上覆地层开挖卸荷对既有隧道影响规律模型试验研究

张有桔，沈洪波，谭诗宏，曹广勇，彭世龙

（1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽建筑大学建筑结构与地下工程安徽省重点实验室，安徽 合肥 230000；3.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088）

1 引言

在基坑开挖卸荷施工的研究中，常常采用相似模型来缩小实际工程，并根据相似准则来研究相应的问题。在基坑开挖卸荷施工过程中，开挖方式、开挖深度、支护体系等施工参数会对既有隧道产生较大的影响。在现有的基坑开挖卸荷施工的研究中大多采用理论分析、数值模拟和少许的实物试验。由于体积的庞大性、受力的复杂性限制了实物试验的可能性，所以常常使用室内模型试验模拟实际施工现场，通过控制关键的影响参数来研究规律特性，保证试验结果的准确性。

为研究基坑开挖对既有隧道的影响，许多学者通过理论分析、模型试验、数值模拟对其进行了研究[1-4]。魏焕卫等[5]采用室内模型试验及PLAXIS 3D 有限元软件相结合的方法，探究了基坑开挖卸载作用下隧道的内力、位移及土压力变化规律和埋入式隔离桩体系对于既有隧道产生的影响，发现隔离桩系统的长度、上方和下方的埋置深度对基坑具有良好的保护作用；陈仁朋等[6]通过相似比尺为1：120 的离心模型试验，研究了软土地层基坑开挖对侧洞产生的影响，得到了不排水抗剪强度、孔隙水压力、水平土压力、地表沉降、隧道沉降和基坑开挖引起的弯矩等结果；R B Peck[1]首次提出了地表侧向沉降槽的定义，并由此引出地表侧向沉降槽沉降套筒作为正态分布的基本规律，在假设条件下求出地表侧向沉降变形值经验计算公式——Peck 沉降计算公式；Yu Changyi等[7]认为深基坑的开挖会对既有相邻地铁结构产生负面影响，这是受地铁结构、基坑深度、开挖施工过程等一系列因素的影响；孙小力等[11]为进一步探讨地铁基坑开挖过程中支护结构及周围土体的变形机理，对苏州某地铁车站开挖工程布置监测点，结果表明地表沉降随开挖量的增加而增加，最大沉降量在0.014% ～0.326%H。通过文献[8-10]得到了关于基坑开挖卸荷与模型试验之间的关系。

基于前人研究结果，本文以合肥市怀宁路天鹅湖段隧道上穿合肥地铁3 号线基坑开挖工程为背景，采用相似模型试验研究方法，搭建上覆地层开挖卸荷对既有隧道影响规律相似模型试验系统，探究不同开挖卸荷方式、防基坑隆起措施和基坑支护形式时上覆基坑开挖卸荷过程中隧道应力、位移和围土压力变化规律，并与现场实测数据进行对比分析，获得基坑开挖卸荷条件下既有隧道的变形特性和演化规律。

2 工程概况

本项目隧道下穿天鹅湖，南岸基坑设计终点至岸边主要位于规划怀宁路线位内，原场地为绿地，地下基本无干扰施工的管线。合肥地铁3 号线祁门路站～大剧院站车区间处于天鹅湖路下方，本文中基坑开挖位置垂直上跨该区间，最小净距约7.50m，需重点保护。怀宁路下穿隧道基坑工程起止里程K0+265～K0+950，总长度685.00m，基坑最大深度约13.30m，基坑宽度标准段约30.40～36.85m。

图1 项目位置图

图2 施工平面图

图3 基坑与隧道空间关系图

3 室内模型试验设计

3.1 基坑和隧道位置关系

本试验模型箱外部框架尺寸为800mm×800mm×1000mm，四周框架采用角钢焊接，并用钢化玻璃作为维护结构，钢材与玻璃之间可靠、密闭连接；支护结构对基坑周围土体进行维护，防止土体坍塌。

模型框架为长方体框架，框架采用钢制材料，前后挡板为钢化玻璃，左右挡板为钢材。钢化玻璃嵌入钢框架内，可靠连接。模型框架和挡板采用型钢制成，钢化玻璃为6.00mm+0.76mm+6.00mm 夹胶钢化玻璃。模拟地层自下而上依次包括中风化泥质砂岩、强风化泥质砂岩、粉质黏土和填筑土。根据相似准则分层填筑、压实。模型支护材料采用PVC 管模拟，尺寸及埋入深入如图4 所示，盾构隧道采用UPVC 管模拟，两端固定，防止实验过程误操作产生位移。

图4 基坑与隧道位置关系图

选择相似材料不仅要考虑试验的可操作性，还要使相似材料满足选定的相似比尺。因此通过简化模型试验的结构来提高上覆地层开挖模型室内的可行性。本章中根据相似指数来确定本试验中其它物理参数的相似常数。本文中的上覆地层开挖模型试验中的相似常数见表1。

表1 模型试验的相似常数

通常将基坑开挖与边界的距离设计成约为顶管直径的3 倍来消除模型试验的边界效应，并且不考虑土壤侧压力系数对模型试验的影响。

3.2 信号监测系统

数据监测系统包括若干土压力盒，土压力盒均布置在所述模拟地层内，土压力盒均与所述数据采集器通讯连接。数据监测系统包括土压力盒、应变片和拉绳式位移计，土压力盒分布在所监测截面一周共计12 个。应变片距离监测截面上下各4cm 处，环向布置，监测截面从隧道拱顶开始每隔22.5°渐次布设应变片，共有16 个。拉绳式位移计布置在模型隧道监测截面横向、纵向各一个，分别监测隧道的横向和竖向位移。所述位移计均与所述数据采集器通讯连接，所述位移计的量程为100～2500mm；输出信号有电阻、电压、电流、脉冲输出等多种类型，测量精度在0.15%之内。具体连接方式如图5-图7所示。

图5 位移计和土压力盒布置图

图6 应变片布置图

图7 模型试验监测系统图

3.3 试验步骤

3.3.1 确定相似比

在试验开始之前，根据模型箱体的尺寸及基坑开挖边界影响效应的范围，采用方程分析法和量纲分析法推导出上覆地层开挖卸荷对既有隧道影响试验的相似比尺，本试验尺寸相似比为1/80，时间相似比为8.94。

3.3.2 选择模型架

选择并安装模型架，模型架的规格根据实际尺寸及几何相似比确定，长×宽×高 为800mm×800mm×1000mm的钢制模型箱，本次试验中，所述模型框架为长方体框架，框架采用钢制材料，前后挡板为钢化玻璃，左右挡板为钢板。钢化玻璃嵌入钢框架内与框架可靠连接。

3.3.3 模型材料配置

根据相似准则和实际地质条件配制模拟地层、支护结构的相似材料，在模型架内由下至上依次铺设强风化砂岩的相似材料、粉质黏土的相似材料和填筑土的相似材料，分层填铺、压实直至到达设计高度。

3.3.4 监测系统布置

在铺设相似材料和支护结构的同时铺设位移计、应变片和土压力盒，竖向光纤、横向光纤、应变片、位移计和土压力盒均为监测元件，所有监测元件的引线经传感器出线孔引出并与数据采集器连接，试验过程中各监测元件实时获取相应监测数据。

3.3.5 基坑开挖

本次试验共有三种开挖方式，目的是为了研究不同的开挖方式对既有隧道产生的影响规律，从而选择最优的开挖方式。按照分区分层的开挖原则，共分为六个区域，按四层分层开挖，先支护、后开挖。

如表2 所示，基坑Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ开挖采取分区分层、先支护再开挖的开挖方式，先开挖南段敞口第一部分基坑Ⅰ，再开挖隧道上方区域基坑Ⅱ-Ⅴ，隧道上方基坑分为四个区域开挖，最后开挖北段第六部分基坑Ⅵ。

表2 开挖方式对照表

4 试验结果分析

4.1 基坑开挖卸荷对既有隧道位移的影响

根据室内试验监测结果表明，在开挖一、开挖二、开挖三这三种不同的基坑开挖方式下，既有隧道产生的竖向位移慢慢增大，尤其在隧道上方土方开挖时，位移先快速增加后趋于稳定。产生该现象的原因是在上覆地层开挖过程中，土体卸荷导致既有隧道上部荷载减小，隧道上部及侧向土体有向上及向两侧隆起和挤压的作用力，作用力导致隧道产生向上的位移，在开挖至隧道上方土体时，隧道产生的竖向位移变化最大，三种开挖方式下的竖向最大位移分别为9.2mm、9.7mm 和10.1mm。土体开挖完成后，在支护结构的维护作用下，土体内部应力卸荷完成并趋于稳定，隧道不再产生位移，数值趋于稳定。既有隧道产生的竖向位移如图8所示。

图8 基坑开挖隧道竖向位移图

同样地，在开挖基坑过程中，由图9可知，随着基坑的逐步开挖，既有隧道的横向位移逐步呈现增大的趋势，当基坑开挖至隧道上方土体时，既有隧道的位移呈现较大的变化，这符合实际施工的情况，当基坑开挖完成后，既有隧道横向的位移达到最大值，分别为8.1mm、8.6mm和9.0mm。

图9 基坑开挖隧道横向位移图

由上述结果可知，既有隧道在基坑开挖过程中，竖向和横向的位移均呈现先增大、后增大较快、最后趋于稳定的结果，位移值均在规范的20mm 的安全要求范围之内。模型试验结果与实际施工结果的规律基本吻合，故可判断通过本模型试验得到的位移数值结果真实、可靠。

4.2 基坑开挖对既有隧道应力的影响

基坑开挖从南区开始开挖至隧道上方土体，隧道上部土体开挖共分四部分，最后开挖北区土体，直至开挖完成。开挖过程中随时监测既有隧道在土体卸载过程中截面应力的变化，并及时记录。由图10 可知，开挖基坑释放了土体间的应力，基坑底部表现为微微隆起的状态，隧道监测截面应力数值初期慢慢增大，当开挖至隧道上方土体时，数值增大的较为明显，是因为隧道上方土体卸荷对隧道正应力影响数值较大。隧道监测截面各监测点数值最大值依次为左侧隧道监测点d=0.198MPa、右侧隧道监测点f=0.195MPa。数值基本处于由小到大至最终趋于稳定的状态。

图10 左侧隧道应力图

产生该现象的原因：当开挖南区土方时，由于受到基坑支护结构维护的作用，土方卸荷的应力被支护结构所抵消一部分，所以隧道外截面的应力数值变化不明显；随着开挖隧道上方土方时，支护结构的维护作用减小，上部土方卸荷应力直接作用于隧道外截面，数值增大较为明显，由于隧道上方土体开挖分为三种不同的方式，由图10-图11 可知，当基坑开挖采取跳仓法施工时，隧道应力变化数值最小，因此该施工方法对隧道影响最小，实际施工时采取跳仓法施工为最佳。

图11 右侧隧道应力图

4.3 基坑开挖对既有隧道围土压力的影响

同样地，在基坑开挖过程中，由于土体卸荷的作用，土体间的相互作用力、内摩擦角和内聚力也在发生变化，导致隧道围土压力也随之发生变化。在隧道中心左右两个监测截面分别环向布置4 个土压力盒；同时，在中心截面与外边缘截面分别均匀布置2 个土压力盒，分别监测既有隧道在土方开挖过程中隧道周围土压力的变化值。

由图12 可知：在隧道上部区域（即靠近基坑位置处）围土压力值呈现较大的变化，最大值依次为监测点8（1.36kPa）、监测点6（0.83kPa）、监测点b（0.81kPa）；中心截面数值表现为由大到小的变化，左右两个截面规律大致表现为一致，这是因为隧道上部土压力盒靠近基坑底部，受影响范围较明显；在中心截面与边缘截面处的土压力表现为从中心截面到边缘截面由大到小的变化规律，这是因为越靠近中心处，基坑与截面越靠近，受影响范围更大，同样地，越远离中心截面，受基坑开挖的影响范围就越小。

图12 围土压力图

5 结论

本文以合肥市怀宁路天鹅湖段隧道上穿合肥地铁3 号线基坑开挖工程为背景，采用相似模型试验研究方法，搭建上覆地层开挖卸荷对既有隧道影响规律相似模型试验系统，探究不同开挖卸荷方式、防基坑隆起措施和基坑支护形式时上覆基坑开挖卸荷过程中隧道应力、位移和围土压力变化规律，并于现场实测数据进行对比分析，获得基坑开挖卸荷条件下既有隧道的变形特性和演化规律，得到如下主要结论：

该研发的室内模型试验装置可以较为精确地模拟实际的开挖隧道、支护结构、土层地质和开挖方式，工作形态接近实际施工情况，监测工况较为全面；

通过对比分析模型试验数据和各种相应的规范要求，可得两者在同样的施工工况下既有隧道的变化规律基本吻合，验证了该模型试验系统的实用性和可靠性；

在选取合理的支护结构下，不同的开挖方式对既有隧道的影响结构各有不同，当采用跳仓法开挖基坑上部土方时，隧道的影响变化数值最小，该施工方法最为适合。