复合地层中基坑开挖对下卧隧道变形影响研究

赵 俊，甘鹏路，申文明，刘 维

(1.中铁二院华东勘察设计有限责任公司，浙江杭州 310004; 2.浙江大学滨海与城市岩土研究中心，浙江杭州 310058)

0 引言

目前，国内各大城市通过兴建地铁来缓解城市日益拥堵的交通问题，与此同时，通过对地下空间的开发来提高城市土地利用率。由于地铁带来的巨大便利和经济效益，地铁沿线周边大量建筑物随之兴建，而相应的基坑开挖难免会对临近地铁隧道造成变形影响，特别是在相互距离较小情况下，该影响尤为明显。地铁隧道对变形有着严格的控制标准，故研究隧道临近基坑开挖对已有隧道变形影响具有重要的意义。目前就基坑开挖引起隧道变形问题，国内外学者主要采用理论分析法和数值分析法进行研究。文献［1］在弹性理论基础上，采用两阶段分析法，通过Mindlin解得到基坑开挖后应力分布，然后假设隧道为Winkler地基梁，计算开挖应力重分布条件下的隧道纵向变形;文献［2－5］也采用类似方法进行了相关研究。在数值分析法中，主要采用应力控制法，该方法将地铁隧道和周边土体看作整体并考虑隧道结构和周边土体的相互作用，通过在开挖边界施加反向节点力来模拟基坑开挖。大量研究主要关注基坑在均质地层中开挖引起的附近土体及地下结构的变形［6－12］。

实际工程中经常遇到深大基坑开挖工程，基坑底部可能出现较大变形，进而对下卧土层中的隧道结构造成影响，但已有研究较少涉及开挖尺寸及土层模量对下部结构设施变形的影响，因此有必要进行上述2方面的参数分析。本文以南京地铁3号线明发广场站至南京南站区间地下空间开发为背景，采用数值分析法研究地下空间开挖时复合地层中基坑开挖宽度及土层模量变化对周边土体和下穿地铁隧道变形的影响。

1 工程概况

南京地铁3号线明发广场站至南京南站区间穿过规划中的南京南站北广场，该区段隧道采用明挖工法，3号线该区段明挖基坑位于地铁1号线右线上部。该区段隧道结构完工后将已有明挖基坑扩建开发成南京南站下沉式北广场。3号线明挖基坑为南北向狭长型分布，基坑宽度最小处为18 m，最大处为30 m，基坑深度为10 m。围护结构采用直径为800 mm的灌注桩，灌注桩长度为20 m。地表自上而下土层分别为粉质黏土、强风化粉泥岩、中分化泥岩及中风化砂岩。工程平面布置如图1所示。基坑剖面如图2所示。各土层参数如表1所示。下文主要通过数值方法研究该类狭长明挖基坑施工对土体及已有隧道变形的影响。

图1 工程平面示意图Fig.1 Plan of the project

图2 基坑剖面图Fig.2 Profile of foundation pit

表1 土体参数Table 1 Parameters of ground

2 数值模拟

根据工程背景，穿越段基坑宽度不均匀，笔者采用有限差分软件FLAC 3D研究基坑宽度变化对土体及隧道变形的影响。同时，基坑和隧道位于复合地层中，基坑主要位于粉质黏土层，模量为18 MPa，地铁1号线右线主要位于中风化砂岩层，模量为1 600 MPa，复合地层间模量差异较大，故有必要对地层模量比进行参数分析。数值分析示意如图3所示。研究以平面应变问题为基础，根据基坑和隧道主要穿越土层的地质情况，从简化角度假设复合土层为双层土，基坑位于土层①中，土层①厚度为10 m，力学参数(E1=18 MPa，c=34 kPa，φ=10.5°)与表1中粉质黏土相同;隧道所处土层厚度为10 m，力学参数为E2，c=300 kPa，φ= 38°。其中c，φ取自土层②，E2为本文所关注的参数，考虑不同的模量比E2/E1情况下基坑与隧道的变形情况。依据实际工程背景，从最不利角度考虑，认为基坑底部和隧道拱顶的距离为1 m。下文主要从2方面研究基坑开挖对周边土体和隧道变形的影响:1)通过改变L/D研究不同基坑开挖宽度对土体及隧道变形的影响;2)通过改变E2/E1研究不同复合土层模量比对土体及隧道变形的影响。研究中土体变形主要包括基坑底部中点回弹量和基坑围护桩顶侧向位移，隧道变形包括隧道竖向变形Sc－i和隧道侧向收敛Ul－r。建立平面模型如图4所示。模型的宽度为60 m，高度为20 m，厚度为1 m。模型边界条件为:模型底部限制竖向及水平方向位移，模型侧面限制水平方向位移。上覆土层假定为工程中粉质黏土。实际工程中，围护结构采用C30咬合桩，桩直径为800 mm;隧道衬砌采用C50管片，衬砌厚度为300 mm。围护桩在模拟过程中均采用结构单元Shell进行模拟，相关参数如表2所示。模拟步骤为:1)开挖隧道生成周边应力场;2)设置围护桩;3)开挖基坑计算基坑和隧道变形。

图3 数值分析示意图Fig.3 Numerical analysis

图4 有限差分模型Fig.4 Finite difference model

表2 围护桩和衬砌参数Table 2 Parameters of retaining piles and lining

2.1 基坑宽度变化的影响

复合土层基坑开挖时，基坑底部回弹量对周边环境造成影响。由于模型的对称性，本节关注基坑开挖宽度对位于隧道拱顶正上方的基坑底部中点回弹量的影响规律，结果如图5所示。由图5可知:1)当E2/E1=2时，随L/D从1增大至3，基坑底部中点回弹量从34 mm迅速增加至53 mm;当L/D继续增大，基坑底部回弹量则趋于稳定不再增大。2)当E2/E1=6时，随L/D从1增大至3，基坑底部中点回弹量从14 mm缓慢增加至20 mm;当L/D继续增大，回弹量不再受到基坑宽度变化的影响。3)当E1/E1=10时，基坑底部回弹量不受基坑开挖宽度的影响。

图5 基坑底部中点回弹量随L/D变化规律Fig.5 Rebound of midpoint of foundation pit floor Vs L/D

上述分析表明，复合土层中基坑开挖卸荷会引起基坑底部的回弹，基坑底部回弹量受到基坑开挖宽度不同程度的影响。在E2/E1≤6时，当L/D≤3时，基坑回弹量随开挖宽度增加非线性增大，当L/D＞3时，基坑回弹量不随开挖宽度的增加而变化;在E2/E1≥10时，基坑开挖宽度对回弹量没有影响。

隧道拱顶回弹量随基坑宽度变化规律如图6所示。由图6可知:1)当E2/E1=2时，L/D从1增大至3，隧道拱顶回弹量从21 mm迅速增大至43 mm;之后L/D继续增大，隧道拱顶回弹量逐渐趋于稳定。2)当E2/E1=6时，随L/D从1增大至3，隧道拱顶回弹量从10 mm缓慢增加至15 mm;此后隧道拱顶回弹量不再随基坑宽度增加而变化。3)当E2/E1=10时，隧道拱顶回弹量不受基坑开挖宽度的影响。

图6 隧道拱顶回弹量随L/D变化规律Fig.6 Rebound of tunnel crown Vs L/D

上述分析表明，基坑开挖卸荷会引起隧道拱顶的回弹。当E2/E1≤6时，隧道拱顶回弹受基坑宽度变化明显;当E2/E1≥10时，隧道拱顶回弹不受基坑开挖宽度的影响;对于任意E2/E1，当L/D≥3，隧道拱顶回弹量不受基坑宽度的影响。

L/D对隧道变形的影响如图7所示。由图7可知:1)当E2/E1=2时，隧道的竖向变形Sc－i和侧向收敛变形Ul－r随L/D增大线性增大;当L/D≥3时，隧道变形趋于稳定且不再受基坑宽度变化的影响。2)当E2/E1≥10时，隧道变形不受基坑开挖宽度的影响。3)对于任意E2/E1，当L/D≥3时，隧道变形不随基坑宽度增加而变化。

图7 L/D变化对隧道变形的影响Fig.7 Tunnel deformation Vs L/D

综合以上分析可知，3号线基坑明挖时，因为E2/E1≥10，基坑宽度L由18 m增加至30 m(L/D由3变化至5)时，基坑底部回弹小于10 mm，下卧隧道拱顶回弹小于5 mm，隧道整体变形约为2 mm，表明该基坑开挖对下卧隧道影响很小。

2.2 复合土层模量变化的影响

基坑位于上覆黏土层中，隧道位于下卧土层中，不同土层的模量比会影响基坑开挖引起的土层变形。在不同基坑宽度条件下，E2/E1对基坑中点回弹量的影响如图8所示。由图8可知:1)不同基坑宽度条件下，随E2/E1增加，基坑回弹量呈现非线性下降趋势。当2≤E2/E1≤8时，基坑回弹量随E2/E1增加快速降低;当E2/E1≥8时，基坑回弹量受模量比影响降低且基坑回弹量变化趋于稳定。2)当E2/E1≤8时，基坑中点回弹量亦受到L/D的影响。对于任意E2/E1，基坑回弹量随L/D的增加而增大，而L/D=3和L/D=4时的基坑回弹量曲线几乎重合。由此也可以证明2.1规律:对于任意E2/E1，当L/D≥3时，L/D增加几乎不再影响基坑回弹量。当E2/E1＞8时，不同基坑宽度条件下的基坑底部回弹曲线逐渐趋近;当E2/E1=10时，基坑底部回弹量保持稳定且不再受基坑宽度变化的影响。

模量比E2/E1对隧道竖向变形Sc－i的影响如图9所示。由图9可知:1)隧道竖向变形随E2/E1的增大而非线性降低，直到E2/E1＞8时，隧道竖向变形逐渐趋于稳定且不再受 E2/E1的影响。2)当E2/E1＞8时，不同基坑宽度条件下，隧道竖向变形曲线趋于重合。表明在该条件下，隧道竖向变形不再受L/D变化的影响。

图8 E2/E1变化对基坑中点回弹量的影响Fig.8 Rebound of midpoint of foundation pit Vs E2/E1

图9 E2/E1变化对Sc－i的影响Fig.9 Vertical deformation of tunnel Vs E2/E1

土层模量比E2/E1对隧道侧向收敛Ul－r的影响如图10所示。由图10可知:1)隧道侧向收敛Ul－r随E2/E1增大而非线性降低。当E2/E1＞8时，隧道侧向收敛Ul－r变化趋于稳定且不再随E2/E1增加而变化。2)当E2/E1＞8时，不同基坑宽度条件下，隧道侧向收敛Ul－r曲线趋于重合。再次表明在该条件下，隧道侧向收敛不受L/D的影响。

图10 E2/E1变化对Ul－r的影响Fig.10 Lateral deformation of tunnel Vs E2/E1

根据2.1的分析，当L/D≥3时，基坑开挖宽度变化对隧道变形无影响。研究L/D=3时基坑开挖引起的隧道变形，结果如图11所示。当E2/E1=2时，隧道拱顶竖向位移为43 mm，仰拱竖向位移为28 mm，侧壁收敛均为7.5 mm，可以推断，在竖向上，隧道除了有28 mm整体上浮，还有15 mm的竖向变形，而横向上隧道只有形变而无位移，故基坑开挖既造成了隧道整体位移也造成了隧道形变。当E2/E1=10时，隧道拱顶竖向位移为3 mm，隧道仰拱竖向位移为1 mm，隧道两侧壁的收敛值均为1 mm，可以推断，此时隧道无整体位移，基坑开挖仅引起了隧道形变。

图11 隧道变形示意图(L/D=3)Fig.11 Deformation of tunnel when L/D=3

3 工程案例分析

以南京地铁3号线明发广场站至南京南站区间地下空间开发为例进行分析。该工程中，基坑位于黏土层，基坑下卧层主要为强风化粉泥岩、中风化泥岩及中风化砂岩，隧道穿越层主要为中风化砂岩。相比黏土层，基坑下卧岩层具有更高强度，岩土参数如表1所示。开挖引起的基坑及隧道变形为:基坑底部中点回弹量为2.6 mm，基坑围护桩顶部收敛值为50 mm，因此开挖引起基坑顶部收敛值远大于基坑回弹;隧道竖向位移Sc－i为1 mm，隧道侧向收敛Ul－r为1 mm，表明隧道此时并无整体上浮，而只有微小形变。基坑及隧道变形云图如图12所示。基坑开挖引起的较大变形主要位于黏土层中，并随与基坑距离的增大，位移逐渐减小，另外，岩层中隧道的变形很小。该现象通过2.2规律分析，隧道穿越岩层和基坑位于黏土层的模量比E2/E1＞10，故基坑开挖不会造成隧道整体上浮，仅造成隧道微小形变。

4 结论与建议

4.1 结论

1)当L/D＜3时，基坑底部回弹和隧道变形随基坑宽度增加而增大。

2)当L/D≥3时，基坑底部回弹和隧道变形区域稳定，不受基坑宽度增加的影响。

图12 基坑及隧道变形云图Fig.12 Deformation contour of foundation pit and tunnel

3)当E2/E1＜8时，基坑回弹和隧道变形随模量比的增加而迅速降低。

4)当E2/E1≥8时，基坑回弹和隧道变形微小，且不随模量比的增加而变化。

5)当E2/E1＜8时，基坑底部出现明显回弹，与此同时隧道既出现整体上浮又发生形变。

6)当E2/E1≥8时，基坑底部回弹不明显，与此同时隧道出现微小形变但未出现整体上浮。

4.2 建议

1)在实际工程中，应尽量减小基坑开挖宽度。如果基坑开挖宽度过大(为隧道直径3倍以上时)，可根据L/D=3时的变形情况采取相应的处理措施。

2)若隧道所处地层模量超过基坑所处地层模量的8倍，基坑开挖对下覆隧道结构的影响很小。若复合土层间的模量差不足8倍，坑底隆起现象明显，易造成隧道结构上浮破坏，因此，应采取相应处理措施对基坑与隧道变形加以控制。

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