岳云鵬,鄭先昌,劉曉玉,張龍?jiān)?劉繼強(qiáng)

(1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院,廣州 510006； 2.中鐵南方投資集團(tuán)有限公司,深圳 518052)

隨著我國(guó)近年來(lái)城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，地下空間開(kāi)發(fā)越來(lái)越多，地下城市軌道交通已成為城市發(fā)展的重要組成部分。隨之而來(lái)的是下臥既有地鐵隧道的建設(shè)安全問(wèn)題。隧道上方基坑開(kāi)挖卸荷會(huì)使原狀土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而引起隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及地鐵隧道的運(yùn)營(yíng)安全。為滿(mǎn)足基坑開(kāi)挖條件，施工時(shí)通常要進(jìn)行降水處理，然而基坑開(kāi)挖及降水都會(huì)引起隧道變形。針對(duì)基坑施工對(duì)地表及隧道變形的影響，有部分學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。陳仁朋等[1]總結(jié)了近年來(lái)基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵隧道的影響規(guī)律和控制措施；高盟等[2]應(yīng)用三維彈塑性模型，對(duì)鄰近運(yùn)營(yíng)隧道的基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析；鄭剛等[3-4]采用土體小應(yīng)變剛度的本構(gòu)模型，分析天津某鄰近既有隧道基坑開(kāi)挖過(guò)程及隧道變形規(guī)律，劃分了隧道變形的影響區(qū)域；張強(qiáng)等[5]對(duì)考慮注漿加固基坑開(kāi)挖引起的既有盾構(gòu)隧道上浮變形進(jìn)行影響性分析；陳曉丹等[6]通過(guò)分析巖溶地區(qū)近距離基坑施工對(duì)已建地鐵隧道變形影響因素，提出沉降發(fā)生后的搶險(xiǎn)措施和處理方案；一些學(xué)者[7-8]分析了砂卵石地層中基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道的影響，得出了隧道在砂卵石地層中內(nèi)徑收斂的趨勢(shì)；肖瀟等[9]針對(duì)隧道與基坑之間的連接墻進(jìn)行數(shù)值分析，探討了深基坑施工對(duì)明挖隧道的影響規(guī)律；卜康正等[10-11]基于Mindlin應(yīng)力解，推導(dǎo)得到在側(cè)摩阻力作用下復(fù)合地基的下臥地鐵隧道軸線(xiàn)上的附加荷載及位移計(jì)算公式；孟小偉[12]分析了坑內(nèi)加固及時(shí)空效應(yīng)對(duì)隧道變形的影響；章潤(rùn)紅等[13]利用HSS本構(gòu)模型，對(duì)基坑卸載作用下，地鐵結(jié)構(gòu)附加彎矩和位移的影響性進(jìn)行分析；聶浩等[14]對(duì)雙排樁支護(hù)施工時(shí)，盾構(gòu)隧道的變形影響進(jìn)行數(shù)值分析；楊帆等[15]通過(guò)數(shù)值模擬，對(duì)控制隧道變形的隔離柱進(jìn)行敏感性分析。

目前，考慮流固耦合作用下，基坑開(kāi)挖降水對(duì)下臥地鐵隧道的影響問(wèn)題研究相對(duì)較少。金曉飛等[16]對(duì)考慮滲流影響的基坑開(kāi)挖施工過(guò)程進(jìn)行分析；王春波等[17]總結(jié)了近年來(lái)基坑工程流固耦合理論的研究現(xiàn)狀；一些學(xué)者[18-19]基于比奧固結(jié)理論，對(duì)基坑開(kāi)挖及降水引起地面沉降進(jìn)行數(shù)值分析；章榮軍等[20]將基坑開(kāi)挖降水對(duì)鄰近樁基的影響規(guī)律利用考慮流固耦合作用的數(shù)值模擬方法進(jìn)行了探討；黃戡等[21-22]基于流固耦合理論，分析了基坑開(kāi)挖及降水的受力特性對(duì)鄰近地鐵隧道區(qū)間的影響；張治國(guó)等[23]對(duì)基坑降水及加固等施工措施對(duì)開(kāi)挖過(guò)程與隧道變形的影響規(guī)律進(jìn)行數(shù)值分析。

結(jié)合深圳前海地鐵保護(hù)區(qū)某基坑工程，分析基坑降水深度、降水速度等不同條件下基坑開(kāi)挖及降水施工對(duì)下臥地鐵隧道變形影響，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果能為基坑降水及開(kāi)挖時(shí)下臥地鐵隧道的運(yùn)營(yíng)安全提供參考。

1 工程概況及隧道監(jiān)測(cè)

1.1 工程概況

深圳前海區(qū)某地鐵保護(hù)區(qū)基坑工程基坑里程K0+080～K0+194，基坑開(kāi)挖范圍為113.8 m×51.5 m，最大開(kāi)挖深度約為13.4 m。其基坑工程與地鐵11號(hào)線(xiàn)空間分布平面關(guān)系如圖1所示，區(qū)間隧道下穿基坑，基坑坑底距隧道豎向距離約為5.3 m?；觾?nèi)部采用φ1 000 mm的鉆孔灌注樁進(jìn)行支護(hù)，坑外止水帷幕為φ600 mm的旋噴樁，基坑內(nèi)采用井點(diǎn)降水，降水至基坑底以下1 m處，開(kāi)挖方式為橫向放坡分層分塊開(kāi)挖的方法，按照由A至D的施工順序進(jìn)行跳挖施工。

圖1 地鐵保護(hù)區(qū)平面示意(單位：m)

1.2 隧道監(jiān)測(cè)

地鐵隧道雙線(xiàn)軸線(xiàn)間水平距離為18 m，襯砌內(nèi)外徑分別為5.7 m和6.3 m，環(huán)寬1.5 m，厚0.35 m，每環(huán)管片由3塊管片通過(guò)螺栓進(jìn)行連接，襯砌結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。雙線(xiàn)隧道自里程K0+080開(kāi)始進(jìn)入支護(hù)樁下側(cè)，按照《城市軌道交通工程檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》的要求，在基坑開(kāi)挖及降水期間，控制地鐵隧道的水平與豎向位移不大于25 mm。為了確?；釉陂_(kāi)挖及降水中隧道變形滿(mǎn)足控制要求，隧道兩側(cè)采用φ550@1 000 mm抗拔樁進(jìn)行圍護(hù)，并在基坑開(kāi)挖結(jié)束時(shí)在坑底施作抗浮板。在里程K0+60～K0+200，每隔10 m布置1個(gè)隧道監(jiān)測(cè)斷面，左、右線(xiàn)各布置15個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中拱腳和拱腰各2個(gè)，拱頂布置1個(gè)，監(jiān)測(cè)方案如圖1、圖2所示。

圖2 基坑典型斷面示意(單位：m)

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

利用MIDAS GTS NX軟件中的滲流分析模塊對(duì)模型進(jìn)行流固耦合分析，計(jì)算基坑開(kāi)挖降水及圍護(hù)結(jié)構(gòu)各個(gè)施工階段中隧道變形及襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化。本模型整體尺寸為160 m×210 m×43.6 m，基坑開(kāi)挖范圍為115 m×75 m×13.4 m。

土層在模型中自上而下分別為：填石、填土10.9 m，淤泥層2.7 m，黏土層6.1 m，砂質(zhì)黏性土層7.9 m，全風(fēng)化花崗巖層4 m，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層7.4 m，土層計(jì)算參數(shù)如表1所示。模型中支護(hù)排樁長(zhǎng)10.6 m，樁間坡面掛網(wǎng)噴射C20混凝土；抗拔樁長(zhǎng)20 m；隧道襯砌為長(zhǎng)20 m的C50混凝土管片，地下水位為-1.7 m。土層采用3D實(shí)體單元進(jìn)行模擬；利用2D板單元對(duì)隧道襯砌、抗浮板、掛網(wǎng)噴射混凝土進(jìn)行模擬；排樁、抗拔樁采用1D梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，各結(jié)構(gòu)單元計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表1 土層計(jì)算參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

止水帷幕利用等效剛度法模擬成地連墻，地連墻通過(guò)2D板單元模擬，在止水帷幕與土體間建立剛性連接的界面單元，設(shè)置強(qiáng)度折減系數(shù)為0.65，用以模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土的共同作用。通過(guò)修改單元模擬屬性，設(shè)置滲透系數(shù)為0 m/d的界面單元模擬止水帷幕截水性質(zhì)，以達(dá)到防水、止水效果。在模型底部設(shè)置約束及不透水層，四周設(shè)置水平約束及節(jié)點(diǎn)水頭模擬坑外初始水位，在模型上表面設(shè)置自由位移面，通過(guò)設(shè)置壓力水頭來(lái)模擬坑內(nèi)降水。

2.2 流固耦合理論

考慮水流連續(xù)性和土體位移平衡的三維比奧固結(jié)理論方程為

(1)

(2)

式中，G為剪切模量；μ為泊松比；wx、wy、wz為位移分量；u為孔隙水壓力；K為等效滲透系數(shù)。

將比奧固結(jié)方程以增量的形式表示

(3)

2.3 施工步驟模擬

本基坑采用分層降水、分層分塊開(kāi)挖的原則，按照“降水—開(kāi)挖—支護(hù)”的形式進(jìn)行，模擬施工步驟如表3所示。

表3 施工模擬步驟

2.4 模型及參數(shù)驗(yàn)證

基于以上參數(shù)及工況，對(duì)K0+120、K0+130、K0+140三個(gè)橫斷面隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)1豎向位移進(jìn)行模擬，基坑與隧道關(guān)系模型如圖3所示，施工工序11結(jié)束后左右線(xiàn)隧道豎向位移模擬值和實(shí)測(cè)值如圖4所示。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果較接近，土層參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)取值合理。

圖3 開(kāi)挖基坑與隧道關(guān)系示意

圖4 K0+120～K0+140橫斷面隧道豎向位移曲線(xiàn)

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 施工階段分析

基坑開(kāi)挖卸荷會(huì)使下臥地鐵隧道產(chǎn)生不良影響，有必要對(duì)不同工況下隧道變形進(jìn)行模擬分析。主要模擬對(duì)比工況降水深度在基坑底1 m的模型與不進(jìn)行基坑降水模型在基坑開(kāi)挖過(guò)程中隧道豎向位移情況，開(kāi)挖過(guò)程中右線(xiàn)隧道R07-1監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移如圖5所示。

圖5 不同工況下R07-1監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移

對(duì)比兩種工況下隧道豎向變形可發(fā)現(xiàn)，考慮降水工況下，地鐵隧道的位移變化有所不同。未考慮降水工況的本構(gòu)模型造成的坑外土附加變形要比基坑開(kāi)挖卸荷作用引起的土體變形大，使隧道產(chǎn)生了較大的隆起。本基坑工程若是不考慮基坑降水進(jìn)行計(jì)算，隧道最終豎向隆起值為33.65 mm，與實(shí)際結(jié)果產(chǎn)生了較大偏差。計(jì)算結(jié)果表明：在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，抗浮板與抗拔樁相結(jié)合的圍護(hù)結(jié)構(gòu)可使隧道的豎向位移滿(mǎn)足《城市軌道交通工程檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》對(duì)應(yīng)的控制要求，但在土體開(kāi)挖過(guò)程中，監(jiān)測(cè)到隧道豎向變形已多次達(dá)到預(yù)警值(20 mm)，在變形控制要求較為嚴(yán)格的工程中，需要采取一定的工程措施，保護(hù)隧道變形。

3.2 降水深度分析

基于Midas GTS NX中的完全應(yīng)力-滲流耦合分析模塊，對(duì)水位分別降至基坑底以下1，3，5，7，9，11 m進(jìn)行計(jì)算，隧道在施工工序11結(jié)束后基坑縱斷面上隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)1豎向位移如圖6所示。

由于基坑開(kāi)挖方式為從A到D分塊開(kāi)挖施工，每塊土體的開(kāi)挖施工都會(huì)引起隧道一定的位移量，在分塊開(kāi)挖效應(yīng)累計(jì)的作用下，最后一塊土體(即D塊)開(kāi)挖引起的位移增量最高，使得隧道最終呈“M”形曲線(xiàn)隆起，豎向位移最大處位于隧道中部的兩側(cè)位置。且由于基坑兩側(cè)土體(即A塊)受約束較大，中部土體受約束較小，使得開(kāi)挖結(jié)束后導(dǎo)致下臥隧道兩端豎向位移小于中部近20 mm。

對(duì)比不同降水方案下隧道結(jié)構(gòu)豎向位移曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，地鐵隧道在原方案降水開(kāi)挖的情況下，隧道數(shù)值模擬最高隆起值為26.5 mm，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果為22.9 mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。隨著降水深度的增加，基坑降水會(huì)使土體產(chǎn)生固結(jié)，使隧道產(chǎn)生較大沉降。從隧道豎向位移曲線(xiàn)可以看出，基坑降水至基坑底7 m以下后對(duì)隧道隆起的增加量較小，沉降量開(kāi)始上升，當(dāng)基坑降水至坑底11 m時(shí)，隧道隆起量較小，但隧道邊緣沉降量較大，左線(xiàn)最大值為18.05 mm，右線(xiàn)最大沉降值為17.86 mm，在現(xiàn)場(chǎng)施工中降水量應(yīng)引起重視。因此當(dāng)基坑在開(kāi)挖過(guò)程中，如果隧道豎向位移控制要求較嚴(yán)格，可適當(dāng)增加基坑降水的深度控制隧道隆起，基坑降水深度最佳宜設(shè)置在基坑底5 ～7 m。

圖6 不同降水方案隧道豎向位移曲線(xiàn)

本工程在降水深度為基坑底1 m時(shí)隧道水平方向的位移結(jié)果見(jiàn)圖7?；娱_(kāi)挖范圍內(nèi)隧道水平方向位移沿基坑中軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布，隧道左線(xiàn)水平方向最大位移為9.06 mm，隧道右線(xiàn)水平方向最大位移為9.24 mm。隧道左、右線(xiàn)水平方向位移最大值均在隧道縱向中部位置，且基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)隧道中部位移以豎向隆起為主，豎向位移整體大于水平位移。

在基坑施工過(guò)程中，隧道上方土體因開(kāi)挖卸荷會(huì)使原狀土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而使下臥隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力而產(chǎn)生變形。當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)變形過(guò)大時(shí)會(huì)產(chǎn)生裂縫、滲水等事故，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成隧道內(nèi)部基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生故障，甚至影響地鐵的運(yùn)營(yíng)安全。因此，基坑下臥隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形也應(yīng)得到重視，11號(hào)線(xiàn)在基坑開(kāi)挖完成時(shí)，K0+140橫斷面襯砌結(jié)構(gòu)變形趨于穩(wěn)定時(shí)的云圖如圖8所示(變形放大100倍)。

圖7 隧道區(qū)間水平方向位移

圖8 K0+140橫斷面襯砌結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定時(shí)云圖

地鐵區(qū)間襯砌結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)表現(xiàn)為地鐵隧道靠近基坑橫斷面中軸線(xiàn)方向側(cè)向變形，變形趨勢(shì)呈“水平向壓縮、豎向拉伸”的豎橢圓狀。隧道頂部及兩側(cè)腰部變形相對(duì)較大，且左線(xiàn)隧道變形穩(wěn)定值比右線(xiàn)隧道稍大，在基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)左線(xiàn)隧道最大變形值為26.40 mm，最小變形值為15.36 mm；右線(xiàn)隧道最大變形值為19.72m，最小變形值為15.00 mm。在基坑開(kāi)挖時(shí)建議采取分層分塊的方式進(jìn)行開(kāi)挖，減少對(duì)隧道的不利影響。

3.3 滲流速度分析

基坑底部抗浮板與止水帷幕完成施工后，滲流呈曲線(xiàn)流經(jīng)在抗浮板結(jié)構(gòu)周?chē)?。滲流速度云圖如圖9所示，滲流速度在不同平面內(nèi)的空間差異性較為明顯，xy方向，yz方向和xz方向基坑周?chē)鷿B流速度分別為0.000 3～0.65 m/d，0.001 4～0.64 m/d和0.001～0.53 m/d，基坑周?chē)偟臐B流速度為0.001 2～0.067 m/d。

3.4 降水速度分析

為了分析降水速度對(duì)隧道變形的影響，建立4種工況進(jìn)行分析，降水速度分別設(shè)置為0.25，0.5，1，2，3 m/d。降水速度對(duì)地鐵隧道與抗拔樁豎向變形的影響見(jiàn)圖10，降水速度對(duì)抗拔樁內(nèi)力的影響見(jiàn)圖11。

圖9 滲流速度云圖

圖10 降水速度對(duì)地鐵隧道與抗拔樁豎向變形的影響

圖11 降水速度對(duì)抗拔樁內(nèi)力的影響

由于隧道所在區(qū)間土層為弱透水層，在不同降水速度條件下，隧道豎向位移基本保持不變；抗拔樁在降水速度加快至0.5 m/d后，水平剪力由116 kN增至119 kN，彎矩由125 kN·m增至128 kN·m，豎向位移小幅度增大；在降水速度加快至1 m/d后，抗拔樁剪力、彎矩變化趨于穩(wěn)定，軸力由5 004 kN增長(zhǎng)至5 153 kN。因此降水速度應(yīng)該在現(xiàn)場(chǎng)施工中進(jìn)行控制，雖然在弱透水土層中，降水速度對(duì)隧道變形的影響較小，但降水過(guò)程中抗拔樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的增長(zhǎng)情況應(yīng)該引起重視。

3.5 完全應(yīng)力-滲流耦合分析

在MIDAS GTS NX施工階段分析中，應(yīng)力-滲流-邊坡分析是對(duì)施工過(guò)程中進(jìn)行流固耦合及邊坡穩(wěn)定性分析，完全應(yīng)力-滲流耦合分析是考慮非穩(wěn)定滲流的流固耦合分析。現(xiàn)分別進(jìn)行兩種耦合分析，降水深度為基坑底1 m時(shí)L10、R10監(jiān)測(cè)斷面隧道變形情況如圖12所示。

圖12 不同類(lèi)別耦合分析對(duì)比

在兩種耦合分析情況下，地鐵隧道的變形規(guī)律相似，隧道頂部的豎向位移最大(L10-1、R10-1測(cè)點(diǎn))，隧道靠近基坑側(cè)腰部水平位移最大(L10-5、R10-2測(cè)點(diǎn))。完全應(yīng)力-滲流耦合數(shù)值模擬的結(jié)果比應(yīng)力-滲流-邊坡耦合數(shù)值模擬的結(jié)果稍小，完全應(yīng)力-滲流耦合的分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果更接近。

4 結(jié)論

(1)降水深度對(duì)隧道豎向位移影響較大，隨著降水深度增加會(huì)對(duì)隧道隆起有抑制效果，但過(guò)大的降水深度會(huì)使隧道發(fā)生沉降。工程中如果豎向位移控制要求較嚴(yán)格，可適當(dāng)增加基坑降水的深度控制隧道隆起，基坑降水深度最佳宜設(shè)置在基坑底5 ～7 m。

(2)在分塊開(kāi)挖效應(yīng)下，隧道豎向呈“M”形曲線(xiàn)隆起，基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)隧道位移以豎向隆起為主，豎向位移整體大于水平位移。隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)表現(xiàn)為“水平向壓縮、豎向拉伸”的豎橢圓狀。在實(shí)際施工中建議以分層分塊的方式進(jìn)行開(kāi)挖，減少對(duì)隧道的不利影響。

(3)土體滲流在空間上存在差異；當(dāng)隧道所在區(qū)間土層為弱透水層時(shí)，基坑降水速度對(duì)隧道變形影響不大，但降水速度對(duì)隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響應(yīng)該引起重視。

(4)地鐵隧道在頂部豎向位移最大，靠近基坑側(cè)的腰部水平位移最大，考慮基坑降水的流固耦合分析模擬結(jié)果更接近實(shí)測(cè)結(jié)果。