基坑开挖对旁侧既有隧道影响的模型试验研究

魏焕卫杨帆罗威奎耀卢卓

(1.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南250101；2.济南轨道交通集团有限公司，山东 济南250000)

0 引言

近期随着城市建设的快速发展，其用地的供应日渐紧张，使得基坑在既有隧道附近开挖施工的情况越来越多。基坑开挖会改变原隧道的应力场及变形场，破坏其原有的应力平衡状态，进而导致隧道发生变形、开裂，甚至引发严重事故。因此，研究基坑开挖对既有隧道的影响成为一个非常重要的课题。

左殿军等[1]通过数值计算研究了深基坑开挖对邻近地铁隧道的影响，认为在分析大直径管道时，应考虑管—土的相互作用。刘伟等[2]使用迈达斯分析软件，研究了堆载状态公路隧道所受的沉降及偏移的影响。林杭等[3]通过有限差分的方法，认为隧道的位置会影响其竖向与横向位移的关系，指数函数能较好的拟合出隧道影响的临界线。汪小兵等[4]使用三维有限元软件Z-Soil预估了上海某基坑项目对隧道的影响，并将结果与最终实测结果进行了对比，得到的结果类似。段绍伟等[5]分析了深基坑开挖引起的邻近管线破坏，认为可通过加强支护结构的方法减少对既有管线的影响。姜兆华等[6]研究了邻近隧道的岩质深基坑开挖影响，认为岩质条件下隧道有明显的偏压效应。陈仁朋等[7]进行了单一土层下基坑开挖对既有隧道及隔断墙作用的模型试验研究，认为隔断墙的设置可明显减小隧道的弯矩及土压力。胡欣[8]采用小型室内模型试验的方式，研究了3种不同试验方案下基坑开挖对既有隧道的影响。郑刚等[9]研究了隔离桩对基坑外既有隧道的变形控制，认为隔离桩桩长过长反而会表现出牵引作用。纪茜尧等[10]通过模型试验，研究了地铁盾构隧道邻域埋入式隔离桩的力学性能，认为埋入式与非埋入式效果相同。乔南[11]探讨了板凳法与管幕法对既有隧道的保护作用。KOJIMA等[12]采用模型试验的方法，研究了底面加卸载工况下的隧道变形，发现砂土卸荷引起的隧道非线性变形明显。ZHANG等[13]以上海某地铁盾构隧道为例，比较了深基坑工程安全监测中的测量结果。张书丰等[14]研究了长江漫滩地区深基坑工程盾构隧道应急保护。吴才德等[15]通过岩土与隧道结构有限元分析软件MIDAS/GTS对不同开挖面积和开挖深度的18个三维基坑有限元模型进行数值计算。

基于上述研究，文章通过模型试验与数值模拟相结合的方法，研究了旁侧基坑开挖作用下地铁盾构隧道的内力、位移及隧道周围土压力的变化规律，分析了隧道空间位置对隧道变形的影响规律及隔离桩支护体系对既有隧道的保护作用。

1 试验方案

室内模型试验在尺寸为1 100 mm×900 mm×1 200 mm(长×宽×高)的钢架模型箱内进行，为保证模型箱整体的刚度及强度，除正面外均采用厚度为10 mm的钢板，模型箱右立面上部采用开放设计，以方便基坑卸载的进行，模型箱正立面采用厚度为19 mm的透明钢化玻璃，以便于观察模型试件的安装及试验进程，模型箱示意图如图1所示。

图1 模型箱示意图

试验采用福建标准砂模拟基坑土体。将细砂分为数层均匀的放入模型箱中，并将每层细砂充分压实，以确保土体的密实性与均匀性，砂体的中值粒径D50为0.17 mm、土粒比重GS为2.62，最大孔隙比emax为0.952、最小孔隙比emin为0.607。

1.1 模型构件布置及开挖方案

各构件布置剖面图和平面图如图2所示，基坑平面形状为矩形，采用墙锚支护形式；围护墙采用厚度为8 mm的均质聚氯乙烯PVC(Polyvinyl Chloride)板；锚杆采用外径为15 mm、壁厚为1 mm、长为400 mm的细无规共聚聚丙烯PP-R(Polypropylene Random)管。基 坑 开 挖 深 度 为400 mm、嵌入深度为600 mm，分4层开挖，每层开挖深度为100 mm。

模型隧道纵向与基坑长边方向平行，隧道结构采用外径为200 mm、壁厚为4 mm、长度为900 mm的硬聚氯乙烯PVC-U(Unplasticized Polyvinyl Chloride)管进行模拟，经过试验测定其弹性模量为3.94 GPa，隧道拱顶埋深d分别为250、350 mm；隧道与基坑距离b分别为100、150 mm。

隔离桩采用外径为25 mm、内径为21.5 mm的粗PP-R管进行模拟，隔离桩桩顶埋深为50 mm，桩长分别为400、600 mm，桩间距为90 mm，布置于隧道距离基坑为100 mm工况下与基坑中间位置处。

图2 模型剖面及平面图/mm

1.2 传感器布置

(1)隧道周围土压力测点布置

在隧道纵向中间位置处布置一个土压力监测截面，如图2(a)所示，从隧道拱顶开始每隔30°布设一个土压力盒，共有12个，以测量基坑开挖过程中隧道模型的土压力变化数据。

(2)隧道变形测点布置

为减少密封应变片的胶体对隧道截面刚度的影响，在土压力监测面前后各4 cm处设置两个变形监测截面，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，以测量基坑开挖过程中距离土压力监测截面4 cm处隧道模型弯矩的变化数据。监测点布置实际情况如图3所示，应变数据和土压力盒数据均通过静态应变采集仪进行记录收集。

图3 监测点实际情况布置图

(3)位移测点布置

隧道位移变化采用拉线位移计进行量测，为使其不与土压力及应变测点相互干扰，将测点选定在距离应变测点10 cm处，共设置上部及侧向两个点，以分别获得隧道的纵向及侧向位移变化值。

在围护墙两侧(靠窗、非靠窗侧)设置两个百分表，其起到监测土体稳定的作用。同时，通过对土体稳定(试验用时)总时间及墙体位移量的观测，也可从另一方面得出隔离桩的控制效果。

1.3 试验过程

模型试验步骤如下:

(1)将带编号的应变片及土压力盒安装到模型上，对应变片进行密封处理，确保其不被损坏。

(2)在模型箱内均匀的填入标准砂，并根据工况要求将拉线位移计、隧道、支护结构及隔离桩模型安置于模型箱对应位置，并在墙上部设置两个百分表，对模型进行静置，对主要仪器设备进行调试。

(3)分4层进行基坑开挖卸载，每层开挖深度为10 cm作为卸载厚度。为保证基坑每级卸载是在土体稳定的情况下进行，基坑待前一级卸载完成后百分表读数稳定后，再进行下一级的卸载。

模型试验流程如图4所示。

图4 模型试验流程图

2 试验结果与分析

将不同空间位置隧道的弯矩变化值、同样埋深及距离的不同隔离桩桩长方案下的隧道的弯矩变化值、土压力变化值及位移进行对比分析。

2.1 基坑开挖对不同空间位置隧道弯矩的影响

隧道与基坑距离b为150 mm、埋深d为250 mm。方案的各个卸载段(每个卸载段卸载10 cm的土)隧道各点弯矩变化值如图5(a)所示，上、左、下、右(U、L、D、R)四点的弯矩变化值如图5(b)所示，隧道不同空间位置隧道工况下各点隧道弯矩变化对比如图6(a)所示，U、L、D、R四点弯矩变化对如图6(b)所示。

图5 隧道埋深250 mm基坑各卸载段隧道各点及四周点弯矩变化值图

图6 不同空间位置隧道各点及四周点卸载完成后弯矩变化对比图

在第一次开挖基坑时，由于土体静置后的应力平衡遭到破坏，隧道各点发生轻微的向外拉伸，致使绝大部分点的弯矩值＞0，但因为卸荷量过小，所以弯矩值也很小，绝大部分点的弯矩值在0～2 N·m范围内。基坑开挖两层后，与第1级卸载相比，各点的弯矩随卸荷量的增加略有增大，由于土体开始发生朝向基坑侧的移动，隧道开始受压，部分点由起初的向外拉伸转变为向内压缩，弯矩值由正变负，但从整体上来看变化依旧不明显，各点的弯矩变化值大都在±2～6 N·m范围内。综合前两次基坑开挖卸荷可以得出，基坑开挖初期，开挖对隧道情况的弯矩的影响很小。

第3级卸载完成后，隧道各点的弯矩值进一步增大，且开始呈现初步的规律性，隧道左、右两端的弯矩值增大，上、下两端的弯矩值减小，隧道的横向直径增大，纵向直径减小，隧道初步呈现两端拉伸，上、下压缩的变化趋势，U、L、D、R四点及靠近与此四点相邻的点弯矩值较大，大多数约为±20 N·m，其余各点的弯矩值较小。基坑开挖完成后，隧道各点的弯矩进一步增大，隧道两端拉伸、上、下压缩的变化趋势更加明显，隧道U、L、D、R四点的弯矩均达到100 N·m。

对图5(b)的U、L、D、R四点各阶段的弯矩进行分析可知，随着基坑开挖的进行，各点弯矩的增加速率逐渐加快，L、R两点逐渐增大，U、D两点逐渐减小，基坑开挖对隧道弯矩的影响主要来自于后期的第3、4级卸载，前期的第1、2级对隧道影响很小。

其对图6中不同空间位置的隧道进行分析，各点虽然存在细微的差异，但呈现的规律相似，即隧道埋深越浅、距离基坑越近，受基坑开挖的影响越大，表现为大部分点弯矩变化绝对值较大，基坑两端拉伸、上、下压缩的趋势越明显。

2.2 隔离桩对隧道弯矩的控制效果分析

试验在隧道埋深为250 mm、距离基坑为100 mm的工况下，分别采用无隔离桩，隔离桩桩长为40、60 cm(两者均为埋入式隔离桩，桩顶埋深为5 cm)三种不同工况下基坑开挖完成后的各点、隧道四周点的弯矩变化对比如图7所示。

对比无隔离桩与长隔离桩两种方案，在隔离桩桩长较长的情况下，有隔离桩的支护体系对于既有隧道变形的控制作用较好，横向弯矩变化值较大的点13弯矩变化值减小了37%，纵向弯矩变化值较大的点1弯矩变化值减小了58%，其他点也有较大幅度的减小，隧道的弯矩变化得到有效控制。在隔离桩桩长较短的方案下，隔离桩支护体系对于既有隧道的保护作用有限，同样对比点1与点13，弯矩变化值仅减小了约10%，若是更短的隔离桩，作用将更为有限。因此采用越长的隔离桩，效果越明显。

图7 隔离桩不同桩长各点及四周点卸载完成后弯矩变化对比图

2.3 隔离桩对隧道土压力的控制效果分析

三种不同工况下基坑开挖完成后的弯矩及周围土压力变化对比如图8所示。基坑开挖完成后的各点的土压力大体呈现左侧增大，右侧减小的趋势，其中点1的增加最大，点4的增大趋势最小，点10的减小值最大，这是由于基坑开挖除了会引起隧道截面两端拉伸、上、下压缩的变形趋势，还存在隧道朝向基坑一侧扭转的位移趋势，土压力、弯矩、位移三者相互联系，土压力变化较大的点1与点10的隧道变形与位移一致，土压力变化较小的点4的隧道变形与位移不一致。

对比三种不同的试验方案，可以看出桩长60 cm的隔离桩支护体系能够较大程度的减小隧道围土压力的变化值，变化最大的U、R点分别减小了45%和33.3%；对隧道围土压力变化控制较好，桩长40 cm的隔离桩支护体系对隧道的保护作用有限。因此，采用较长的隔离桩支护体系，会较大程度的减小隧道的围土压力变化值，进而对隧道起到保护作用。

图8 隔离桩不同桩长卸载完成后各点及四周点土压力变化对比图

2.4 隔离桩对隧道及围护墙位移及试验用时的控制效果分析

3种不同工况下基坑开挖完成后的横向及竖向位移对比如图9所示。对3种工况下的横向及竖向位移进行分析可知，隧道的横向位移大于竖向位移，隧道发生朝向基坑一侧的横向位移与沉降，整体发生朝向基坑底面一侧的位移；设置长隔离桩能够在基坑开挖过程中及基坑开挖完成后有效减小隧道的侧移及沉降，第4级卸载的横向与竖向位移分别减小了60.7%和58.4%；对位移的减小幅度较大，能够对隧道起到较好的保护作用，因此长隔离桩适用于基坑工程与隧道距离较近，其他加强基坑的支护、控制隧道变形及位移的措施(如土钉墙、预应力锚索等)无法施展的工况。

长隔离桩与短隔离桩工况试验的位移趋势一致，隧道均是发生朝向基坑底面一侧的位移，虽然减小幅度较弯矩值减小幅度大，但是与长隔离桩减小的幅度相比依旧有限，不能起到对隧道的保护作用。

图9 隔离桩不同桩长横向及竖向位移对比图

墙体位移及试验用时如图10所示。隔离桩对隧道的控制作用不仅体现在能够减少隧道的弯矩变化值、土压力变化值及位移值上，还会使围护墙两侧的位移值有所减小。但短隔离桩对围护墙的位移值减小程度有限，埋设长隔离桩方案下，围护墙位移值有很大程度的减少。土体的稳定时间也与隔离桩的设置有很大关系，其中埋设长隔离桩能够极大的减少土体的稳定时间，稳定时间短，则隧道受较大影响的时间也随之变短，隧道能够因此得到较好的保护。

图10 墙体位移及试验用时对比图

3 数值分析

3.1 数值建模

为了对实际环境中的基坑开挖对隧道位移及变形规律进行进一步的研究，选用三维有限元软件PLAXIS 3D对其开展数值模拟研究。为消除模型范围对计算结果的影响，计算边界取2.5倍的开挖深度，即模型尺寸为60 m×50 m×30 m(长×宽×高)。

采用1∶30的几何相似比对模型进行模拟试验，围护墙墙厚为0.24 m、锚杆直径为200 mm、长为12 m、埋深为4.5 m；隧道外径为6 m、内径为5.6 m，隧道拱顶埋深分别为7.5、10.5 m，距离基坑距离分别为3、4.5 m；隔离桩直径为600 mm，桩顶埋深为1.5 m，桩长分别为12、18 m，桩间距为2.7 m。模型顶面自由，侧边和底面分别设置水平和固定约束，数值模型及网格划分如图11所示。

图11 数值模型及网格划分图

试验土体单元采用土体硬化模型HS(Hardening Soil Model)，HS具有处理加卸载特性，能更真实体现土体卸载对隧道的影响。模拟时墙体采用板单元，锚杆采用梁单元，隔离桩采用嵌岩桩embedded pile单元。土体的不饱和重度为17 kN/m3、饱和重度为20 kN/m3，固结仪加载刚度及三轴加/卸载刚度分别为28.6、22.8、103 MPa，系数m为0.74、泊松比为0.3、黏聚力为0、内摩擦角为340。

根据实际施工顺序及加载情况，分步模拟基坑开挖对既有隧道影响试验，在PLAXIS 3D分布施工界面定义施工阶段，具体步骤如下:

(1)重置位移为零，土方开挖深度为-6 m；

(2)施工锚杆；

(3)土方开挖至深度为-12 m。

3.2 不同空间位置隧道变形及位移数值分析

3种不同空间位置基坑卸载完成后的弯矩变化值如图12(a)所示，总位移如图12(b)所示，其中位移正值表示隧道朝向右侧支护结构。

对比数值模拟结果，可以看出，随着基坑的开挖，隧道左、右两端的弯矩增大，上、下两端的弯矩减小，均呈现左、右两端拉伸而上、下两端压缩的趋势。对比三种工况下卸载完成后的弯矩大小，可知，随着隧道埋深及与基坑距离的增大，基坑开挖对隧道的影响变大，这与模型试验所得出的结论一致。

随着基坑开挖的进行，隧道整体表现朝向基坑一侧的位移，并且盾构隧道右上部分位移量远大于左下部分，最大位移量出现在监测点1位置，隧道有朝向基坑一侧扭转的趋势。对比3种不同工况，同隧道弯矩变化情况一样，横向与竖向位移都随着隧道埋深及与基坑距离的增大而减小。

图12 不同空间位置隧道卸载完成后弯矩变化及总位移对比图

3.3 隔离桩对隧道弯矩及位移控制效果数值分析

隧道埋深为7.5 m、距离基坑3 m的工况下，无隔离桩、隔离桩桩长为12、18 m(两者均为埋入式隔离桩，桩顶埋深为1.5 m)三种不同工况下，基坑开挖完成后的弯矩变化及隧道总位移对比如图13所示，位移正值表示隧道发生朝向基坑一侧的位移。

图13 隔离桩不同桩长隧道卸载完成后弯矩变化及总位移对比图

在隔离桩较长的情况下，隔离桩体系对隧道的弯矩变化及位移都有很好的控制作用，隧道各点均有较大幅度的减小，较短的隔离桩支护体系对隧道的保护作用有限，这与模型试验得出的结论一致。同时，分析3种工况下隧道的总位移，可以发现隧道右上部分远大于左下部分，隧道整体发生朝向基坑一侧的位移。

选取基坑距离隧道3 m、隧道埋深为7.5 m工况下，隔离桩桩长分别为6、8、10、12、14、16、18、20 m的隧道U、L、D、R四点基坑开挖完成后的弯矩变化值及总位移值进行分析，结果如图14所示。

隔离桩体系对隧道的弯矩变化和总位移的控制效果类似，长度较短、嵌固深度未超过基坑开挖深度的隔离桩体系对隧道的保护作用有限，长度较长、嵌固深度在基坑嵌固深度上下的隔离桩体系对隧道的保护作用最好，但超过此深度后，隔离桩体系对隧道的保护作用相对减弱，效费比不高。

图14 隧道四周点隔离桩不同桩长弯矩变化及总位移对比曲线图

4 结论

通过模型试验及PLAXIS 3D有限元软件研究了基坑开挖对不同空间位置既有隧道的影响规律及隔离桩对隧道的保护作用，主要结论如下:

(1)基坑开挖初期对隧道的影响很小，开挖引起既有隧道截面纵向弯矩变小，横向弯矩变大，导致既有隧道的横向直径拉长，纵向直径压短；基坑呈现两端拉伸上、下压缩的趋势，隧道埋深越浅，距离基坑越近，变形趋势越大。

(2)隧道的横向位移大于竖向位移，隧道右上部分的位移均大于其他部分，隧道整体发生朝向基坑一侧的位移，距离基坑越近，隧道埋深越浅，位移越大。

(3)隧道围土压力大体呈现左侧增大，右侧减小的趋势，土压力与弯矩、位移三者相互联系，变化较大的顶部点与右部点隧道变形与位移一致，变化较小的左侧点不一致。

(4)长度在基坑嵌固深度上下的隔离桩支护体系明显的减小了隧道的弯矩变化值、土压力变化值及横线与竖向位移，对隧道的保护作用较好，但长度过长导致效费比不高；长度短于基坑开挖深度的隔离桩体系对隧道的保护作用有限。同时，隔离桩对隧道的保护作用不止于此，还体现在其能够同时减小维护墙的位移及土体的稳定时间，隧道受基坑开挖的影响时间小，最终所受影响就有所减小。