浅覆土地铁盾构上方基坑开挖影响数值分析

沈霄云

(1.中国电建华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122 2.浙江省智慧轨道交通工程技术研究中心，浙江 杭州 311225)

1 引言

随着城市建设的高速发展，国内较多城市已有多条地铁运营通车，而随着周边地块开发活动的逐渐增多，近接地铁进行基坑开挖的工况频繁出现，尤其是在成型盾构隧道上方浅覆土开挖，施工风险更大，对盾构影响更严重。

赵俊等以南京地铁3号线地下空间开发为背景，重点分析基坑开挖宽度与隧道直径比和复合地层模量比变化对土体及隧道变形的影响[1]。刘天正以北京首条有轨电车西郊线上跨既有运营地铁10号线为工程背景，通过对监测数据分析得出基坑开挖过程中既有盾构的变形规律[2]。黄栩提出了一种基坑卸荷条件下的盾构隧道变形简化计算方法[3]。类似地，目前已有多个研究对既有盾构结构上方基坑开挖的变形影响分析开展研究[4-7]，但数值计算大多建立在Mohr-Coulomb本构模型理论框架下，数值计算的准确度不足。

为确保地铁成型隧道满足相关要求，设计施工一般会采取不同的加固措施，比如盾构上方设置门型水泥土加固。张亮针对杭州地区邻近地铁基坑变形展开研究，认为门型水泥土加固能有效控制隧道变形[8]。袁静等依托杭州火车东西站西广场工程提出了门式加固体的技术要求[9]。加固土为人工合成土，其参数的选取和原状土有诸多不同，如何确定加固形式、加固范围、加固强度等参数，是亟待解决的问题[10]。

本文主要是基于土体硬化模型，结合门型加固的参数选取和计算，对成型盾构隧道上方浅覆土基坑开挖进行三维计算，研究加固形式、加固范围、加固强度的合理性。

2 土体硬化模型

本次数值计算采用土体硬化模型[11]，采用数字计算软件MIDAS/GTS进行模拟。

图1 主应力空间中的土体硬化模型屈服面图

土体硬化模型（Hardening-Soil Model）作为目前比较先进的模型可以很好地模拟硬度不同的土体变形。当施加主应力时，土体的硬度减小，发生了塑性变形。

土体硬化模型中有多个刚度参数，E50ref、Eoedref以及 Eurref。E50ref表示某一参考应力下，土体强度降至破坏强度的50%时的割线模量，Eurref表示某一参考应力下土体卸载再加载模量，如图2；而Eoedref表示某一参考应力下，主固结加载切线模量，如图3。其中参考应力pref一般为100kPa。

图2 土体卸载再加载模量Eurref示意

图3 主固结加载切线模量Eoedref示意

本次研究主要是针对盾构上方土体卸载造成的隆起对结构的影响。土体硬化模型主要对盾构周边的地层进行模拟，尤其是卸载后的土体回弹。原状土硬化模型参数可根据《midas/gts用户手册》中进行选取，一般情况下可取E50ref=Eoedref，Eurref=3-5E50ref。另外，在地质勘查报告中一般会给出土体的压缩模量Es1-2，可以取 Es1-2=Eoedref。

加固土的压缩模量Es借鉴《建筑地基处理技术规范》中公式：

复合土层的压缩模量相当于天然地基压缩模量的ζ倍。

3 工程概况

下沉广场在地铁区间上方，隧道上方的基坑深度为5.25m，长度为60m，盾构顶距至地下室底板净距约为3m。

因地铁盾构先期已经完工，上部的基坑在已成型盾构隧道开挖。

图4 地铁与基坑平面图

图5 地铁与基坑剖面图

图6 加固横断面图

4 数值计算分析

4.1 数值计算模型

本计算中，区间隧道衬砌采用了由四点构成的板单元。如图7所示。

图7 板单元特性

模型尺寸为150m×170m×55m。穿越区域隧道考虑按150m，盾构采用标准外径6.2m，内径5.5m，壁厚0.35m。

网格划分如图8，隧道网格划分如图9。

加固采用三轴搅拌桩，为850@600，28天无侧限抗压强度为1.0MPa。根据公式（1）、（2）得出各个地层的土体硬化模型刚度。

4.2 数值计算结果

土层物理力学性质参数表 表1

土体硬化模型刚度参数表 表2

不采用门型搅拌桩加固措施的计算结果如图10、图11。

根据计算结果，69mm无法满足盾构保护的要求，采取搅拌桩门型加固采用门型加固措施后，结果如下：

根据计算结果，采用门型的搅拌桩加固后，竖向位移减少至12mm，满足规范要求。

5 后续监测成果对比

本项目于2013年完工。其中，监测内容及监测数量如下：坑外土体位移测斜孔13个，坑外地下水位观测孔34个，地表沉降观测点244个，管片沉降、收敛、水平位移观测218环，坑内利用管井水位观测点10个。隧道沉降、收敛报警值:累计变形8mm，连续3d的位移速率超过2mm/d。对隧道管片沉降、收敛、水平位移采用信息化法实时采集数据，根据实际施工监控，在三轴搅拌套打过程中，隧道管片最大累计位移为－6.7mm(下沉)，开挖施工完工后隧道管片最大累计位移为5.6mm(上浮)，隧道变形严格控制在要求的±10mm范围内。

从结果中不难看出，隧道变形同三维模拟计算的趋势较为接近，但是计算值相对偏大。实际开挖中，因施工单位采取了分层、分块、及时封底的方案，能有效减少盾构变形。

6 结语

通过采用土体硬化模型，结合混凝土规范的加固体计算，模拟加固后的土体结构单位，结合MIDAS-GTS整体模拟上方大型基坑开挖对成型地铁盾构进行分析，结论如下：

图8 MIDAS模型网格示意图

图9 MIDAS区间隧道与加固措施

图10 未采取措施的开挖竖向位移图

图11 未采取措施的隧道竖向位移图

图12 第一步开挖竖向位移图

图13 开挖至坑底竖向位移图

图14 开挖至坑底盾构隧道位移图

①模拟结果趋势基本符合实际基坑开挖的成果，但是施工过程中采取分层、分块、及时封底的方案，减少盾构变形。

②硬化模型相对于摩尔库伦模型，能有效反映土体的塑形特征，其难度在于如何准确的选取参数。本研究引入地基处理技术规范的加固体计算方法，结合硬化模型，能较好模拟地层中的加固土变形。

图15 盾构沉降实测值同计算值对比

③加固土的机理特征同原状土有诸多不同，尤其产生机理主要是以人为搅拌，形成各向异性的土体，常用原状土的理论确定参数存在一定误差。因此，今后应根据加固土的特性，形成相应的土体本构模型。

图16 盾构收敛实测值同计算值对比