摘 要：在市政道路工程中，基坑開挖對鄰近隧道的力學性能有較大影響，因此，本研究針對軟土市政道路地基中現(xiàn)有隧道旁的開挖進行離心模型試驗。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)值模擬進一步研究隧道位置的影響。研究結果表明，基坑開挖會導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%。

關鍵詞：市政道路基坑；軟土地基；地鐵隧道

中圖分類號：U 45 " 文獻標志碼：A

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

隨著離心模型試驗在巖土工程中的發(fā)展，許多研究人員對基坑開挖進行了離心模型試驗。離心模型試驗是巖土工程中最先進、最有效的試驗方法，可以再現(xiàn)現(xiàn)場條件，尤其是應力場[2]。在干砂地基中，研究人員已經(jīng)通過多次離心模型試驗來研究開挖對現(xiàn)有隧道的影響。但飽和黏土中的隧道和地下連續(xù)墻的力學變化與干砂中隧道和地下連續(xù)墻的力學變化通常不同[5]。在目前的文獻中，相關的研究報道很少，尤其是對隧道與開挖之間相對位置的研究[3]。因此，本研究在軟土地基中進行離心模型試驗，評估市政道路基坑開挖對現(xiàn)有地鐵隧道、附近地面和地下連續(xù)墻的影響，進一步獲得隧道的變形和應力特征，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隧道和地下連續(xù)墻的影響。

1 離心模型試驗

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

1.1 測試材料

本次離心模型試驗采用砂質高嶺土作為地基土。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對飽和高嶺土地基進行自重固結。

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，將試驗中的離心加速度選取為75g。采用等效彈性模量法設計離心模型試驗中的地下連續(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)相當于直徑為0.609m的鋼支撐。地下連續(xù)墻的上部只設置了一層內支撐，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，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

在離心模型試驗中，監(jiān)測地下連續(xù)墻的內力和變形特征、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。應變片沿著地下連續(xù)墻的中間垂直粘貼。由于測試條件限制，因此應變片被配置成1/4橋電路。將兩臺激光位移計安裝在地下連續(xù)墻頂部，用于監(jiān)測地下連續(xù)墻頂部的水平位移。將6個激光位移計分別安裝在離地下連續(xù)墻0.5He、He和2He處，用來監(jiān)測地表沉降（He為基坑開挖深度）。須在模型箱的長邊安裝一臺數(shù)碼相機[7]，記錄整個試驗過程中基坑和隧道的變形和位移。環(huán)向應變的監(jiān)測點位于隧道縱向的中間。采用1/4橋接法沿隧道圓周每隔45°布置一個應變片。微型土壓力計位于隧道縱向中間1D處（D為隧道直徑），沿隧道圓周每隔90°布置一個微型土壓力計。

1.4 試驗方法

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行分層靜壓固結。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后，將隧道放置在適當?shù)奈恢谩Ｔ谏百|高嶺土軟土固結后，將地下連續(xù)墻和內支撐模型插入地基土中。離心機加速度升至75g，并保持穩(wěn)定10min，當離心機加速度保持穩(wěn)定時，可以獲得各傳感器的初始數(shù)據(jù)，在離心機加速度降至0g后，可以挖出深40mm的土壤。

2 結果與討論

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。基坑內側的彎矩記錄為正值。從圖中可以看出，兩側地下連續(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)墻兩端的兩側彎矩相對較小，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增加了45%。這些結果表明，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 隧道的箍筋應變和土壓力

表1和表2為基坑開挖過程中隧道周向應變的分布情況?？拷拥挠覀人淼赖淖畲髴兗s為左側隧道的1.3倍，這表明遠離基坑的左側隧道受基坑開挖的影響較小。遠離基坑的隧道的最大拉應變和最大壓應變分別出現(xiàn)在水平方向和垂直方向。由于隧道遠離地下連續(xù)墻，且地下連續(xù)墻呈現(xiàn)內凸變形，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。隧道的拉應變和壓應變隨著開挖深度增加而增加。隧道頂部的最大壓應變是隧道底部的1.2倍，隧道左右兩側的拉應變接近。

靠近基坑的右側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。隧道的最大拉應變方向從第一次和第二次開挖的135°～315°轉變?yōu)榈谌伍_挖的45°～225°，說明在基坑開挖過程中，土體主應力方向和大小的變化會導致基坑外的隧道向基坑中部產(chǎn)生應力?；娱_挖會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。這表明開挖卸載會使隧道兩側的土體阻力減少。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 構造模型和參數(shù)

考慮軟土非線性卸載和剪切硬化的特點以及小應變階段剪切模量隨應變衰減的規(guī)律，本研究選擇小應變剛度硬化土模型（HSS）作為構成模型。由于第三次開挖后會出現(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。在離心試驗后，分三次開挖基坑。基坑頂部僅設置一層內支撐，模型不排水，使用15個節(jié)點單元。

3.2 隧道位置的影響

圖2為隧道位置對地下連續(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%。雖然隧道會在一定程度上改變地基的力學特性，但對地下連續(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，當隧道埋深為5m時，隧道最大位移為開挖深度的0.058%，第二次開挖后，當隧道埋深為7m時，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，因此認為隧道受到地下連續(xù)墻變形的影響。隨著開挖的進行，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，應更多關注位于地下連續(xù)墻最大變形附近的隧道。

4 結論

在軟土基坑開挖的穩(wěn)定階段，左右兩側連續(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。兩側連續(xù)墻外表面沉降呈凹槽狀，基坑兩側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。遠離基坑的左側隧道在垂直方向上受到壓縮，在水平方向上受到拉伸，而靠近基坑的右側隧道的最大拉應變方向為45°～225°。

參考文獻

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