基坑開挖對鄰近盾構隧道豎井的影響研究現狀

魏新江， 馬靖昊， 汪海林， 魯梁梁

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

0 引言

隨著我國城市綜合管廊、軌道交通和地下空間的快速發展，基坑開挖對鄰近盾構隧道的穩定性分析與控制，成為了巖土工程界備受關注的焦點之一。大部分文獻［1］、［2］主要以引起旁側盾構隧道和下方盾構隧道進行研究。基坑開挖本身是一個卸荷的問題，使得鄰近的盾構隧道產生較大的附加應力和橫向變形，導致盾構隧道管片開裂、接縫間發生錯臺及轉動效應、以及滲水等嚴重危害盾構隧道的現象。位于鄰近盾構隧道的基坑在開挖的過程中，由于側壁和坑底的卸荷作用會通過土體傳遞給鄰近的盾構隧道，使得在盾構隧道結構上引起附加應力。基坑開挖在一定程度上也會導致坑內的土體回彈、圍護結構變形以及坑外的地平面發生沉降，因此研究基坑開挖對鄰近盾構隧道具有十分深遠地意義。目前基坑開挖對既有盾構隧道的影響，國內外很多學者已有大量的研究并取得了相當的成果，但是對于基坑開挖對盾構隧道豎井的研究還未見相應文獻記載如圖1所示。文中將對盾構隧道內垂直頂升法的頂升力和豎井下隧道特殊段結構受力進行歸納總結并將基坑開挖對鄰近盾構隧道的研究方法歸納為現場實測、理論分析、數值模擬以及模型試驗進行探討。

圖1 豎井與水平隧道關系

1 隧道內豎向頂升的研究現狀

現如今，豎向構筑物的開挖廣泛運用于城市綜合管廊的檢查井、排水隧道等。在開挖水工盾構隧道的過程中，常采用垂直頂升法、豎井法、豎向頂管法對盾構隧道的排水立管、檢查井、風井等進行施工，相較于傳統的沉箱鑿井法，具有操作簡單、不受季節的控制、對鄰近盾構隧道的影響較小且最大限度地發揮成本管控的優勢。文中將對豎向構筑物的頂升力以及豎井下特殊段結構受力進行探討。

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，如管節自身的重量、管壁的摩阻力、水壓力以及開挖面的土體壓力等影響，所以在開挖前，應計算頂升力的大小以確保豎向構筑物安全頂入土體。陳閩［3］通過數據得出實際頂升時的頂力與摩阻力基本符合，建立了頂升力與摩阻力的計算關系式。WANG L Z［4］認為目前還沒有較為成熟的頂力的計算公式，可以基于Meyerhof 對于深基坑的極限承載理論，可近似為反向打樁的計算求解，對其頂升力進行計算。董勝憲［5］根據朗肯土壓力理論以及施工經驗，認為頂升力可取為朗肯土壓系數，經驗系數一般取1.3～1.5，但是經驗系數具有人為主觀因素，誤差可過于保守。王壽生［6］通過兩種方法對其頂升力進行計算，按照土體的剪切破壞對頂升力進行計算，按照修正后的漢森極限承載力對其頂升力進行計算。通過對上述兩種方法的比較，得出運用漢森極限承載力公式計算的頂升力遠比利用土體承載力計算的頂升力要大。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土體進行開挖，公式使用不是較為準確。

綜上所述目前采用土體剪切破壞理論對頂升力的求解較為準確，但其由于剪切破壞線內土體的最上端的寬度大小較為難以確定，所以計算時仍存在一定的誤差，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構受力研究

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隧道的特殊襯砌環上，所以立管結構的受力主要分為施工階段和運營階段進行考慮。

（1） 施工階段的荷載形式：主要受到水壓力、土壓力以及千斤頂的頂升力。

（2） 運營階段的荷載形式：主要受到水壓力、土壓力以及水流的沖擊作用等。

根據江中孚［7］對于豎井與水平隧道開口區域的研，表明了在千斤頂剛開始頂進的過程中，封頂塊仍然與隧道襯砌環相連，兩側的水壓力以及土壓力變化不明顯，但隨著千斤頂的頂力不斷增加時，隧道結構逐漸由圓環變成了“豎鴨蛋”的形狀。

但是WANG L Z通過有限元得到盾構隧道管片實際上是一個被壓扁的橢圓，這與江中孚的結論完全相反，因此頂升過程隧道管片結構的受力情況值得深入研究。對于豎井立管和隧道襯砌環，閆子海［8］對豎井的時間階段劃分為以下3個階段，頂升開啟期、頂升上升期和頂升平穩期。孫廉威［9］對取排水隧道進行的監測得出，開口環的接頭變形大于鄰近標準環，在豎井施工階段，最大的沉降量位于開口環的頂部，豎井的影響范圍大致在開口區左右各1.5L的范圍內，可將整個區域劃分為開口區域、相鄰區域、頂升區域以及卸荷區域。

目前還沒有文獻提到基坑開挖對盾構隧道豎向構筑物的影響，但是基坑開挖對盾構隧道的影響研究，已有很豐富的成果，以下將基坑開挖對鄰近盾構水平隧道的影響研究歸納為現場實測、理論分析、數值模擬、模型試驗等幾個方面進行討論。

2 基坑開挖對盾構隧道影響的現場實測

由于基坑開挖是一個極其復雜的力學問題，易受時空、基坑降水、圍護結構的類型與圍護結構埋置深度等諸多因素對鄰近盾構隧道的影響，而現場的實測數據能夠更加真實地反映出鄰近隧道受力和變形的規律，因此對于現場的監測數據是研究鄰近隧道變形與受力特征最直接有效的措施之一，可為現場施工提供指導意見。

為保證盾構隧道的安全性和耐久性，有必要選擇合理的支護方式，減少工程安全風險。吳伯建等［10］通過樁撐和樁錨相結合的支護方式，采用如下兩種方案：對深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+預應力錨桿；同樣對深13.15m 的基坑采用單層鋼管支撐+深15.65m 的基坑采用預應力錨桿，兩種方案的區別在于在基坑四角是否設置鋼管角撐，結果表明方案，對于鄰近盾構隧道的控制變形明顯優于方案；且整體造價相對較低但存在施工工序復雜的缺點。曾詩媛［11］采用三排樁+被動區留土的支護方式，通過有限元得到此工藝對于盾構隧道產生的內力影響最小，其優勢在于采用被動區留土一定程度上能夠抵抗水平變形，增強土體對圍護結構的嵌固作用。汪良旗等［12］采用地下連續墻、混凝土內支撐以及鋼支撐對基坑深度17.55m進行支護，分析結果表明利用該支護方案能夠最大地保證盾構隧道的運營安全。胡海英等［13］對基坑開挖深度23.9m采用地下連續墻以及樓板作為支護體系的逆作法，結果表明由于地下連續墻的施工產生的擾動會作用于盾構隧道上，使得盾構隧道朝著背離基坑一側發生變形，當首層施工結束后由于采用豎向連續墻以及樓水平板作為正交支護體系的逆作法，有助于控制盾構隧道的變形。王立峰等［14］對基坑開挖深度14.2～16.4m 采用地下連續墻、內支撐以及三軸水泥攪拌樁對周圍土體進行加固并在地下連續墻和盾構隧道之間增加鉆孔灌注樁結果表明由于采用鉆孔灌注樁一定程度上阻隔了基坑開挖卸荷下土體附加應力的傳遞。馮龍飛等［15］對基坑開挖深度約22m 采用地下連續墻和內支撐，采用內撐式支護方式能夠更好地約束盾構隧道的水平位移。伍尚勇等［16］對基坑開挖深度約14.9m采用人工挖孔樁作為基坑的主要圍護結構并結合內支撐及樁錨組合支護，研究表明設置鎖腳錨桿體系，是樁腳受到的土壓力轉化為巖體的內力，提高圍護樁的穩定性，使得鄰近盾構隧道變形量在控制范圍內。

共同的研究表明：①當基坑開挖深度較大時，基坑支護通常采用地下連續墻、內支撐或者樁撐支護的形式，并對基坑和盾構隧道間的土體采用水泥攪拌樁對其進行加固。當基坑位于盾構隧道上方時，在盾構隧道兩側增加磚孔灌注樁一定程度上可有效阻隔卸荷下應力路徑的傳遞，較好的控制盾構隧道的變形；②對于開挖深度大于10m的深基坑，在基坑四角增設鋼支撐或者設置鎖腳錨桿，可控制盾構隧道的變形；③采用被動區留土的方式，能增強土體對圍護結構的嵌固作用。

3 基坑開挖對盾構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壁的卸荷效應以及基坑圍護結構的阻隔影響。通過周順華［17］在計算基坑引起盾構隧道的隧道應力作出了假定認為基坑側壁釋放的應力全部由支撐體系承擔即基坑側壁對土體沒有卸荷作用，但實際上側壁有相應的卸載作用，基坑側壁釋放的應力由部分支撐體系和部分側壁對土體的卸載作用共同承擔，如圖3 所示。張治國［18］認為側壁對土體的卸載作用力呈三角形分布的靜止土壓力K0γZ，但此法沒有考慮Mindlin解［19］的適用條件，僅適用于半無限空間體，只需計算鄰近盾構隧道基坑側壁的卸荷作用，如圖4 所示。姜兆華［20］在張治國的基礎上進一步進行改善，僅需考慮鄰近盾構隧道基坑側壁的卸荷作用，側壁采用靜止土壓力K0γZ 作為側壁卸荷量，但是此法過于保守，完全認為圍護結構作用下側壁的應力全部釋放，如圖5 所示。魏綱［21］針對上述不足之處，引入了應力損失率β，側壁采用K0βγZ 作為側壁卸荷量，如圖6 所示。但實際現場上應力損失率的取值較為困難，僅能通過數值模擬和理論分析的方法進行相應的取值。目前考慮兩階段分析法大部分學者僅僅算至基坑底面處，而實際上，即使有圍護結構的遮攔作用，基坑底面以下的一段區域內也會受到卸荷作用的影響，需要進行相應的理論計算，如圖7所示。

圖3 僅考慮坑底卸荷量

圖4 考慮坑底和所有側壁卸荷量

圖5 考慮坑底和鄰近側壁卸荷量

圖6 考慮鄰近側壁的應力釋放系數

圖7 坑底卸荷模型

4 基坑開挖對盾構隧道影響的數值模擬

4.1 本構關系的選擇

在數值模擬方法中，選擇不同的本構模型，土體間非線性特征的表現是截然不同的。所以本構模型的選擇及參數的確定十分重要。如表1所示。從表1［22-24］可以清晰的看出大部分文獻中研究對象為復合土，目前最常見的本構模型為Mohr-Coulomb 和線彈性模型，但其計算結果往往過于保守，計算誤差較大。陳仁朋引入了硬化土體模型，其優點在于能夠反映土體間硬化的規律及應力路徑，但其無法反映土體間小應變的非線性狀態，在Mohr-Coulomb、線彈性以及硬化土體模型基礎上鄭剛、王燦［25，26］引入了小應變硬化模型，其能精確模擬出圍護結構水平位移，為控制鄰近盾構隧道的變形提供了理論支撐，但是由于小應變硬化模型對于工程的運用較為復雜，張浩［27］提出了小應變非線性彈性模型，其能描述不同應力路徑小應變剛度的衰減以及大應變間的應力、應變以及剪脹性的關系。Benz［28］提出了Overlay模型，該模型參數過于簡單且對于土體的小應變剛度的計算過于保守，導致計算值偏大。

表1 數值模擬本構模型選擇

5 基坑開挖對盾構隧道影響的模型試驗

在巖土工程界，模型試驗能對現場工況具有一個較高的還原度，主要室內試驗有常重力縮尺模型試驗、離心模型試驗以及管片加載試驗等見表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邊方向平行，目前盾構隧道縱向與基坑長邊方向斜交的工況較少；②且模擬的土質比較單一，大部分以細砂為主，目前實際工況大部分以復合地層為主；③隧道的材質多為鋁管、塑料管、橡膠管、有機玻璃；④盾構隧道的形狀較多采用圓形，對于異性盾構隧道目前研究較少；⑥模型箱尺寸大多數設計為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，原因在于離心模型試驗相較于常重力模型試驗成本較高。

表2 模型試驗信息

6 結語

（1） 文中對于隧道襯砌環的結構設計進行了相應的總結，究竟其管片是“豎鴨蛋”變形還是“扁平的橢圓”變形還有待進一步研究。

（2） 目前針對施工工況影響的研究，主要集中于支護方式研究且文中對相應的支護方式進行了總結，對于基坑開挖所采取的降水方式對鄰近盾構隧道的影響文獻較少。

（3） 文中對考慮兩階段分析法進行了總結，從原有的僅考慮坑底卸荷量模型到考慮所有側壁和坑底的卸荷量模型再到僅考慮鄰近側壁和坑底的卸荷量模型最后引入了應力釋放系數，但是目前應力釋放系數的確定，有待進一步的討論。

（4） 文中針對本構模型的選擇進行了相應的總結，大部分文獻主要以Mohr-Coulomb 和線彈性為主，目前提出了HSS、HS、IGS、Overlay等模型。

（5） 目前大部分文獻都是針對基于基坑開挖對水平盾構隧道的影響研究，但是對于基坑開挖對盾構隧道豎向構筑物的研究相對較少。

（6） 文中總結了模型試驗中所采用的的隧道的形狀、土層性質、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為單一的河砂或者福建標準砂，模型箱的尺寸集中于為1m×1m×1m，大部分試驗以常重力縮尺試驗為主。