m。模型縱向示意圖如圖2所示，兩側反壓段長度S0均取25 m，開挖段長度S1=100 m，開挖段第一道支撐以下分3層進行開挖。

為確保計算結果準確性，同時節省計算時間，三維模擬中網格劃分時對坑底及隧道周邊的網格進行適當加密，三維模型網格效果如圖3所示，模型單元數約15.8萬，節點數約22.1萬。

無措施方案主要模擬過程如下：1)生成初始應力場；2)激活隧道板單元并開挖隧道范圍內土體；3)重置位移為0，激活圍護樁板單元；4)冠梁以上放坡開挖；5)激活第一道支撐；6)開挖第一道支撐和第二道支撐之間的土體——開挖1；7)激活開挖范圍內的第二道支撐；8)開挖第二道支撐和第三道支撐之間的土體——開挖2；9)激活開挖范圍內的第三道支撐；10)開挖第三道支撐以下的土體——開挖3。開挖3模型示意如圖4所示。

為了對比不同方案的控制效果，各方案開挖范圍均與無措施方案保持一致，即每種方案開挖范圍均如圖4所示。

3 隧道上浮控制措施研究分析

3.1 無措施

無措施方案隧道上浮變形模擬結果如圖5所示，其結果表明，隧道上浮變形隨著基坑開挖逐漸發展，基坑開挖至坑底后隧道最大上浮變形約25 mm。此外，兩側反壓長度S0取25 m時，基坑開挖后兩側上浮變形基本為0，說明本文模型尺寸已滿足消除邊界效應影響的要求。

3.2 地基加固

本文對基底滿堂加固和隧道周邊“門式”加固兩種加固方式進行了對比分析。為避免鄰近施工對隧道造成不利影響，通常要求加固區與隧道結構的距離不得小于3 m。因此，圖6a)滿堂加固方案中，加固區底部距隧道結構頂部3 m；圖6b)“門式”加固方案中，隧道與加固區邊界最小距離為3 m，且“門式”加固區的范圍通過加固區寬度w和加固區下邊界與隧道拱底的豎向距離h確定。

加固區土體本構模型采用HSS模型，剛度指標參考黃宏偉等(2012)進行放大3倍[6]；強度指標則基于復合地基綜合強度法確定。

基于以上加固方案和加固參數開展三維模擬，相比無措施方案，加固方案模擬過程的區別只是在放坡開挖后、圍護樁內側土體開挖前進行地基土加固。

圖7給出了基底滿堂加固方案和“門式”加固方案對下臥隧道上浮變形控制的效果對比。采用“門式”加固，基坑開挖后隧道最大上浮變形約15 mm，相比無措施方案減小約40%；而采用基底滿堂加固，隧道最大上浮變形約24 mm，相比無措施方案減小約4%。數值模擬結果表明，“門式”加固方案效果較好，而基底滿堂加固方案效果不明顯。

4 結語

本文通過三維有限元數值模擬分析研究了地基加固方案對長距離共線深大基坑開挖過程中下臥隧道上浮變形的控制效果。主要結論如下：

綜合考慮隧道上浮控制效果和工程經濟性，相比基底滿堂加固，“門式”地基加固對控制基坑下方隧道上浮更為有利，“門式”

地基加固可使隧道上浮變形減小約40%，而基底滿堂加固僅使隧道上浮變形減小約4%。

[1] 汪小兵,賈 堅.深基坑開挖對既有地鐵隧道的影響分析及控制措施[J].城市軌道交通研究,2009,12(5):52-57.

[2] 陳仁朋,葉躍鴻,王誠杰,等.大型地下通道開挖對下臥地鐵隧道上浮影響研究[J].浙江大學學報(工學版),2017,51(7):69-77.

[3] BEN T.Small-strain stiffness of soils and its numerical consequences[D].University of Stuttgart,Germany,2007.

[4] 黃宏偉,徐 凌,嚴佳梁，等.盾構隧道橫向剛度有效率研究[J].巖土工程學報,2006,28(1):11-18.

[5] 余占奎,黃宏偉,婁 宇,等.軟土盾構隧道結構理論與模型試驗研究[J].特種結構,2006,23(2):11-18.

[6] 黃宏偉,黃 栩,HELMUT S F.基坑開挖對下臥運營盾構隧道影響的數值模擬研究[J].土木工程學報,2012,45(3):182-189.