基坑开挖引起旁侧运营隧道三维变形特性研究

2022-02-12庞彪林萍丁楚史江伟

铁道建筑 2022年1期

庞彪林萍丁楚史江伟

1.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011；2.中交路桥检测养护有限公司，北京 101300；3.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210024

地铁隧道周边的基坑施工大都呈现出“深、大、近”的特点。紧邻地铁隧道的基坑施工诱发周围土体应力释放，引起隧道产生附加变形和应力。因此，确保基坑施工过程中邻近地铁隧道的运营安全非常重要。Winkler地基模型的两阶段理论分析法广泛用于分析基坑施工引起的邻近隧道变形［1-2］。通过在Winkler模型基础上增加弹簧参数，Pasternak［3］和Kerr［4］提出了优化的双参数Pasternak模型和三参数的Kerr模型。通过对比分析模型的预测结果，黄栩等［5］发现Kerr模型预测效果最好，Pasternak模型次之，Winkler模型最不理想。郑刚等［6］利用二维有限元数值分析，提出了基坑外侧隧道变形的影响区域。刘方梅［7］分析了弹塑性Mohr⁃Coulomb（MC）模型、硬化土（Hardening Soil，HS）模型和小应变硬化土（Hardening Soil Small⁃Strain，HSS）模型的预测效果，发现HSS模型预测结果与监测数据最为吻合。通过开展有限元数值分析，卫军等［8］研究了既有盾构隧道上方基坑群的优化开挖顺序。结合上海市临近隧道的基坑工程，况龙川、Liu等［9-10］发现基坑开挖将引起旁侧隧道断面出现“纵向压缩、横向拉伸”变形模式。

现有研究主要针对基坑施工对下卧隧道的影响，有限元数值计算大都忽略了基坑开挖的三维效应，且未考虑土体的小应变刚度特性。本文通过开展考虑土体小应变刚度特性的三维有限元数值模拟，研究不同隧道埋深以及隧道与基坑水平间距对隧道三维变形的影响规律，确定旁侧隧道变形的影响区域。

1 三维有限元仿真模拟

1.1 计算工况

文献［11］规定地铁隧道两侧3 m范围内不允许开展任何工程，且考虑地铁隧道覆土深度大多超过3 m，因此设置三维数值模拟工况（表1）时，隧道埋深与直径之比C/D取0.5～2.5（3～15 m），隧道与基坑水平间距与直径之比S/D取0.5～2.5（3～15 m），D为隧道直径。

表1 三维数值模拟工况

1.2 三维有限元模型

图1为三维有限元模型。基坑开挖长度为72 m，宽度为24 m，隧道埋深为6 m，隧道与基坑水平距离为12 m。He为基坑开挖深度。地下连续墙至模型四周边界的距离为48～50 m，符合基坑开挖对邻近既有隧道的影响范围（4He）的要求，坑底与模型底部边界的距离大于2倍基坑开挖深度（2He）。

图1 三维有限元模型

模型四周边界采用法向约束，底部采用固定约束，顶部为自由面。土体采用10节点的四面体单元模拟；地下连续墙和隧道采用板单元模拟。采用正负界面单元模拟地下连续墙与相邻土体之间的接触。

1.3 本构模型及土层参数

数值计算采用的土层参数见表2。选用考虑土体小应变刚度特性的HSS土体本构模型开展三维有限元数值模拟分析。土层的物理指标参考上海地铁1号、2号线工程的地质勘查资料［12-13］。上海软黏土的HSS模型参数参考文献［14-16］建议的取值方法。

表2 土层参数

深基坑工程往往要对坑底土体进行加固，确保邻近隧道的安全运营。三维数值模拟时，对坑底至地下连续墙端部范围内土体进行加固。基于文献［17-18］的试验结果，确定水泥加固土的HSS模型参数。隧道衬砌、地下连续墙、支撑等结构采用线弹性模型模拟。结构构件的相关参数见表3。

表3 结构构件相关参数

1.4 基坑施工模拟步骤

基坑施工模拟分10步：①初始平衡；②隧道开挖并激活衬砌；③激活地下连续墙；④降水并开挖第一层土体至-1.5 m；⑤施作第一道水平支撑；⑥降水并开挖第二层土体至-5.0 m；⑦施作第二道水平支撑；⑧降水并开挖第三层土体至-8.5 m；⑨施作第三道水平支撑；⑩降水并开挖第四层土体至-12.0 m。为确保数值模拟结果的准确性，基坑开挖模拟的施工步骤与实际工况一致。隧道位于基坑外侧，基坑施工时仅考虑坑内降水，坑外水位维持在地表以下1.0 m深度处。

2 隧道三维变形结果分析

2.1 隧道埋深的影响

如图2所示定义角度θ，0°对应拱顶处，90°对应左拱腰处，180°对应拱底处，270°对应右拱腰处。

图2 角度θ的定义

不同隧道埋深下基坑中心线处隧道横截面位移曲线见图3。其中，隧道竖向位移以沉降为正，水平位移以朝向基坑侧的位移为正。可知：不同隧道埋深下，隧道竖向位移均随着角度θ增大先增大后减小，在靠近基坑侧的拱腰处（θ=90°）最大，远离基坑侧的拱腰处（θ=270°）最小；隧道水平位移均随着角度θ增大先减小后增大，在隧道拱顶处（θ=0°）最大，拱底处（θ=180°）最小。这表明隧道埋深的变化并没有改变隧道横截面最大伸长和收敛的位置。因此，隧道竖向位移的分析点为靠基坑侧的拱腰，隧道水平位移分析点为隧道拱顶。

图3 隧道埋深对基坑中心线处的隧道横截面位移的影响

不同隧道埋深下基坑施工引起的旁侧隧道纵向变形曲线见图4。其中，P0为距基坑中心线距离与He的比值，PT为隧道竖向位移与He的比值，PS为隧道水平位移与He的比值。可知：不同隧道埋深下，隧道竖向位移和水平位移均沿基坑中心线呈对称分布，并随着距基坑中心线距离的增大而逐渐减小；C/D分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5时，隧道的最大竖向位移和最大水平位移始终位于基坑中心线处，对应的竖向位移分别为0.055%He、0.037%He、0.028%He、0.019%He、0.017%He，水平位移分别为0.061%He、0.055%He、0.050%He、0.043%He、0.040%He。

图4 不同隧道埋深比下基坑施工引起的隧道纵向变形

不同隧道埋深下旁侧隧道的最大位移曲线见图5。可知：当C/D从0.5增至2.5时，隧道的最大竖向和水平位移均随着隧道埋深增大而减小，降幅分别为69%和34%；当C/D从0.5变化至2.5时，隧道最大竖向和水平向位移分别为6.61 mm和7.34 mm。这表明，在当前给定的开挖尺寸和支护结构下，隧道最大竖向位移和最大水平位移均在规范所规定的允许范围［2］内。尽管基坑开挖引起的旁侧隧道的最大水平位移更大，但隧道的最大竖向位移的变化幅度更大。因此，与水平位移相比，隧道的竖向位移对隧道的埋深变化更为敏感。

图5 不同隧道埋深下旁侧隧道最大位移

2.2 隧道与基坑水平间距的影响

不同的隧道与基坑水平间距下基坑中心线处隧道横截面位移曲线见图6。可知：隧道横截面竖向位移与不同隧道埋深下隧道横截面变形特性一致，在靠近基坑侧的拱腰处（θ=90°）最大，远离基坑侧的拱腰处（θ=270°）最小；隧道横截面水平位移随着角度θ的增大先减小后增大，在拱顶处（θ=0°）最大，拱底处（θ=180°）最小。

图6 隧道-基坑水平间距对隧道横截面位移的影响

不同的隧道与基坑水平间距下旁侧隧道竖向和水平向位移曲线见图7。可知：旁侧隧道的竖向位移和水平位移均沿基坑中心线呈对称分布，并随距基坑中心线距离的增大而逐渐减小；当隧道与基坑水平间距S/D为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5时，旁侧隧道的最大竖向位移分别为0.044%He、0.037%He、0.031%He、0.027%He、0.024%He，而旁侧隧道的最大水平位移分别为0.059%He、0.055%He、0.051%He、0.048%He、0.047%He。

图7 隧道与基坑水平间距对旁侧隧道位移的影响

图8为隧道与基坑水平间距对旁侧隧道最大位移的影响。可知：当S/D从0.5增至2.5时，隧道的最大竖向位移和最大水平位移均随隧道与基坑水平间距增大而减小，降幅分别为46%和21%；当S/D从0.5增至2.5时，隧道最大竖向位移和水平向位移分别为5.23 mm和7.09 mm。尽管基坑开挖引起的旁侧隧道的最大水平位移更大，但是隧道的最大竖向位移的变化幅度更大。因此，相较于隧道的水平位移，隧道的竖向位移对隧道与基坑水平间距的变化更为敏感。