道路基坑開挖對(duì)相鄰地鐵隧道的影響研究

摘 要：在市政道路工程中，基坑開挖對(duì)鄰近隧道的力學(xué)性能有較大影響，因此，本研究針對(duì)軟土市政道路地基中現(xiàn)有隧道旁的開挖進(jìn)行離心模型試驗(yàn)。主要研究地下連續(xù)墻的彎矩、隧道變形等參數(shù)變化，并通過數(shù)值模擬進(jìn)一步研究隧道位置的影響。研究結(jié)果表明，基坑開挖會(huì)導(dǎo)致相鄰隧道向基坑方向產(chǎn)生位移和拉伸變形。隨著隧道與基坑之間距離縮短，位移和變形也隨之增加。第一次開挖后，地下連續(xù)墻的最大變形量約為開挖深度的0.11%，而第二次開挖后的地下連續(xù)墻的最大變形量約為開挖深度的0.08%。

關(guān)鍵詞：市政道路基坑；軟土地基；地鐵隧道

中圖分類號(hào)：U 45 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著城市市政道路建設(shè)的快速發(fā)展，基坑開挖往往靠近已有的地鐵隧道。在沿海軟土中，開挖基坑會(huì)導(dǎo)致土體卸荷，且受應(yīng)力場(chǎng)變化和土體位移影響，可能會(huì)對(duì)相鄰的既有地鐵隧道形成附加應(yīng)力和變形[1]。

隨著離心模型試驗(yàn)在巖土工程中的發(fā)展，許多研究人員對(duì)基坑開挖進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)。離心模型試驗(yàn)是巖土工程中最先進(jìn)、最有效的試驗(yàn)方法，可以再現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)條件，尤其是應(yīng)力場(chǎng)[2]。在干砂地基中，研究人員已經(jīng)通過多次離心模型試驗(yàn)來研究開挖對(duì)現(xiàn)有隧道的影響。但飽和黏土中的隧道和地下連續(xù)墻的力學(xué)變化與干砂中隧道和地下連續(xù)墻的力學(xué)變化通常不同[5]。在目前的文獻(xiàn)中，相關(guān)的研究報(bào)道很少，尤其是對(duì)隧道與開挖之間相對(duì)位置的研究[3]。因此，本研究在軟土地基中進(jìn)行離心模型試驗(yàn)，評(píng)估市政道路基坑開挖對(duì)現(xiàn)有地鐵隧道、附近地面和地下連續(xù)墻的影響，進(jìn)一步獲得隧道的變形和應(yīng)力特征，研究地下連續(xù)墻的變形和彎矩等變化規(guī)律，揭示軟土開挖對(duì)不同位置地鐵隧道的影響。通過數(shù)值分析研究地鐵隧道空間位置對(duì)隧道和地下連續(xù)墻的影響。

1 離心模型試驗(yàn)

本次試驗(yàn)使用的土工離心機(jī)的有效載荷為1.5t，最大旋轉(zhuǎn)半徑為5.03m，最大加速度為300g，有效載荷能力為450t。模型試驗(yàn)箱的尺寸為1.32m× 0.62m×0.8m。

1.1 測(cè)試材料

本次離心模型試驗(yàn)采用砂質(zhì)高嶺土作為地基土。在土基制備過程中，將高嶺土粉末與1.5倍液限水在攪拌器中混合成泥[4]，然后利用離心模型試驗(yàn)對(duì)飽和高嶺土地基進(jìn)行自重固結(jié)。

1.2 離心模型

考慮到模型箱尺寸、隧道尺寸、基坑寬度、開挖深度以及軟土地基開挖的影響范圍，將試驗(yàn)中的離心加速度選取為75g。采用等效彈性模量法設(shè)計(jì)離心模型試驗(yàn)中的地下連續(xù)墻和隧道。由鋁板制成的連續(xù)墻等于厚800mm的混凝土連續(xù)墻，其彈性模量為70GPa[5]。根據(jù)等效抗壓剛度原理，由鋁條制成的水平支撐系統(tǒng)相當(dāng)于直徑為0.609m的鋼支撐。地下連續(xù)墻的上部只設(shè)置了一層內(nèi)支撐，模擬基坑開挖情況。根據(jù)等效彈性模量，由鋁管制成的隧道相當(dāng)于彈性模量為35GPa的鋼筋混凝土襯砌隧道。模型隧道的外徑為80mm（隧道原型為6m），厚度為3.0mm（原型為0.225m）。

挖掘深度為120mm（原型為9m），地下連續(xù)墻高210mm（原型為15.75m），因此最終挖掘深度以下的貫入深度為90mm（原型為6.75m）。隧道位于基坑兩側(cè)，分別距離地下連續(xù)墻80mm和120mm（原型為9m和12m）。地基土深度為300mm（原型為22.5m）[6]。

1.3 傳感器布置

在離心模型試驗(yàn)中，監(jiān)測(cè)地下連續(xù)墻的內(nèi)力和變形特征、基坑外的地表沉降以及基坑開挖過程中隧道的力和變形特征。應(yīng)變片沿著地下連續(xù)墻的中間垂直粘貼。由于測(cè)試條件限制，因此應(yīng)變片被配置成1/4橋電路。將兩臺(tái)激光位移計(jì)安裝在地下連續(xù)墻頂部，用于監(jiān)測(cè)地下連續(xù)墻頂部的水平位移。將6個(gè)激光位移計(jì)分別安裝在離地下連續(xù)墻0.5He、He和2He處，用來監(jiān)測(cè)地表沉降（He為基坑開挖深度）。須在模型箱的長邊安裝一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)[7]，記錄整個(gè)試驗(yàn)過程中基坑和隧道的變形和位移。環(huán)向應(yīng)變的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于隧道縱向的中間。采用1/4橋接法沿隧道圓周每隔45°布置一個(gè)應(yīng)變片。微型土壓力計(jì)位于隧道縱向中間1D處（D為隧道直徑），沿隧道圓周每隔90°布置一個(gè)微型土壓力計(jì)。

1.4 試驗(yàn)方法

用高嶺土與1.5倍液限水混合制成泥漿，然后倒入模型箱中進(jìn)行分層靜壓固結(jié)。為了使隧道和土體的位移變化更加清晰，需要將高嶺土與泥漿一起分層澆筑。在土壤分層澆筑并固結(jié)后，將隧道放置在適當(dāng)?shù)奈恢?。在砂質(zhì)高嶺土軟土固結(jié)后，將地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐模型插入地基土中。離心機(jī)加速度升至75g，并保持穩(wěn)定10min，當(dāng)離心機(jī)加速度保持穩(wěn)定時(shí)，可以獲得各傳感器的初始數(shù)據(jù)，在離心機(jī)加速度降至0g后，可以挖出深40mm的土壤。

2 結(jié)果與討論

2.1 地下連續(xù)墻彎矩變化

圖1為不同開挖步驟下地下連續(xù)墻沿深度方向的彎矩，He為基坑最大挖掘深度?；觾?nèi)側(cè)的彎矩記錄為正值。從圖中可以看出，兩側(cè)地下連續(xù)墻的彎矩隨著開挖深度增加而逐漸增加。第一次和第二次開挖后，左右兩側(cè)地下連續(xù)墻的彎矩相近。地下連續(xù)墻向基坑方向呈凸形變形。地下連續(xù)墻兩端的兩側(cè)彎矩相對(duì)較小，地下連續(xù)墻的最大彎矩在0.7倍的開挖深度位置。第三次開挖后，遠(yuǎn)離隧道的地下連續(xù)墻的彎矩形式發(fā)生了變化，最大彎矩位于地下連續(xù)墻底部，最大彎矩是前一次開挖的1.55倍。距離隧道較遠(yuǎn)的地下連續(xù)墻幾乎遭到破壞，靠近隧道的地下連續(xù)墻的彎矩仍呈凸形，最大彎矩比前一次開挖時(shí)增加了45%。這些結(jié)果表明，土體和地下連續(xù)墻的變形受到現(xiàn)有隧道的限制作用。

2.2 隧道的箍筋應(yīng)變和土壓力

表1和表2為基坑開挖過程中隧道周向應(yīng)變的分布情況。靠近基坑的右側(cè)隧道的最大應(yīng)變約為左側(cè)隧道的1.3倍，這表明遠(yuǎn)離基坑的左側(cè)隧道受基坑開挖的影響較小。遠(yuǎn)離基坑的隧道的最大拉應(yīng)變和最大壓應(yīng)變分別出現(xiàn)在水平方向和垂直方向。由于隧道遠(yuǎn)離地下連續(xù)墻，且地下連續(xù)墻呈現(xiàn)內(nèi)凸變形，因此隧道主要受到土體水平位移的影響。隧道受到垂直方向壓縮和水平方向拉伸作用。隧道的拉應(yīng)變和壓應(yīng)變隨著開挖深度增加而增加。隧道頂部的最大壓應(yīng)變是隧道底部的1.2倍，隧道左右兩側(cè)的拉應(yīng)變接近。

靠近基坑的右側(cè)隧道在垂直方向上仍然受到壓縮，而在水平方向上則受到拉伸。該隧道靠近地下連續(xù)墻，因此受開挖卸載影響較大。隧道的最大拉應(yīng)變方向從第一次和第二次開挖的135°～315°轉(zhuǎn)變?yōu)榈谌伍_挖的45°～225°，說明在基坑開挖過程中，土體主應(yīng)力方向和大小的變化會(huì)導(dǎo)致基坑外的隧道向基坑中部產(chǎn)生應(yīng)力?；娱_挖會(huì)引起相鄰隧道向基坑方向的位移和拉伸變形。隨著隧道與基坑之間距離縮短，位移和變形也隨之增加，且在開挖過程中，隧道底部的土壓力略有變化，而左右兩側(cè)的土壓力則隨著開挖深度增加而逐漸減少。這表明開挖卸載會(huì)使隧道兩側(cè)的土體阻力減少。因此，隧道在垂直方向上被壓縮，在水平方向上則被拉伸。

3 數(shù)值模擬

3.1 構(gòu)造模型和參數(shù)

考慮軟土非線性卸載和剪切硬化的特點(diǎn)以及小應(yīng)變階段剪切模量隨應(yīng)變衰減的規(guī)律，本研究選擇小應(yīng)變剛度硬化土模型（HSS）作為構(gòu)成模型。由于第三次開挖后會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，因此只模擬基坑的第一次開挖和第二次開挖?；訉?2m，深9m。在離心試驗(yàn)后，分三次開挖基坑?；禹敳績H設(shè)置一層內(nèi)支撐，模型不排水，使用15個(gè)節(jié)點(diǎn)單元。

3.2 隧道位置的影響

圖2為隧道位置對(duì)地下連續(xù)墻最大變形的影響。地下連續(xù)墻的最大變形已歸一化，H為每個(gè)階段的開挖深度。隨著隧道埋深增加，地下連續(xù)墻的最大變形略有增加，然后趨于穩(wěn)定。隧道的水平位置對(duì)地下連續(xù)墻的最大變形影響不大。第一次開挖后的地下連續(xù)墻的最大變形量約為開挖深度的0.11%，而第二次開挖后的地下連續(xù)墻的最大變形量約為開挖深度的0.08%。雖然隧道會(huì)在一定程度上改變地基的力學(xué)特性，但對(duì)地下連續(xù)墻的影響很小。

圖3為隧道的水平位置和埋深對(duì)隧道最大位移的影響。隧道最大位移已歸一化。隨著隧道與地下連續(xù)墻之間距離增加，開挖卸荷的影響逐漸減少。隧道的歸一化位移隨隧道與地下連續(xù)墻之間距離增加而線性減少，但與開挖深度關(guān)系不大。隨著隧道埋深增加，隧道位移先增加后減少。第一次開挖后，當(dāng)隧道埋深為5m時(shí)，隧道最大位移為開挖深度的0.058%，第二次開挖后，當(dāng)隧道埋深為7m時(shí)，隧道最大位移為開挖深度的0.05%。由于隧道與地下連續(xù)墻之間的距離較近，因此認(rèn)為隧道受到地下連續(xù)墻變形的影響。隨著開挖的進(jìn)行，位移最大的隧道深度逐漸向下，這與地下連續(xù)墻變形最大的位置基本一致。因此，在施工過程中，應(yīng)更多關(guān)注位于地下連續(xù)墻最大變形附近的隧道。

4 結(jié)論

在軟土基坑開挖的穩(wěn)定階段，左右兩側(cè)連續(xù)墻的彎矩和水平位移相互接近，連續(xù)墻向基坑方向呈凸形變形。兩側(cè)連續(xù)墻外表面沉降呈凹槽狀，基坑兩側(cè)的最大沉降在距離連續(xù)墻約0.5倍開挖深度位置。

第三次開挖后，基坑失穩(wěn)，剪力帶幾乎與隧道相切。遠(yuǎn)離隧道的地下連續(xù)墻的最大彎矩位于地下連續(xù)墻的底部，明顯大于靠近隧道的地下連續(xù)墻。遠(yuǎn)離基坑的左側(cè)隧道在垂直方向上受到壓縮，在水平方向上受到拉伸，而靠近基坑的右側(cè)隧道的最大拉應(yīng)變方向?yàn)?5°～225°。

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