郭院成，張博聞，孟 潮,2，靳軍偉，郜新軍

(1. 鄭州大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，河南鄭州 450001； 2. 華電重工股份有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450009)

0 引 言

近年來，由于地上建筑物、道路、鐵路、土方堆積及滑坡等超額附加荷載導(dǎo)致的隧道失穩(wěn)事故頻發(fā)，其中土方堆積是引發(fā)隧道事故的主要原因之一[1]；同時(shí)地表卸載所造成的土體回彈會(huì)導(dǎo)致隧道產(chǎn)生變形；若開挖引起的隧道結(jié)構(gòu)變形超過容許范圍，可能會(huì)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)受損。因此，揭示地面加載和土體卸載下隧道的變形機(jī)理，對(duì)確保隧道及周圍設(shè)施的安全至關(guān)重要。

目前，已有眾多學(xué)者通過理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究來評(píng)估土體加卸載對(duì)隧道的影響。李春良等[2]、黃栩等[3]、Wu等[4]、張治國(guó)等[5]從理論計(jì)算方面出發(fā)建立了考慮地面荷載變化影響的地鐵受力模型，并給出隧道變形和內(nèi)力的解析解；Liang等[6]通過修正Pasternak地基模型的模量得到了一種預(yù)測(cè)盾構(gòu)隧道鄰近開挖行為的變形計(jì)算方法； Cheng等[7]提出了一種用于分析側(cè)鄰深基坑開挖對(duì)隧道縱向和環(huán)向變形影響的簡(jiǎn)化方法，同時(shí)能預(yù)測(cè)開挖對(duì)隧道的破壞程度。室內(nèi)模型試驗(yàn)是研究大型巖土工程穩(wěn)定性的常用方法，其重復(fù)性和成本效益都優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，同時(shí)可以在試驗(yàn)過程中有效監(jiān)測(cè)變形和應(yīng)力，因此得到了廣泛應(yīng)用[8]。室內(nèi)試驗(yàn)可以研究影響隧道行為的最相關(guān)因素，并且測(cè)試結(jié)果可以為數(shù)值分析提供依據(jù)[9]；黃大維等[10]通過模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)上覆土層的力學(xué)性能對(duì)隧道變形有較大影響；梁發(fā)云等[11]結(jié)合實(shí)際工程，通過離心模型試驗(yàn)得到了隧道和地下連續(xù)墻在基坑開挖過程中的變形特性。數(shù)值模擬可以考慮到復(fù)雜的土體本構(gòu)關(guān)系和隧道開挖過程，因而被認(rèn)為是研究隧道變形機(jī)理的首選方法[12]。諸多學(xué)者采用數(shù)值分析的方法對(duì)隧道變形隨土體加載和卸載的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究[13-18]；陸培毅等[19]基于實(shí)際工程對(duì)比了在數(shù)值模擬中采用兩種不同本構(gòu)模型時(shí)結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)研究了堆載位置對(duì)隧道變形的影響；Cheng等[20]研究了鄭州東高鐵站東廣場(chǎng)在隧道兩側(cè)進(jìn)行基坑開挖的案例，分析了各施工階段對(duì)隧道隆起和變形的貢獻(xiàn)。

堆土加卸載和基坑開挖均會(huì)使隧道產(chǎn)生較大變形，二者疊加作用下影響更為顯著。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)鄰近既有隧道單一加載或者卸載情況進(jìn)行了廣泛研究，而對(duì)于堆土加卸載和基坑開挖疊加效應(yīng)對(duì)隧道變形影響研究較少。本文基于鄭州某地下空間綜合利用工程建立三維數(shù)值模型，通過與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證了模型的有效性，考慮隧道與堆土和基坑的空間位置關(guān)系，提出4種疊加模式，研究不同模式對(duì)隧道變形的影響。

1 數(shù)值分析建模方法

1.1 工程概況

某地下空間綜合利用工程位于鄭州東高鐵站東廣場(chǎng)，需在服役地鐵附近開挖基坑，由于服役地鐵隧道上方附近區(qū)域存在大量堆土，在基坑施工前需將堆土進(jìn)行卸載；堆土為兩層，長(zhǎng)183 m，寬174 m，首層高3 m，二層高11 m；隧道兩側(cè)基坑對(duì)稱開挖，且大小及深度保持一致，均為長(zhǎng)270 m，寬110 m，首層深6.5 m，二層深11 m，隧道與堆土和基坑的位置關(guān)系如圖1所示。

1.2 數(shù)值模擬計(jì)算模型

為準(zhǔn)確地研究地鐵隧道在堆土加卸載和基坑開挖卸載整個(gè)過程所引起的地鐵隧道變形，本文數(shù)值模擬中土體采用修正摩爾-庫(kù)侖模型。該模型采用三軸試驗(yàn)割線模量E50、主壓密試驗(yàn)切線模量Eoed、卸載再加載模量Eur來描述巖土強(qiáng)度。

在建立模型時(shí)對(duì)土體情況進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，假定每一土層在模型范圍內(nèi)均勻分布，參考工程地質(zhì)勘察報(bào)告將土體力學(xué)指標(biāo)相似的土層進(jìn)行合并，簡(jiǎn)化后土體參數(shù)如表1所示，該本構(gòu)模型的3個(gè)土體剛度參數(shù)取E50=Eoed=E0，Eur=3E50。

表1 土體參數(shù)Table 1 Parameters of soil

結(jié)合工程實(shí)際情況，本文基坑采用地連墻結(jié)合一道水平支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用臨時(shí)格構(gòu)柱作為水平支撐體系的豎向支撐構(gòu)件，假定地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形以及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形均在彈性范圍以內(nèi)，結(jié)構(gòu)單元材料參數(shù)取值和模型分別如表2和圖2所示。有限元計(jì)算模型如圖3所示。

表2 結(jié)構(gòu)單元材料參數(shù)取值Table 2 Parameter values of structural unit material

根據(jù)實(shí)際工程的各階段，有限元計(jì)算步驟如表3所示。

表3 分析步驟Table 3 Analysis steps

1.3 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

本文定義隧道發(fā)生位移時(shí)以向上和向右為正方 向。圖4為隧道豎向位移實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比，在堆土加載結(jié)束后左線隧道頂部豎向位移實(shí)測(cè)值與模擬最大值分別為-27.4 mm和-27.2 mm，兩者基本上相等；從基坑開挖前到基坑開挖至-2 m過程，左線隧道頂部豎向位移的實(shí)測(cè)值與模擬值差值較小，均在1 mm之內(nèi)。實(shí)測(cè)與模擬存在差值的原因可能是模擬中將現(xiàn)場(chǎng)堆土及地層情況進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理而導(dǎo)致的。因此本文所建立的模型可用來研究在堆土加卸載疊加與基坑開挖情況下隧道的變形情況。

2 堆土加卸載與基坑開挖疊加效應(yīng)分析

2.1 疊加模式分類

堆土和基坑開挖位于隧道不同空間位置時(shí)，隧道的變形情況會(huì)存在較大差異，如圖5所示。當(dāng)堆土和基坑開挖對(duì)隧道產(chǎn)生的變形模式相同時(shí)，隧道橫向變形可能顯著增加，從而超出隧道的控制標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)上述隧道與基坑和堆土的典型位置，本文將堆土加卸載與基坑開挖卸載的疊加分為4種模式，如圖6所示。

2.2 不同疊加模式作用效應(yīng)

本節(jié)重點(diǎn)分析4種疊加模式作用對(duì)隧道中心截面變形的影響，每種疊加作用模式均有4個(gè)施工階段：堆土加載、堆土卸載、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工和基坑開挖，具體施工工況模擬如表4所示。模型中堆土下表面的長(zhǎng)度設(shè)為130 m，寬度設(shè)為60 m，堆土坡度設(shè)為60°；基坑開挖長(zhǎng)130 m、寬60 m；隧道直徑為6 m，埋深為10 m；側(cè)方堆土和基坑邊緣與隧道邊緣的水平距離均為10 m；模型尺寸為長(zhǎng)250 m、寬180 m、深50 m。根據(jù)前人研究得知，正上方堆土加載對(duì)隧道變形影響較大，因此正上方堆土僅加載至6 m；土體及結(jié)構(gòu)單元參數(shù)依照表1取值。

表4 施工工況Table 4 Construction status

2.2.1 模式一

圖7為模式一下隧道各階段的位移變化曲線。從圖7可以看出：隧道的豎向位移隨堆土高度的增加而逐漸增大，由于是正上方堆土，水平向?yàn)槔熳冃?，加載后呈橫向的橢圓形狀；在堆土卸載階段，隧道4個(gè)控制端點(diǎn)的豎向和水平向位移逐漸減小，但即使堆土完全卸載后，隧道位移仍不能恢復(fù)至加載前的初始狀態(tài)，殘留豎向位移約為最大值的55%； 基坑開挖可進(jìn)一步減小隧道的變形，且基坑深度達(dá)到7 m時(shí)隧道位移基本歸零。同時(shí)由于隧道的收斂變形和伸長(zhǎng)變形最大值分別位于水平方向以及豎直方向，因此其變化趨勢(shì)與隧道豎向位移和水平向位移一致。

2.2.2 模式二

圖8為模式二下隧道各階段的位移變化曲線。對(duì)比模式一，因堆土位置一致，在堆土加卸載階段二者位移變化相同，但在基坑開挖結(jié)束后，該模式下隧道仍有較大的豎向變形，約17 mm，原因在于正上方加載對(duì)隧道豎向變形影響較大，而側(cè)方開挖對(duì)減小隧道豎向位移貢獻(xiàn)較小。同時(shí)，從圖8可以看出，堆土加卸載使隧道產(chǎn)生較大水平向拉伸變形，基坑開挖階段使隧道整體向左移動(dòng)，二者疊加后隧道左端點(diǎn)有較大水平位移，因此隧道水平位移在基坑開挖結(jié)束后不能恢復(fù)至初始狀態(tài)。

隧道收斂變形與伸長(zhǎng)變形最大值均出現(xiàn)在堆土加載后，分別為8 mm及7.3 mm；基坑開挖前期對(duì)隧道徑向位移影響相對(duì)較小，當(dāng)基坑開挖深度小于隧道埋深時(shí)，隧道徑向位移基本不發(fā)生改變，但在開挖深度超過隧道埋深后，隧道的徑向位移又開始向不利方向發(fā)展。

2.2.3 模式三

圖9為模式三下隧道各階段的位移變化曲線。從圖9可以看出：在側(cè)方堆土完全卸載后，隧道位移同樣不能恢復(fù)至初始狀態(tài)，殘留豎向位移約為最大值的62%。對(duì)比模式一、二可以發(fā)現(xiàn)，正上方堆土加卸載對(duì)隧道的豎向位移影響較大，是側(cè)向堆土加卸載的3倍～5倍。當(dāng)開挖深度較小時(shí)，隧道的豎向和水平向位移逐漸恢復(fù)，向初始狀態(tài)發(fā)展；隨著開挖的持續(xù)進(jìn)行，當(dāng)達(dá)到隧道埋深附近時(shí)，隧道豎向位移轉(zhuǎn)而開始快速增加；隧道各節(jié)點(diǎn)在基坑開挖階段始終發(fā)生朝向基坑方向的水平位移，其變化速率在達(dá)到隧道埋深附近時(shí)稍有增加；與模式二相同，隧道水平位移在基坑開挖卸載后達(dá)到最大值，認(rèn)為側(cè)向基坑開挖對(duì)隧道水平位移影響顯著。

在基坑開挖初期，隧道徑向位移隨開挖深度的增加逐漸減??；隨著開挖的持續(xù)進(jìn)行，當(dāng)達(dá)到隧道埋深附近時(shí)，隧道徑向位移轉(zhuǎn)而開始快速增加，這是由于隧道與基坑的位置關(guān)系從隧道位于基坑的斜下方變?yōu)闄M向側(cè)鄰；在基坑開挖結(jié)束后隧道收斂變形和伸長(zhǎng)變形達(dá)到最大值，分別為3.3、3.4 mm；由于側(cè)向加載對(duì)隧道的影響小于正上方加載，因而疊加后該模式隧道徑向位移小于模式二。在該模式下應(yīng)盡量避免基坑開挖深度大于隧道埋深，從而可以有效控制隧道的變形。

2.2.4 模式四

圖10為模式四下隧道各階段的位移變化曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，隧道豎向位移的變化趨勢(shì)在整個(gè)階段與模式三基本一致，但該模式下隧道的最終豎向位移較大；與模式三相比，隧道在施工結(jié)束后最終的水平位移增大約47.1%，主要原因是在堆土加卸載后隧道仍殘余有朝向基坑側(cè)的水平位移，該位移與基坑開挖對(duì)隧道的影響趨勢(shì)相同，因此二者疊加后使得隧道最終的水平位移顯著增加。

從圖10可以看出：基坑開挖階段隧道收斂變形的最大值基本呈線性增加，而伸長(zhǎng)變形最大值在前期增加緩慢，當(dāng)達(dá)到隧道埋深后開始快速增加；與模式三相比，在基坑開挖結(jié)束時(shí)其收斂變形最大值有所增加，而伸長(zhǎng)變形最大值有所減小。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)堆土加載后即使完全移除土體，隧道豎向位移和水平位移也不能恢復(fù)至初始狀態(tài)，且正上方堆土加卸載對(duì)隧道變形的影響遠(yuǎn)大于側(cè)方堆土加卸載。

(2)不同疊加模式下，隧道變形相差較大。對(duì)于需在隧道側(cè)向進(jìn)行基坑開挖的情況，預(yù)先在隧道正上方進(jìn)行堆土加卸載，隧道的最終豎向位移最大；預(yù)先在基坑同側(cè)進(jìn)行堆土加卸載，豎向位移最??；堆土加卸載位置對(duì)水平位移影響相對(duì)較小。

(3)堆土加卸載疊加側(cè)方基坑開挖時(shí)，基坑開挖深度對(duì)隧道變形的影響較大。在基坑開挖階段，隧道豎向位移隨開挖的進(jìn)行先減小后增大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)位于隧道埋深附近；當(dāng)開挖深度超過隧道埋深后，隧道變形均朝向更不利方向發(fā)展；在分析隧道變形時(shí)，應(yīng)充分考慮開挖深度帶來的影響。