基坑開(kāi)挖對(duì)已有隧道的影響研究方法和應(yīng)用

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院 湖北 武漢 430074)

一、研究目的和意義：

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，作為城市基礎(chǔ)建設(shè)的重要組成部分，城市地下空間的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用越來(lái)越被一線大城市所認(rèn)可，隨著越來(lái)越多的盾構(gòu)區(qū)間隧道開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，城市地下各種可能發(fā)生互相擾動(dòng)的工程越來(lái)越多，其中，一個(gè)較為廣泛存在的問(wèn)題是基坑開(kāi)挖對(duì)于已有隧道的擾動(dòng)，由于隧道是城市的重要公共財(cái)產(chǎn)，隧道的安全也關(guān)乎著每一個(gè)城市居民的生命安全，國(guó)家也對(duì)隧道可以產(chǎn)生的位移擬定了控制標(biāo)準(zhǔn)。所以基坑開(kāi)挖對(duì)于已有隧道的影響顯得尤為重要，它們的相互作用機(jī)理也被被各國(guó)學(xué)者通過(guò)不同方法進(jìn)行了研究。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對(duì)既有隧道上方基坑開(kāi)挖，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)值模擬、理論分析等方面進(jìn)行了大量分析研究。

(一)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)

姚燕明[1]利用分層回彈總和法，結(jié)合寧波軌道交通兩個(gè)案例，基于殘余應(yīng)力法原理，計(jì)算了下臥隧道管線處的經(jīng)驗(yàn)變形。

戴博紅等[2]采用半經(jīng)驗(yàn)、半理論的方法，利用擋土墻變形的形狀和大小來(lái)當(dāng)做側(cè)壁土體損失。在此基礎(chǔ)上，得到側(cè)壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻后任意一點(diǎn)的水平位移和垂直位移。

李志高[3]等人通過(guò)對(duì)東方路下立交工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，考慮時(shí)空效應(yīng)影響，采用公式s=4x^2/S來(lái)估算考慮基坑開(kāi)挖時(shí)間和寬度因素下隧道隆起變形的最大值。

魏綱[4]結(jié)合國(guó)內(nèi)外14個(gè)基坑的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納，用理論分析的方法得到了隧道的長(zhǎng)度、寬度、深度等各影響因子對(duì)隧道隆起變形的影響。

(二)模型試驗(yàn)

姜兆華[5]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了與現(xiàn)有隧道開(kāi)挖相關(guān)的土壓力，彎矩和內(nèi)徑的工作機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，提出了解決隧道水平和垂直方向內(nèi)力和變形的具體方法。

劍橋大學(xué)Vorster等[6]和Marshall[7]、Mair[8]通過(guò)離心試驗(yàn)，分析了險(xiǎn)道開(kāi)挖對(duì)現(xiàn)有管道的影響規(guī)律。在試驗(yàn)中，排出相同數(shù)量的水來(lái)模擬隧道開(kāi)挖引起的土體損失，并將管道埋深和地層損失率考慮進(jìn)來(lái)，得到了管道在附加載荷下的變形規(guī)律。

鄭剛等[9]通過(guò)離心試驗(yàn)，考慮了隧道與基坑的相對(duì)空間位置以及隧道相對(duì)于土體的剛度，研究了基坑開(kāi)挖對(duì)下伏隧道影響的機(jī)理。

(三)數(shù)值模擬

吳懷娜[10]等人利用有限元方法結(jié)合一維固結(jié)理論和三維滲流理論，分析了隧道上方基坑降水對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)基坑降水將導(dǎo)致隧道沉降，同時(shí)降水深度和隧道沉降呈線性正相關(guān)。

高廣運(yùn)[11]基于上海某鄰近地鐵隧道的基坑工程，運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)基坑施工進(jìn)行全過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬，指出基坑底部加固體可以在基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)產(chǎn)生的應(yīng)力及位移傳遞具有阻斷作用。因此，通過(guò)基坑底部地下連續(xù)墻的土體加固和主結(jié)構(gòu)的逆筑施工可以有效地控制相鄰隧道的變形。

(四)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

邵華、王蓉[12]基于上海地鐵1號(hào)線深基坑的工程，考慮時(shí)空效應(yīng)原理，根據(jù)基坑與隧道的相對(duì)位置關(guān)系，將土方分為兩部分：隧道側(cè)面和非隧道側(cè)，通過(guò)先挖掘非地鐵側(cè)再挖地鐵測(cè)，有效地控制間隔隧道的變形時(shí)間，最后達(dá)到控制隧道變形的目的。

蔣洪勝、侯學(xué)淵[13]通過(guò)隧道的收斂測(cè)量結(jié)果和節(jié)點(diǎn)的開(kāi)放值測(cè)量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)鄰近基坑的隧道由于自身剛度的存在將對(duì)開(kāi)挖引起的位移場(chǎng)有一定的抵消作用。這種效果同時(shí)還使得隧道本身的橫向變形進(jìn)一步擴(kuò)大。

(五)理論分析

隧道沉降的理論分析方法已經(jīng)較為成熟，目前提出的理論解析方法主要有兩種：殘余應(yīng)力法和兩階段分析方法。

1.殘余應(yīng)力法

劉國(guó)斌[14]最早引入殘余應(yīng)力系數(shù)的概念：殘余應(yīng)力系數(shù)是指殘余應(yīng)力與總卸荷應(yīng)力的比值，它是一個(gè)介于0到1之間的數(shù)值，殘余應(yīng)力對(duì)土體的影響有一個(gè)深度限制，我們認(rèn)為超過(guò)一定范圍后，殘余應(yīng)力將不會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生影響。

工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，基坑開(kāi)挖深度、上覆土層厚度以及土的物理力學(xué)性質(zhì)與α值有著密不可分的聯(lián)系。對(duì)于特定的開(kāi)挖深度，α值隨著上覆土層的厚度H的增大逐漸增大，到某一深度以后，其值無(wú)限趨近于1.0,認(rèn)為在這個(gè)深度之下的土體中不留有殘余應(yīng)力，處于初始應(yīng)力狀態(tài)。為便于研究，用殘余應(yīng)力影響深度表示≤0.95對(duì)應(yīng)的覆土厚度。這里我們對(duì)這一計(jì)算過(guò)程作簡(jiǎn)要說(shuō)明。

(1)根據(jù)上海地區(qū)大量的基坑工程實(shí)測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)有如下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系存在：

式中：H為基坑的開(kāi)挖深度(m)

α=1(hrh)

(2)土層的卸載應(yīng)力

土層i所受的卸載應(yīng)力平均值為σi(Kpa),利用初始時(shí)總卸荷應(yīng)力減去該土層的殘余應(yīng)力求出。

σi=(1-αi)σ0

其中，

σ0=γ*H為坑內(nèi)開(kāi)挖土體的自重應(yīng)力

hi為土層i頂面到基坑底部的深度

(3)土的卸載模量

因?yàn)榧虞d和卸載的應(yīng)力路徑不相同，土體卸載模量

其中，

φ為有效內(nèi)摩擦角

C為粘聚力

K0為靜止土壓力系數(shù)

σm為平均固結(jié)應(yīng)力

(4)隧道隆起值

得到卸載應(yīng)力和卸載模量后，利用類似分層總和法的方法算出有效范圍內(nèi)涂層的隆起值，疊加后即為隧道的隆起值ψ

其中，di為土層的厚度

(5)進(jìn)行寬度修正

從大量的工程實(shí)例監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，基坑的寬度對(duì)于已有隧道的隆起值影響非常大，隧道的隆起值和基坑的寬度往往呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，由于在上面的式子中沒(méi)有考慮出來(lái)寬度對(duì)于隧道隆起的影響，因此在這里我們需要對(duì)最終隆起值最寬度修正。從大量的工程監(jiān)測(cè)中，發(fā)現(xiàn)需要對(duì)最終隆起值施加一個(gè)寬度修正系數(shù)，而它的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下：

αA=0.717H/B+0.512

2.兩階段分析法：

(1)基坑側(cè)壁卸荷分析

基坑開(kāi)挖到坑底，坑壁四周應(yīng)力釋放，相當(dāng)于在鄰近坑壁施加指向坑內(nèi)的三角形分布荷載，如圖1.1所示，為方便分析，我們只分析離隧道較近一側(cè)的基坑側(cè)邊的卸荷影響，由Mindlin解得，軸線上一點(diǎn)(x,l0,z0)的水平附加應(yīng)力：

其中，

(2)坑底卸荷分析

基坑開(kāi)挖完成后，坑底的土體應(yīng)力釋放，計(jì)算等效為向上的矩形均布荷載，大小為由于基坑底部以下存在圍護(hù)結(jié)構(gòu)，計(jì)算公式如下：

其中，

在這個(gè)式子中，ν為泊松比，Γ為圍護(hù)結(jié)構(gòu)底面對(duì)應(yīng)的積分區(qū)域，式中，積分可以通過(guò)五節(jié)點(diǎn)高斯勒讓德(Gauss-Legendre)數(shù)值積分方法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過(guò)程如下：

系數(shù)w=[0.2369/0.4786/0.5688/0.4786/0.2369]

節(jié)點(diǎn)t=[-0.9061/-0.5385/0/0.5385/0.9061]

其他幾個(gè)積分項(xiàng)也可以通過(guò)這個(gè)方法求得。

通過(guò)以上計(jì)算，可以得到基坑卸荷開(kāi)挖對(duì)隧道產(chǎn)生的水平和豎向荷載，進(jìn)一步通過(guò)荷載位移關(guān)系得到變形。

圖1 基坑卸荷對(duì)隧道影響的力學(xué)模型(分別為左視圖和俯視圖)

三、應(yīng)用分析

基坑開(kāi)挖對(duì)已有隧道的影響研究對(duì)于城市工程有非常重要的實(shí)際應(yīng)用，這些應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面：

1.探究基坑開(kāi)挖施工全過(guò)程對(duì)既有地鐵隧道的變形影響規(guī)律，對(duì)于隧道的變形過(guò)程有經(jīng)驗(yàn)推算；

2.預(yù)測(cè)地鐵隧道的變形位移、軸力和彎矩，采取有效的工程措施對(duì)基坑進(jìn)行加固和既有地鐵隧道的保護(hù)，防止發(fā)生基坑和隧道事故，造成重大財(cái)產(chǎn)損失；

3.對(duì)實(shí)際工程中地鐵隧道的變形與保護(hù)提供有效的解決方案。