软硬复合断面隧道受侧方开挖卸荷的影响研究
时间：2023-01-17 10:35:08 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
黄 峰，刘俊杰，吴长官，王 晨
(1.青岛地铁集团有限公司，青岛 266033；
2.青岛理工大学 土木工程学院，青岛 266525)
如今地铁已经成为各大城市重要的公共交通方式，随着城市建筑密集程度的增加，地铁附近越来越多的基坑工程已不可避免。基坑开挖卸荷必然对邻近的地铁隧道结构造成一定影响，影响程度过大会导致隧道结构的变形破坏，影响地铁的安全运行。如国内宁波市某基坑与地铁1号线最小间距为7.15 m，基坑施工不久便引起隧道整体水平位移高达33.6 mm，导致地铁区间渗水和多处纵向裂缝[1]；
广州市某距离地铁隧道34.5 m的基坑开挖过程中，坑边土体受锚杆牵引作用产生侧向倾斜，引起隧道产生66 mm拉伸变形，管片发生多处开裂[2]；
台北某深基坑与隧道结构最小间距为12 m，基坑开挖引起隧道产生26 mm的水平拉伸和45 mm的竖向压缩[3]。国外，如伦敦的South Bank区The Shell Center基坑开挖引起隧道南线上浮达到60 mm、北线上浮达到50 mm，而且受到黏土层缓慢固结影响，隧道的上浮仍然在缓慢进行[4]；
新加坡某基坑开挖引起邻近盾构隧道水平位移达6 mm、竖向位移3.8 mm[5]。
针对基坑开挖对邻近隧道的影响，已有不少学者展开相关研究，主要研究方法集中于理论解析、模型试验、数值模拟、现场监测。张治国等[6-7]考虑基坑四壁和底部土体同时开挖卸荷的情况，基于两阶段分析方法的Winkler地基模型建立了基坑开挖对隧道变形影响的计算微分方程；
姜兆华[8]采用细砂为土体，塑料管为隧道，进行室内模型试验，试验中通过改变基坑与隧道的空间关系得到基坑开挖卸荷对旁侧隧道的力学响应规律；
陈仁朋等[9]通过用马来西亚高岭土模拟软黏土进行软黏土地层基坑开挖对隧道影响的离心机试验，模型试验得到了基坑开挖卸荷前后隧道结构一系列力学参数的变化规律；
CHEN等[10]结合宁波地铁1号线，采用Plaxis 3D有限元软件分析了软土地层中大型深基坑开挖对紧邻双线地铁隧道的影响，对比模拟结果与监测数据发现，优化基坑开挖顺序是减轻基坑开挖卸荷对附近隧道结构影响的最有效措施；
丁智等[11]根据临近运营地铁隧道的基坑施工监测数据发现，基坑开挖深度与隧道埋深相近时，隧道水平位移显著，而竖向变形却不明显，隧道收敛为“横鸭蛋”形。
与上述研究相似，目前针对基坑开挖对邻近既有隧道的研究大多集中于单一软土地层，而对于特殊地层，如软硬复合地层中此类基坑-隧道的影响研究尚少。软硬复合地层通常为上覆松软土层、下部为岩层，或者上部为软弱风化程度高的岩层、下部为风化程度低的岩层，主要表现为上下地层之间的刚度差异性[12]，如国内青岛、厦门、广州和国外新加坡、曼谷、圣保罗等地区均为此类典型的工程地质情况，实际工程建设上也缺乏此类工况研究成果的指导，因此开展该工况下基坑开挖对邻近地铁隧道的影响研究具有十分重要的工程意义。
鉴于现场监测中周期长、难度大、成本高的缺点，本文结合青岛地区典型的上软下硬复合地层工况，借助模型试验相似理论设计基坑开挖对侧方隧道影响的室内模型试验，研究上软下硬断面隧道结构受侧方基坑开挖卸荷引起的内力变化。
1.1 工程原型
以青岛市某邻近运营地铁的住宅楼项目为工程背景，项目基坑开挖深度约为15 m，周长约为410 m，最小水平距离约为15 m，基坑靠近地铁隧道一侧采用混凝土灌注桩配合预应力锚杆支护，灌注桩直径为600 mm，桩芯间距为1000 mm，混凝土强度等级为C30。隧道断面为圆形，外径约为6 m，隧道拱顶埋深约为10 m，基坑与隧道相对位置关系如图1所示。
1.2 相似关系
依据相似定理，物理模型试验要在一定程度上反应原型实体的真实情况或者规律需要遵循相似条件，相似条件是模型试验的基础。相似条件即试验原型与试验模型的物理特征函数关系比值为一个常数，该常数称为相似常数。
根据原型和模型的平衡方程、几何方程、物理方程、应力边界条件和位移边界条件可以得出本文模型试验存在以下相似关系：
Cσ=CγCL
(1)
Cδ=CLCε
(2)
Cσ=CECε
(3)
物理模型试验要求所有无量纲物理量(如应变、内摩擦角、泊松比等)的相似比等于1，即
Cε=Cφ=Cμ=1
(4)
依据相似关系和试验条件确定模型试验中各物理量相似比参数，如表1所示。
图1 基坑与隧道相对位置关系(单位：m)
表1 物理模型试验的物理量
1.3 模型试验系统和试验方案
采用青岛理工大学自主研发的平面应变试验模型箱，模型箱净空尺寸为2000 mm×1800 mm×300 mm(长×高×宽)，如图2所示，正面为50 mm厚透明有机玻璃板，上方为敞口面，其他面均为钢板焊接。模型箱上部和两个侧面安装反力液压装置，每个液压缸最大可以施加300 kN反力。
图2 平面应变试验模型箱
模型试验中对地层进行一定简化分析，将填土层、粉质黏土层、强风化花岗岩归一化处理为强风化花岗岩层，试验中主要研究由强风化、中风化花岗岩复合而成的上软下硬复合地层中基坑开挖对侧方地铁隧道的影响。模型试验考虑了单一软岩地层工况(对照组)和软硬复合地层工况(试验组)2种地层工况，基坑尺寸和基坑与隧道的位置平面尺寸保持不变，考虑基坑的对称性，只考虑一半基坑开挖宽度[13]。模型试验方案尺寸如图3所示，基坑开挖深度h=900 mm，开挖宽度d=600 mm，围护结构深度为1200 mm。隧道外径Φ=300 mm，隧道外边缘距离基坑边缘为250 mm，隧道拱顶埋深为750 mm。软硬复合地层工况中隧道断面复合高度比为1∶1，软岩层厚度为900 mm。
图3 模型试验方案(单位：mm)
1.4 相似材料选择
根据实际工程岩土体物理力学参数和表1中模型试验物理量相似比，得到2种地层的物理力学参数，如表2所示。软岩和硬岩的相似材料中以砂和重晶石粉为骨料、石膏为胶凝材料、凡士林为掺加料，同时掺加少量的水。采用正交试验理论设计岩土相似材料配比试验，最终采用的材料配比如表3所示。
表2 软硬岩原型和模型的物理力学参数
表3 复合地层相似材料最终配比 %
选择有机玻璃管(PMMA)作为隧道模型材料，有机玻璃的弹性模量为2.5 GPa，泊松比为0.37。将隧道衬砌视为薄板结构，仅考虑隧道环向抗弯和相似性，采用弯曲变形相似准则推导隧道结构的相似比[14]，最终确定有机玻璃隧道模型厚度为5 mm，长度为300 mm，外径为300 mm。模型试验中未考虑锚杆结构，将围护桩按照等效刚度原则简化为地连墙结构，围护结构选择薄钢板，同样依据弯曲变形相似准则确定板厚为3 mm，长度设计为1200 mm，宽度为300 mm。
1.5 测量方案及试验过程
模型试验基坑开挖过程中测量隧道结构的环向弯矩、隧道周围土压力变化。隧道环向弯矩和周围土压力分别通过在隧道结构内外壁布置应变片和外侧布置微型土压力盒测量分析得出，传感器布置如图4所示。
图4 隧道监测点布置
试验流程如下：
1) 按照表3相似材料的配比称量好重晶石粉、砂、石膏、凡士林、水，将骨料重晶石粉、砂、石膏和石膏缓凝剂倒入搅拌机搅拌均匀，最后将水和水浴融化的凡士林溶液缓慢倒入搅拌机搅拌均匀；
2) 分层填装拌制完成的相似材料至模型箱内，每层填装150 mm并夯实，填装过程中在模型箱的相应位置预埋结构模型，并连接应变片和土压力盒传感器至计算机记录数据，填装完成后在室内静置养护3 d；
3) 打开采集装置并进行基坑开挖，基坑开挖采用人工缓慢开挖的方式，总共开挖6层。每层开挖深度为150 mm，相当于原型3 m的深度，总开挖深度为900 mm，每层开挖完成的时间控制为30 min。每层基坑开挖完成待测量数据稳定后方可进行下一层基坑开挖，开挖过程中避免对模型箱内其他部件造成过大的扰动。
2.1 隧道周围土压力
图5是基坑开挖过程中隧道周围土压力分布的极坐标图。整体来看，2种工况的各点位土压力分布形态均类似为“葫芦”形，土压力的分布形态与姚爱军等[15]发现的位于基坑底部的隧道周围土压力分布形态相似。软硬复合工况各点位的土压力变化幅度小于单一软岩工况，尤其是软硬复合工况中隧道下半部分位于硬岩层中90°，135°，180°，225°，270°的土压力变化明显小于单一软岩工况，说明基坑开挖引起的隧道周围土压力的变化受到了下部硬岩层的影响。
图6为基坑开挖过程中隧道各点位土压力变化曲线。可以看出，软硬复合工况各点位的土压力随着基坑开挖不断减小，其中0°点位变化最大，减小值为1.74 kPa。单一软岩工况中不同的是，隧道远基坑侧0°，45°，180°点位的土压力变化值先减小后增大，其他点位的土压力不断减小，近基坑侧315°点位的土压力变化最为明显，减小值为2.83 kPa，该变化与姜兆华[8]在采用砂土的模型试验中发现的基坑开挖引起旁侧隧道的土压力变化规律一致，分析产生不同变化的原因与基坑围护结构和周围土体向基坑内倾斜位移幅度有关。软硬复合地层工况中受下部硬岩层稳定性较强影响，基坑开挖卸荷对周边地层的扰动影响较小，隧道周围土压力受到的主要影响为基坑卸荷引起的变化。
2.2 隧道环向弯矩
图7是基坑开挖过程中隧道环向弯矩分布的极坐标图，图中正值表示向外弯曲，负值表示向内弯曲。从分布形态可以看出，2种工况环向弯矩均呈“∞”分布形态，这与杨帆[16]在单一砂土地层中基坑开挖对旁侧隧道影响的模型试验中发现的隧道横向弯矩分布呈现横鸭蛋形十分相似。单一软岩工况中0°，45°，180°，225°点位的弯矩变化明显，而软硬复合工况中隧道位于硬岩层中的135°，180°，225°点位弯矩变化非常小，其他点位弯矩变化与单一软岩工况比较接近，说明位于硬岩层中的隧道环向弯矩变化受到复合地层的限制明显，同时说明隧道结构的变形受地层影响大。何川等[17]研究发现，隧道结构所受外部荷载增大时，位于硬岩层中的隧道结构弯矩受到硬岩层的约束作用，而普通区域的隧道结构弯矩基本不受硬岩层区域的影响，这与本文的试验结果十分相似。
将隧道环向各点位弯矩变化绘制成变化曲线，如图8所示。从图中可以看出，软硬复合工况中弯矩变化趋势单一，0°，180°点位环向弯矩不断增大，其他点位不断减小，结合该工况各点位土压力变化可以认为基坑开挖卸荷使隧道结构原有的弹性形变复原。单一软岩工况中0°，180°，135°，315°点位的弯矩变化在开挖4—6阶段出现转折，结合各点位初始弯矩状态，分析认为该工况基坑开挖扰动大，地层受到的扰动对隧道结构产生一定影响，隧道结构变形主要为斜向基坑方向的挤压变形。
2.3 软硬复合地层的影响
通过对比2种工况中基坑开挖引起的隧道周围土压力和环向弯矩变化可以认为，软硬复合工况中受下部硬岩层的影响，基坑开挖卸荷对周围地层的扰动程度减小，地层扰动的不同必然对周边隧道结构产生不同的影响：隧道周围土压力和环向弯矩变化减小，尤其是位于硬岩层部分的变化更小，说明硬岩层的存在对复合断面隧道结构受侧方基坑开挖卸荷产生的影响具有一定限制作用。
对比分析单一软岩和软硬复合2种工况下，基坑开挖卸荷对侧方隧道影响的模型试验结果，得出以下结论：
1) 相比于单一软岩工况，软硬复合工况中隧道的周围土压力整体变化较小，但是靠近基坑一侧的土压力变化相对较大。
2) 相比于单一软岩工况，软硬复合工况中隧道的环向弯矩整体变化较小，尤其是位于硬岩层中弯矩变化更小。软硬复合工况中弯矩变化说明基坑开挖卸荷使隧道结构原有的弹性形变复原。
3) 由隧道周围土压力和环向弯矩的变化可以看出，软硬复合工况中下部硬岩层的存在，使基坑开挖卸荷对周边地层的扰动变小，对隧道结构内力变化也具有一定的限制作用，尤其是位于硬岩层中的隧道，其结构整体稳定性更强。
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