开挖方式对下卧隧道变形影响的模型试验研究

2020-09-14张浩范建军黄醒春

中外公路 2020年4期

张浩，范建军，黄醒春

(1.中建海峡建设发展有限公司, 福建福州 350015; 2.福州大学土木工程学院； 3.常州市审计局; 4.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院)

1 前言

随着地铁在中国大规模的建设，邻近下方既有地铁隧道的基坑开挖工程日益增多，其基坑开挖导致的土体卸荷必然引起周围地层移动，致使隧道隆起并严重威胁地铁安全。因此，研究基坑开挖卸载对下方既有隧道的影响非常重要。

20世纪80年代以来，国内外研究者对隧道上部开挖卸载对周围土体及隧道的扰动影响等进行了大量的现场实测、数值模拟、室内试验等有工程实用价值和理论意义的研究。张玉成等采用数值方法分析了广州海珠广场基坑开挖卸荷对下方既有地铁隧道变形和应力的影响；徐凌等对地铁盾构隧道上方进行基坑开挖的工程实例进行了三维有限元数值分析并与现场实测数据比较；郑永来等采用数值模型对上海市轨道交通杨浦线淮海路车站北风井基坑工程考虑空间和时间效应的三维有限元分析，并通过与实际监测数据的对比分析，得出对具体施工的优化建议；陈晓燕利用三维数值计算方法，研究基坑开挖过程中下方盾构隧道的变形规律，并提出可采取的加固措施；魏少伟等采用三维有限元方法，对软土地区基坑开挖对坑底已建隧道的影响进行分析；李围等采用三维相似模型试验研究了在南京玄武湖公路隧道下新建地铁盾构隧道时两重叠隧道间的相互影响；方林等以西藏某复杂隧道工程为背景，开展了穿越断层隧道振动台模型试验研究；马险峰等利用离心模型试验对盾构隧道的地层损失进行了模拟，研究了地层损失与施工期及工后地表沉降的关系。还有很多学者也对这方面的工作进行了研究。

关于盾构隧道上部开挖卸载的工程实践日益增多，但相关位移特性及风险控制等研究相对较少，有关隧道上部基坑开挖卸载模型试验的研究更少。目前的研究局限于在某种具体开挖方式作用下，得到下卧隧道的变形特性，然后与数值模拟结果进行对比，得到基坑开挖对下卧隧道的影响，而如何通过优化开挖方式来减小对下卧隧道的影响方面的研究则较少。

实际上，由于土体卸载特性的复杂性，对上部开挖卸载引起的土体位移及既有盾构隧道变形的预测比较困难，而通过模型试验除了直接取得开挖方案的试验结果外，还可以获得采用不同开挖方式时，卸载位移随时间的变化关系。因此，基坑工程施工时其对下方既有地铁隧道的影响是施工过程中需要密切关注的问题。随着城市轨道交通以及地下空间的大规模建设开发，类似工程问题越来越多会遇到，而且亟需解决。该文依托上海四平路隧道项目，进行相似模型试验，试验方案主要包括分层开挖施工方案及台阶开挖施工方案，对上部土体的开挖扰动位移及下卧隧道的上浮特性进行监测和分析。

2 工程概况

上海轨道交通10号线国权路站～同济大学站上部叠交开挖工程，开挖区间里程为SK26+111.500～SK25+421.132 m，长690.4 m。整个区间线路基本为直线、线路平面曲线最小半径3 000 m。区间纵坡为V形坡，最大坡度为28‰，位于区间中间最低点设旁通道及泵站，采用冻结法加固，类矿山法施工。区间覆土最大17.62 m，最小10.144 m。隧道上方为下穿式立交，隧道与下立交叠交开挖长度约630 m，隧道与下立交最小净距约3.68 m。地铁与下穿立交相对位置及构筑物几何尺寸如图1所示。

图1 区间隧道与立交相对位置(单位：mm)

衬砌构造采用预制钢筋混凝土管片，通缝拼装；每环由6块管片组成，环宽1 200 mm，厚度350 mm；管片环向、纵向均采用M30直螺栓连接；管片设计强度为C55，隧道内径和外径分别为5 500、6 200 mm。盾构底部埋深为-13.11～-20.04 m，穿越地层以软黏土为主，穿越土层为灰色淤泥质黏土、灰色黏土以及灰色粉质黏土，主要土层的物理力学性质如表1所示。

3 模型试验

相似参数是原型与模型间相同物理量之比，模型试验所涉及到的基本相似参数如表2所示。

通过推导得到其余相似参数结果见表3。

3.1 试验装置及材料

将实际工程实例简化为如图2所示的模型，隧道横断面直径6.5 m，隧道间隔6 m。考虑隧道开挖横向影响距离为2倍隧道直径，模拟宽度取6.5+6.5+6+13×2=45 m。隧道实际埋深为25 m，考虑影响深度为2倍隧道直径，模拟深度取25+6.5×2=38 m，模拟轴向长度取80 m。结构原型尺寸确定为:45 m×80 m×38 m。

模型比例定为20∶1计算，模型箱几何尺寸为：4 m×2.25 m×1.9 m，连续墙几何尺寸为：4 m×0.04 m×1.2 m，基坑尺寸为：4 m×1 m×0.6 m，具体尺寸如图3所示。

模型箱采用角钢框架+钢化玻璃结构。

表1 土层的物理力学参数

表2 基本相似参数

表3 其余相似参数

图2 试验原型模型俯视简图(单位：mm)

连续墙、底板模拟材料为木板，连续墙模型的几何尺寸为4 m×1.2 m×0.04 m，分层开挖中底板模型的几何尺寸为4 m×1 m×0.02 m，分段开挖中底板模型的几何尺寸为0.4 m×1 m×0.02 m。木材重度为14 kN/m3，厚度为0.02 m，泊松比为0.25，弹性模量为4.0 GPa，满足试验要求。

图3 试验模型

钢支架用于模拟混凝土支撑横梁，采用可伸缩不锈钢管，支护间距为沿开挖方向每隔0.2 m，深度方向上每隔0.2 m设置一个支护点，共设立3道支撑，支撑直径3 cm。

盾构隧道模型采用高强度型号的PVC管模拟，外观尺寸30 cm，壁厚1.5 cm，弹性模量4 GPa。

监测系统主要包括位移传感器、位移测量杆和数据采集仪等。其中位移传感器采用YWC型应变式位移传感器，测量土体内部沉降及隧道表面变形，位移测量杆主要用于土体沉降位移的测量，数据采集仪采用DH3816静态应变测试系统，主要由数据采集箱、微型计算机及支持软件组成。

试验方案的传感器布置如图4所示。测量杆上滑板高度根据要求分为1.0(距离底板)、1.4和1.9 m(土体表面)3类，测量杆平面位置按照4行4列安装，另在其间根据剩余空间大小适当增加1～2根。位移传感器用于盾构隧道变形监测，安装于G1～G6位置。

图4 传感器的布置(单位：m)

3.2 试验土样制作

相似土体采用石膏、铁矿粉、原状土等材料按不同比例配制，经试验室内物理力学性质试验，选取与相似比最接近的材料配比制作试验用重塑土。经3组不同配比重塑土体试验结果比较分析，取石膏∶铁矿粉∶灰色砂质粉土=20∶10∶70的材料配比及含水量，含水量12%作为试验材料参数。模型试验用土由桩基开挖置换土(18 m3)+石膏(1 t)+铁矿砂(1 t)配制而成。得到的试验土重度为18 kN/m3，泊松比为0.20，弹性模量为原状土的1/20，约为5.2 MPa，黏聚力c为15.7 kPa，内摩擦角φ为24°。

3.3 模型试验方案

模型试验方案主要包括分层开挖及台阶开挖两种。两种开挖方式的试验方案如图5所示，分3层开挖，每层0.2 m。

(a) 分层开挖

开挖模拟的主要试验步骤及注意事项如表4所示。

表4 模型试验步骤

4 模型试验结果

4.1 测点沉降

沉降观测共设置了24个观测点，限于篇幅，该文选择监测点3、12、22所在的截面进行分析，这3个点距底板的距离分别为1.9、1.0和1.4 m。

图6为分层开挖条件下测点3、12、22的监测结果。

从图6可以看出：① 基坑开挖结束后，沉降依次为4.13、0.64、2.94 mm，说明沉降值随着深度的增加而减小；② 开挖过程中及开挖结束后，点3和点22处土体位移随时间增大，而点12监测到的数据则有些波动，可能是由于该点紧贴木板，受到基坑开挖卸荷作用的影响要比其余两点明显。

图6 分层开挖条件土体位移监测结果

图7为台阶开挖条件下测点3、12、22的监测结果，基坑开挖结束后，测得的沉降依次为1.67、-0.08、1.35 mm。

图7 台阶开挖条件土体位监测结果

从图7可以看出：监测点3、22在开挖过程中以及开挖结束后，土体位移都随着时间增加，而点12处土体位移则有所波动，说明该点受到卸载作用比较明显，这与分层开挖监测到的情况类似。

图8～11为分层开挖条件下测线6-4-3-1、5-23-2、7-24-22-21及测线16-10-12-15处的沉降曲线。从图8～10可以看出：地表沉降变形随着盾构上部基坑开挖卸载的增大而增大。最大沉降出现在表面监测点23处，为5.98 mm。距基坑轴线相同的土体沉降最大增量随埋深的增大而减小，同一埋深土体沉降最大增量随着距基坑轴线距离的增大而减小。同时测线16-10-12-15得到的数据显示，开挖结束后，沉降值大于开挖之前的现象，这可能是由于该处紧靠连续墙，受基坑开挖卸荷的作用比较明显。

图8 地表沉降(测线6-4-3-1)

图9 地表沉降(测线5-23-2)

图10 不同工况下土体内部沉降

图11 不同工况下土体内部沉降

台阶开挖条件下测线6-4-3-1，5-23-2，7-24-22-21及测线16-10-12-15沉降曲线分别如图12～15所示，图中ST表示台阶土体开挖前，STF表示台阶土体开挖后。

由图12～15可以看出：与分层开挖条件相似，开挖结束后，距基坑轴线相同的土体沉降最大增量随埋深的增大而减小，同一埋深土体沉降最大增量随着距基坑轴线距离的增大而减小。最大沉降值出现在点4处，为2.73 mm，明显小于分层开挖条件下得到的最大沉降值，这说明采用台阶开挖时对表面沉降的影响要小于分层开挖时对沉降的影响。