王衛(wèi)東，李 青，*，徐中華

(1.華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200011；2.上?；庸こ汰h(huán)境安全控制工程技術(shù)研究中心，上海 200011)

0 引言

隨著我國(guó)城市規(guī)模的擴(kuò)張和人口的不斷聚集，大中型城市所面臨的交通擁堵問(wèn)題愈發(fā)突出，利用地下空間修建隧道成為緩解城市交通壓力的有效途徑。軟土地區(qū)的城市隧道主要包含采用盾構(gòu)法施工的地鐵隧道以及越江隧道等類型。截至2020年底，我國(guó)已有超過(guò)40個(gè)城市開通了地鐵，地下軌道交通的發(fā)展使得地鐵周邊地塊得以充分開發(fā)利用；同時(shí)，隨著越江隧道數(shù)量的逐漸增多，城市中鄰近隧道的深大基坑工程項(xiàng)目不斷涌現(xiàn)。近年來(lái)，鄰近既有隧道基坑工程的規(guī)模越來(lái)越大、距離越來(lái)越近，例如：上海世博會(huì)A片區(qū)綠谷項(xiàng)目一期，距離運(yùn)營(yíng)中的西藏南路越江隧道10 m，基坑面積達(dá)3.8萬(wàn)m2[1]；寧波綠地中心項(xiàng)目，基坑總面積達(dá)4.1萬(wàn)m2，距離地鐵2號(hào)線隧道最近處11.5 m。對(duì)這種超大面積基坑往往劃分為多個(gè)基坑先后實(shí)施，設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮基坑分區(qū)實(shí)施對(duì)隧道影響的疊加效應(yīng)。另外，基坑的深度越來(lái)越大，例如：上海外灘596地塊項(xiàng)目，距離運(yùn)營(yíng)中的9號(hào)線隧道僅為7.8 m，基坑開挖深度達(dá)17.1 m[2]；上海中美信托金融大廈基坑距離12號(hào)線隧道最近處約10 m，最大開挖深度達(dá)19.35 m。

基坑開挖不可避免地會(huì)打破基坑周邊原有土體的應(yīng)力場(chǎng)平衡，使周邊地表及土體產(chǎn)生變形和位移，導(dǎo)致已運(yùn)行的地鐵隧道產(chǎn)生附加內(nèi)力與變形。為保證既有地鐵隧道及相關(guān)設(shè)施的安全運(yùn)行，各地制定了相應(yīng)的控制指標(biāo)，對(duì)地鐵及隧道的水平及豎向位移、變形曲率半徑等進(jìn)行了嚴(yán)苛的規(guī)定[3-4]。嚴(yán)格的地鐵及隧道結(jié)構(gòu)控制指標(biāo)對(duì)鄰近隧道的基坑工程設(shè)計(jì)和分析提出了很高的要求。但在軟土地區(qū)，一方面，由于地下水位較高、土體含水量大、靈敏度大、強(qiáng)度低且具有較大的流變性，將基坑及鄰近隧道變形控制在合理范圍內(nèi)的難度大大增加；另一方面，深部承壓含水層對(duì)基坑及鄰近隧道變形的影響也不容忽視。

諸多學(xué)者根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圍繞基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道影響開展了大量的研究工作。例如：王立峰等[5]以某城市鄰近地鐵1號(hào)線基坑工程為背景，分析了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)特征及開挖時(shí)空效應(yīng)對(duì)地鐵隧道的影響；張立明等[6]對(duì)天津某鄰近地鐵隧道基坑開挖引起的隧道結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了實(shí)測(cè)和分析；丁智等[7]統(tǒng)計(jì)了杭州某項(xiàng)目基坑開挖與隧道結(jié)構(gòu)變形的相互關(guān)系。但上述研究主要關(guān)注基坑開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律，而關(guān)于如何控制基坑開挖引起隧道變形的設(shè)計(jì)方法研究較少，或者只是針對(duì)某一個(gè)工程提出的具體方法，缺乏系統(tǒng)介紹軟土地層中鄰近隧道深基坑變形控制設(shè)計(jì)分析方法的相關(guān)報(bào)道。

筆者結(jié)合近年來(lái)在軟土深基坑領(lǐng)域的工程實(shí)踐和理論研究成果，首先重點(diǎn)闡述了鄰近隧道深基坑變形控制設(shè)計(jì)方法，結(jié)合實(shí)際工程案例主要介紹了基于分區(qū)設(shè)計(jì)、軸力自動(dòng)補(bǔ)償鋼支撐、坑內(nèi)土體加固、坑外隔斷以及承壓水控制設(shè)計(jì)方法；同時(shí)，針對(duì)基坑開挖對(duì)隧道影響評(píng)估難的問(wèn)題，提出了基于小應(yīng)變本構(gòu)模型(HS-Small模型)的數(shù)值分析方法，以期能夠?yàn)猷徑淼郎罨庸こ添?xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 鄰近隧道深基坑變形控制設(shè)計(jì)方法

1.1 分區(qū)設(shè)計(jì)方法

分區(qū)設(shè)計(jì)是指將1個(gè)大基坑分成2個(gè)或更多的小基坑進(jìn)行施工，不同基坑可采用順作法施工，也可結(jié)合周邊環(huán)境及變形控制要求采用逆作法施工。對(duì)于面積較大的基坑工程，每層土方開挖后無(wú)支撐暴露的時(shí)間較長(zhǎng)，支撐形成后其自身的收縮或壓縮變形也較大，因此不利于基坑變形的控制。如將較大的基坑分成若干個(gè)小基坑，則每個(gè)小基坑的施工速度、支撐的可靠度均能得到保證，相應(yīng)各分區(qū)基坑的變形也能得到較好的控制，從而能夠?qū)⒒诱w變形和對(duì)鄰近隧道的影響控制在合理的范圍內(nèi)。

如圖1所示，軟土地區(qū)鄰近隧道的基坑分區(qū)設(shè)計(jì)一般是將整個(gè)基坑分成鄰近隧道側(cè)的狹長(zhǎng)形小基坑，以及遠(yuǎn)離隧道的大基坑。其中，狹長(zhǎng)形小基坑寬度一般為20 m左右，長(zhǎng)度控制在50 m左右；遠(yuǎn)離隧道的大基坑的單個(gè)基坑面積在上海地區(qū)通常限制在10 000 m2以內(nèi)，以盡量減小單次卸載對(duì)隧道的不利影響。大基坑采用順作法(或逆作法)先施工，在其地下室結(jié)構(gòu)施工完成后再進(jìn)行狹長(zhǎng)形小基坑的開挖。大基坑施工時(shí)，由于有臨時(shí)隔斷圍護(hù)墻和窄條基坑加固體的隔離作用，鄰近隧道受到基坑開挖的影響較??；而當(dāng)狹長(zhǎng)形小基坑施工時(shí)，由于其寬度小，挖土非常迅速，大大減小了無(wú)支撐的暴露時(shí)間。

(a)分為2個(gè)基坑 (b)分為多個(gè)基坑

上海南京西路1788地塊項(xiàng)目基坑開挖深度為15.5 m，基坑總面積為1.1萬(wàn)m2，距離地鐵2號(hào)線隧道最近處11 m。如圖 2所示，通過(guò)將基坑分為鄰近地鐵的Ⅱ區(qū)狹長(zhǎng)基坑(2 100 m2)和遠(yuǎn)離地鐵的Ⅰ區(qū)大基坑(8 000 m2)，基坑開挖完成后，遠(yuǎn)離地鐵Ⅰ區(qū)基坑地下連續(xù)墻最大水平位移達(dá)77.4 mm(測(cè)點(diǎn)QX11)，而鄰近地鐵側(cè)Ⅱ區(qū)地下連續(xù)墻最大水平位移僅為23.6 mm(測(cè)點(diǎn)QX4)。2號(hào)線隧道在基坑施工期間的最大豎向位移控制在6 mm以內(nèi)，保障了地鐵2號(hào)線的運(yùn)營(yíng)安全。

(a)基坑分區(qū)設(shè)計(jì)(單位: mm)

而對(duì)于面積較大的基坑工程，可將遠(yuǎn)離隧道的大基坑進(jìn)一步劃分為2個(gè)或以上的分區(qū)(見圖1(b))。寧波綠地中心項(xiàng)目包含5幢高層辦公樓和公寓樓，整體設(shè)3層地下室，基坑面積達(dá)4.1萬(wàn)m2，開挖深度為15.9～18.1 m，西側(cè)距地鐵2號(hào)線區(qū)間隧道最近11.5 m、距離車站最近處23.5 m。如圖3所示，將地下室分為7個(gè)大基坑(Ⅰ—Ⅵ區(qū)，Ⅱ區(qū)包含2個(gè)大基坑)，靠近隧道范圍內(nèi)設(shè)置了3個(gè)狹長(zhǎng)形小基坑(Ⅱ-A、Ⅱ-B、Ⅱ-C)?；臃?個(gè)階段實(shí)施：1)開挖Ⅰ、Ⅱ-E及Ⅲ區(qū)基坑；2)待上述基坑地下結(jié)構(gòu)完成后，開挖Ⅱ-A、Ⅱ-B、Ⅱ-D、Ⅳ及Ⅴ區(qū)；3)開挖Ⅱ-C、Ⅵ區(qū)基坑。

(a)基坑分區(qū)平面布置

如圖4所示，緊鄰隧道地下連續(xù)墻最大測(cè)斜發(fā)生在測(cè)點(diǎn)CX15和CX16處，測(cè)斜值分別為11.3 mm(0.07%H，H為基坑開挖深度)和10.3 mm(0.06%H)，遠(yuǎn)小于常規(guī)地鐵側(cè)基坑0.14%H的變形要求。而對(duì)比開挖深度及圍護(hù)體基本相同的Ⅲ區(qū)CX24測(cè)點(diǎn)，基坑完成后地下連續(xù)墻最大測(cè)斜為46 mm(0.29%H)。這說(shuō)明遠(yuǎn)離隧道Ⅱ-E區(qū)大基坑開挖期間，未開挖的Ⅱ-A區(qū)、Ⅱ-B區(qū)狹長(zhǎng)小基坑起到了很好的隔離作用。鄰近隧道狹長(zhǎng)形小基坑開挖期間，CX15和CX16處地下連續(xù)墻測(cè)斜分別增加了23.8 mm和21 mm，是大基坑開挖引起變形的2倍，這說(shuō)明控制狹長(zhǎng)形基坑施工期間的圍護(hù)變形對(duì)于減小整個(gè)基坑開挖對(duì)鄰近隧道的影響至關(guān)重要，地下結(jié)構(gòu)完成后隧道的最大沉降為17 mm，小于管理部門提出的20 mm的變形控制要求。

(a)地下連續(xù)墻測(cè)斜

1.2 軸力自動(dòng)補(bǔ)償鋼支撐系統(tǒng)

上海軟土地區(qū)遠(yuǎn)離地鐵大基坑通常采用十字正交布置的鋼筋混凝土支撐。如圖2所示的1788地塊項(xiàng)目的 Ⅰ 區(qū)基坑，十字正交支撐傳力明確，有利于控制面積較大的基坑變形。對(duì)于狹長(zhǎng)小基坑，由于基坑距離隧道較近，支撐既要具有足夠大的剛度，同時(shí)也需要滿足施工速度快的要求。通常首道支撐采用鋼筋混凝土支撐，增強(qiáng)圍護(hù)墻頂口約束，其余支撐采用無(wú)圍檁的鋼支撐體系，每根鋼支撐設(shè)置軸力自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)施加預(yù)應(yīng)力。相較傳統(tǒng)鋼支撐預(yù)應(yīng)力一次性施加完成，后續(xù)軸力變化情況無(wú)法監(jiān)控和調(diào)整，采用軸力自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的鋼管支撐可以有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形及變形速率；開挖過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變形和鋼支撐預(yù)應(yīng)力損失數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果自動(dòng)進(jìn)行軸力補(bǔ)償，從而達(dá)到在整個(gè)開挖過(guò)程中實(shí)時(shí)控制圍護(hù)墻和鄰近隧道變形的目的。

上海黃浦江南延伸地塊項(xiàng)目包含9個(gè)地塊，整體設(shè)置3層地下室，項(xiàng)目西側(cè)為地鐵11號(hào)線龍耀路車站及區(qū)間隧道。其中，夢(mèng)中心F地塊位于西側(cè)中間位置，基坑總面積約1萬(wàn)m2。為降低基坑開挖對(duì)鄰近西側(cè)地鐵設(shè)施的影響，將基坑分為F1、F2-1、F2-2、F2-3 4個(gè)區(qū)域，先實(shí)施遠(yuǎn)離地鐵的F1區(qū)大基坑，待地下結(jié)構(gòu)完成后，再依次開挖F2-1、F2-2及F2-3區(qū)，如圖5所示。鄰近地鐵窄條基坑F2區(qū)豎向設(shè)置5道支撐，第1道為混凝土支撐，第2—5道均為軸力自動(dòng)補(bǔ)償鋼管支撐，如圖6所示，開挖過(guò)程中通過(guò)液壓系統(tǒng)進(jìn)行軸力控制，預(yù)加軸力分別為1 200、1 500、1 800、2 000 kN。

(a)平面圖 (b)A-A剖面圖

圖6 鄰地鐵F2區(qū)軸力自動(dòng)補(bǔ)償鋼支撐實(shí)景

基坑開挖階段，鋼管支撐的安裝進(jìn)度需和挖土速度相互匹配，原則上12 h內(nèi)完成1個(gè)工作區(qū)段的開挖與安裝，盡量減少基坑的無(wú)支撐暴露時(shí)間。開挖階段應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求分階段控制累計(jì)變形，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整施加軸力大小，從而控制最終的累計(jì)變形量。3個(gè)鄰近地鐵的窄條基坑各階段圍護(hù)體最大變形如表1所示。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，底板澆筑完成后，圍護(hù)體最大變形在9 mm以內(nèi)，這說(shuō)明軸力自動(dòng)補(bǔ)償鋼支撐對(duì)控制狹長(zhǎng)小基坑開挖階段的變形效果顯著。整個(gè)開挖過(guò)程中地鐵車站和附屬設(shè)施的沉降小于3 mm，充分保證了地鐵的運(yùn)營(yíng)安全。

表1 F2區(qū)鄰地鐵側(cè)圍護(hù)體最大測(cè)斜

1.3 坑內(nèi)土體加固設(shè)計(jì)方法

1.3.1 加固體布置

鄰近地鐵及區(qū)間隧道的基坑，通常在鄰近地鐵一側(cè)設(shè)置狹長(zhǎng)形小基坑，并對(duì)小基坑范圍內(nèi)土體進(jìn)行滿堂加固，在地鐵隧道與大基坑之間形成隔離屏障。對(duì)于遠(yuǎn)離的大坑被動(dòng)區(qū)進(jìn)行裙邊加固，增大被動(dòng)區(qū)土體抗力。

上海外灘596地塊項(xiàng)目位于上海黃浦區(qū)，整體設(shè)置3層地下室。如圖7所示，S1、S2基坑面積分別約為4 626、3 144 m2，開挖深度約為17.15 m。S1、S2地塊基坑距離9號(hào)線隧道最近距離分別為8、7.8 m。2個(gè)基坑分別劃分遠(yuǎn)離隧道的A區(qū)、緊鄰隧道的B區(qū)(狹長(zhǎng)小基坑)，并先后順作實(shí)施。采用三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行坑內(nèi)土體加固，S1-A、S2-A 區(qū)被動(dòng)區(qū)加固寬度為8.0 m，加固深度自地表至基底以下5 m，其中基底以上三軸水泥摻量為10%，基底以下水泥摻量為20%。S1-B、S2-B區(qū)加固深度自地表至基底以下10 m，滿堂布置，水泥摻量20%，三軸攪拌樁與圍護(hù)墻之間的空隙采用高壓旋噴樁填實(shí)。鄰近隧道的狹長(zhǎng)形加固體對(duì)隧道起到了較好的保護(hù)作用，兩側(cè)基坑全部完成后，隧道最終僅發(fā)生12.9 mm的豎向隆起[2]。

(a)加固平面

當(dāng)基坑緊鄰隧道時(shí)，對(duì)基坑開挖引起的變形要求苛刻，此時(shí)坑內(nèi)土體加固可采用全方位高壓噴射注漿法(MJS工法)。它通過(guò)高壓噴射流切割土體并與土體攪拌形成水泥土加固體，具有強(qiáng)制排漿、可調(diào)控地內(nèi)壓力等功能，對(duì)周邊環(huán)境影響小，最大成樁直徑可達(dá)4.2 m，最大成樁深度可達(dá)60 m。近年來(lái)在鄰近地鐵及隧道基坑項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用并取得了很好的變形控制效果。

1.3.2 土體加固效果

土體加固后其水平基床系數(shù)kH(kH=mz，其中，m為比例系數(shù)，z為開挖對(duì)土體的影響深度)將會(huì)發(fā)生改變，加固后土體剛度是控制基坑開挖變形的關(guān)鍵因素。筆者團(tuán)隊(duì)收集了上海地區(qū)6個(gè)鄰近地鐵隧道的工程案例，各項(xiàng)目名稱、基坑面積、開挖深度、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式和土體加固形式見表2。結(jié)合Ucode反分析軟件和Abaqus有限元分析軟件，根據(jù)圍護(hù)墻的實(shí)測(cè)變形，對(duì)基坑平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點(diǎn)法中土層參數(shù)m值進(jìn)行反演分析[8]。

表2 用于m值反分析鄰隧道基坑工程案例概況

將反分析得出的加固前后土體m值進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。由表可知，地基加固能夠明顯增大土體m值，提高土體抗變形能力，從而減小基坑開挖變形?；谏鲜錾虾５貐^(qū)收集的工程測(cè)試資料的反分析結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)可靠有效的土體加固后，加固體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和基床系數(shù)可提高2～3倍。

表3 反分析得出加固前后土層m值對(duì)比

1.4 坑外隔斷設(shè)計(jì)方法

隔斷法是在基坑外側(cè)與隧道之間設(shè)置隔離樁，在變形的傳播路徑上加以阻隔，從而達(dá)到降低對(duì)既有隧道影響的目的。隔離樁深度應(yīng)穿越潛在滑動(dòng)面，一旦基坑外側(cè)土體產(chǎn)生滑移變形時(shí)，隔離樁通過(guò)其抗剪及豎向抗拔能力抑制土體向基坑方面的滑動(dòng)，從而減少圍護(hù)墻體變形和基坑底部土體隆起。墻后土體發(fā)生沉降時(shí)，隔離樁能夠提供一定的樁側(cè)摩阻力，限制墻后土體和隧道的豎向變形。

隔離樁通常采用鉆孔灌注樁，如前文所述的寧波綠地中心項(xiàng)目基坑，圍護(hù)體施工前，在基坑與2號(hào)線隧道之間施工φ600@750的鉆孔灌注樁作為隔離樁，樁長(zhǎng)32 m，距離隧道凈距最小處6.5 m(如圖8所示)。相關(guān)研究表明：隔離樁距離隧道越近，基坑開挖對(duì)既有隧道變形的影響越小[9]。但同時(shí)應(yīng)注意控制灌注樁施工對(duì)既有隧道的影響，因此需要保證樁與隧道具有足夠的安全距離。例如：上海市規(guī)定在隧道邊緣以外3 m內(nèi)，不允許進(jìn)行任何工程施工。

1.5 承壓水控制設(shè)計(jì)方法

1.5.1 隔-降-灌一體化設(shè)計(jì)

沿江沿海軟土地區(qū)的承壓含水層分布廣泛、厚度大且相鄰承壓含水層存在相互連通的情況。承壓含水層水頭壓力大、含水量豐富，控制不當(dāng)可能會(huì)引發(fā)基坑突涌，危及運(yùn)營(yíng)隧道設(shè)施的安全。因此，基坑設(shè)計(jì)需采取必要的措施控制承壓水對(duì)隧道的影響。

對(duì)于承壓含水層埋藏深度較淺或厚度較小的基坑工程，設(shè)計(jì)中可設(shè)置較深的地下連續(xù)墻隔水帷幕，穿越承壓含水層并進(jìn)入相對(duì)隔水層一定的深度，以隔斷基坑內(nèi)外承壓水的水力聯(lián)系，然后采用常規(guī)的基坑疏干降水的方式即能解決承壓水的問(wèn)題[10]。

對(duì)于較厚的深部承壓含水層，無(wú)法完全隔斷時(shí)可設(shè)置懸掛帷幕，并進(jìn)行坑內(nèi)降水。懸掛帷幕應(yīng)有足夠的深度，宜采用隔-降-灌一體化設(shè)計(jì)方案，并評(píng)估承壓降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。首先，需開展現(xiàn)場(chǎng)承壓含水層抽水試驗(yàn)，通過(guò)設(shè)置水位觀測(cè)井及地表沉降觀測(cè)點(diǎn)，得到抽水過(guò)程中含水層水位變化及地表沉降數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中水位變化、地表沉降曲線進(jìn)行反演分析，分別得到承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)及合理的土層沉降計(jì)算參數(shù)。然后，結(jié)合抽水試驗(yàn)結(jié)果深化降水設(shè)計(jì)，確定承壓水減壓井(及回灌井)布置、數(shù)量、井的構(gòu)造及合理的懸掛帷幕深度，并建立符合實(shí)際的基坑降水三維滲流分析模型進(jìn)行滲流分析，得到承壓水降水引起的各土層水頭變化，進(jìn)而預(yù)估降水引起的土體變形及對(duì)周邊環(huán)境的影響。當(dāng)基坑周邊有對(duì)變形控制要求嚴(yán)格的保護(hù)對(duì)象時(shí)，可在懸掛帷幕和保護(hù)對(duì)象之間設(shè)置回灌井，在坑內(nèi)抽水的同時(shí)通過(guò)坑外回灌井使基坑周邊被保護(hù)區(qū)域承壓含水層水位控制在允許范圍內(nèi)，從而減小承壓水降水引起的周邊地層的變形和對(duì)保護(hù)對(duì)象的影響。

上海路發(fā)廣場(chǎng)基坑開挖深度為21.9 m，距7號(hào)線隧道14.8 m，⑦1、⑦2層為承壓含水層且相互連通，厚度超過(guò)35 m。如圖9(a)所示，采用1 m厚地下連續(xù)墻作懸掛帷幕，深度52 m，其中隔水段長(zhǎng)15.65 m，墻底較減壓井濾管底深10 m。根據(jù)圖9(b)所示的降水影響分析結(jié)果，設(shè)置懸掛帷幕，坑內(nèi)抽降承壓水對(duì)周邊隧道的影響可控。基坑開挖期間，實(shí)測(cè)坑內(nèi)承壓水位降低約9 m，坑外水位僅降低0.9 m，實(shí)測(cè)區(qū)間隧道最大沉降僅3.5 mm，保證了7號(hào)線的正常運(yùn)營(yíng)。

1.5.2 超深等厚度水泥土攪拌墻隔水帷幕

上述2個(gè)案例均采用地下連續(xù)墻作為隔水帷幕，雖然隔水效果好，但是造價(jià)較高。超深等厚度水泥土攪拌墻技術(shù)為鄰隧道的基坑工程深層地下水控制提供了新對(duì)策，該技術(shù)根據(jù)不同成墻工藝可分為渠式切割水泥土攪拌墻技術(shù)(TRD工法)和銑削式水泥土攪拌墻技術(shù)(SMC工法)。這2項(xiàng)技術(shù)各具特點(diǎn)，可應(yīng)對(duì)不同工程需求。

TRD工法是通過(guò)鏈鋸型刀具插入地基至設(shè)計(jì)深度后，全深度范圍對(duì)成層地基土整體上下回轉(zhuǎn)切割噴漿攪拌，并持續(xù)橫向推進(jìn)，形成連續(xù)無(wú)縫的等厚度水泥土攪拌墻。SMC工法是通過(guò)鉆具底端的2組銑輪軸向旋轉(zhuǎn)、豎向掘削地基土至設(shè)計(jì)深度后，提升噴漿攪拌形成一定寬度的水泥土墻幅，并通過(guò)對(duì)相鄰已施工墻幅銑削作業(yè)連接形成等厚度水泥土攪拌墻。2種工法應(yīng)用范圍廣，成墻質(zhì)量均勻性好(如圖10所示)、強(qiáng)度高、抗?jié)B性能好，適用于軟黏土、密實(shí)砂土、卵礫石及巖層等各類復(fù)雜土層。

(a)TRD工法 (b)SMC工法

與此同時(shí)，超深水泥土攪拌墻施工對(duì)周邊環(huán)境影響較小[11]，對(duì)緊鄰隧道的基坑工程具有較好的適用性。例如：上海新閘路西斯文理項(xiàng)目，基坑開挖深度為15.8～18.6 m，基坑周邊采用700 mm厚、50 m深等厚度水泥土攪拌墻(TRD工法)作為隔水帷幕，攪拌墻外側(cè)距13號(hào)線地鐵隧道最近處約2.8 m，如圖11所示，墻體施工期間隧道沉降僅1 mm，保證了地鐵隧道的正常運(yùn)營(yíng)。目前，超深等厚度水泥土攪拌墻技術(shù)在上海、蘇州、天津、南昌、武漢等幾十項(xiàng)基坑工程中均有應(yīng)用[12-14]。

1.6 變形控制設(shè)計(jì)效果評(píng)價(jià)

筆者統(tǒng)計(jì)了上海、浙江等軟土地區(qū)20個(gè)鄰地鐵及區(qū)間隧道基坑的變形情況，如圖12所示，基坑均采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

高校擴(kuò)招政策對(duì)城鄉(xiāng)之間不同收入群體的影響也存在著分化。其中，高校擴(kuò)招政策對(duì)城鄉(xiāng)不同收入群體教育產(chǎn)生擴(kuò)大的“馬太效應(yīng)”，但在一定程度上縮小了城鄉(xiāng)間高收入群體的收入差距。

由圖12可知，鄰近隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大測(cè)斜δhmax與基坑開挖深度H的比值分布在0.07%～0.41%，其中，整坑實(shí)施的基坑的圍護(hù)體最大測(cè)斜平均值約為0.22%H，遠(yuǎn)小于徐中華等[15]統(tǒng)計(jì)的上海地區(qū)常規(guī)非地鐵側(cè)基坑工程圍護(hù)體最大測(cè)斜平均值(約為0.42%H)。這主要是由于鄰近地鐵的基坑一般采用剛度較大的地下連續(xù)墻作為圍護(hù)體，加之支撐往往采用間距較密的平面布置形式(如十字正交)，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體剛度加大，其抵抗水平變形的能力較強(qiáng)，因此總體上開挖引起墻體測(cè)斜較小。

圖12 地鐵及隧道側(cè)基坑變形情況統(tǒng)計(jì)

由圖12還可以看出，對(duì)于鄰地鐵采用分區(qū)實(shí)施的基坑，統(tǒng)計(jì)得出的圍護(hù)體最大測(cè)斜為0.15%H，平均值為0.11%H，數(shù)值僅為地鐵側(cè)整坑基坑變形的1/2，約為常規(guī)非地鐵側(cè)基坑變形的1/4。一方面，采用分區(qū)方案能夠有效保證各小分區(qū)開挖與支撐施工速度，特別是在軟土地層中，減少了無(wú)支撐暴露的時(shí)間，從而減小了基坑變形；另一方面，本文收集的分區(qū)實(shí)施基坑案例，同時(shí)采用了土體加固、坑外隔斷以及合理的承壓水控制方法，這些措施也能夠進(jìn)一步減小緊鄰地鐵的圍護(hù)體變形。因此，綜合采用上述設(shè)計(jì)方法是控制地鐵隧道變形和保護(hù)其安全的有效手段。

2 基于小應(yīng)變本構(gòu)模型(HS-Small模型)的基坑開挖對(duì)隧道影響分析方法

2.1 土體小應(yīng)變本構(gòu)模型及參數(shù)

基坑開挖及對(duì)周邊環(huán)境影響是一個(gè)土體和結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜問(wèn)題，數(shù)值分析方法既能模擬復(fù)雜土層的力學(xué)特性和基坑開挖過(guò)程，也能定量得到土體和周邊環(huán)境的變形，廣泛應(yīng)用于評(píng)估基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響。如圖13所示，土體在小應(yīng)變(應(yīng)變水平<0.1%)范圍內(nèi)表現(xiàn)出初始剛度大、剛度隨應(yīng)變?cè)黾佣p的非線性特性。相關(guān)研究表明，基坑工程附近土體大都處在小應(yīng)變的范圍內(nèi)[16]。因此，當(dāng)需分析基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境影響時(shí)，宜采用能反映土體小應(yīng)變特性的彈塑性本構(gòu)模型[17]。

圖13 典型土體剛度遞減曲線

表4 上海典型土層HS-Small模型參數(shù)取值方法

2.2 基坑開挖對(duì)隧道影響分析案例

2.2.1 工程及設(shè)計(jì)概況

上海世博會(huì)A片區(qū)綠谷項(xiàng)目分為2期開發(fā)，其中綠谷一期項(xiàng)目基坑總面積約38 000 m2，周長(zhǎng)約791 m，開挖深度為11.4～18.6 m，基坑西側(cè)鄰近西藏南路越江隧道，距離隧道最近處約10 m。

隧道采用大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工，隧道外徑為11.36 m，內(nèi)徑為10.36 m，由8塊管片組成圓環(huán),管片厚度為500 mm，環(huán)寬1.5 m，管片實(shí)施1/2搭接的錯(cuò)縫拼裝形式。所在場(chǎng)地為上海典型土層分布，開挖深度范圍內(nèi)的土層有①填土層、②粉質(zhì)黏土層、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層、④淤泥質(zhì)黏土層及⑤1黏土層。24 m埋深以下分布有⑥暗綠色硬黏土層，下部分布有穩(wěn)定的⑦砂質(zhì)粉土、砂土層。

鑒于距離隧道較近，基坑采用分區(qū)設(shè)計(jì)方法。如圖14(a)所示，在西藏南路隧道一側(cè)劃分寬度約為15 m的狹長(zhǎng)形基坑(Ⅱ區(qū)基坑)，剩余基坑分為Ⅰ區(qū)(面積16 000 m2)、Ⅲ區(qū)(面積19 000 m2)。基坑分區(qū)施工順序?yàn)椋孩瘛?1、Ⅱ-3—Ⅱ-2、Ⅱ-4—Ⅲ。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用剛度大的“兩墻合一”地下連續(xù)墻，普遍區(qū)域(東側(cè)、西側(cè)與北側(cè))地下連續(xù)墻厚1.0 m，基坑南側(cè)及Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)、Ⅱ區(qū)與Ⅲ區(qū)隔斷墻采用0.8 m厚地下連續(xù)墻。Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)設(shè)置3道混凝土支撐，鄰隧道Ⅱ區(qū)狹長(zhǎng)基坑采用混凝土支撐結(jié)合3道軸力自動(dòng)補(bǔ)償鋼支撐[25]。Ⅰ區(qū)被動(dòng)區(qū)土體設(shè)置8 m寬的裙邊加固，Ⅱ區(qū)土體采取滿堂加固(見圖14(b))。

(a)基坑平面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2.2 三維有限元模型及小應(yīng)變參數(shù)

三維有限元模型包括了土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、水平支撐體系、鄰近西藏南路隧道。土體采用10節(jié)點(diǎn)楔形體實(shí)體單元模擬，鄰近隧道、共同溝和基坑支護(hù)墻體采用6節(jié)點(diǎn)三角形Plate殼單元模擬，水平支撐體系采用3節(jié)點(diǎn)beam梁?jiǎn)卧M，立柱采用Embedded-pile模型模擬。計(jì)算模型約束條件為側(cè)邊約束水平位移，底部同時(shí)約束水平和豎向位移。整個(gè)有限元模型共劃分86 266個(gè)單元、131 663個(gè)節(jié)點(diǎn)。土體采用HS-Small小應(yīng)變本構(gòu)模型，結(jié)合本場(chǎng)地勘察報(bào)告和上海黏土小應(yīng)變本構(gòu)模型參數(shù)取值方法(見表4)確定計(jì)算參數(shù)，如表5所示。計(jì)算中，黏土采用不排水分析。

表5 土體HS-Small模型參數(shù)

2.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.3.1 圍護(hù)墻及周邊土體變形

圖15(a)為基坑開挖完成后地下連續(xù)墻測(cè)斜云圖?？拷鞑啬下匪淼纻?cè)的Ⅱ區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形要明顯小于東側(cè)、南側(cè)和北側(cè)，其中，Ⅱ區(qū)地下連續(xù)墻最大測(cè)斜為28.5 mm，Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形分別為63.2、80.8 mm。圖15(b)示出地下連續(xù)墻計(jì)算測(cè)斜與實(shí)測(cè)值的對(duì)比情況，計(jì)算得到的各個(gè)工況下的地下連續(xù)墻測(cè)斜形態(tài)及數(shù)值與實(shí)測(cè)曲線基本一致，可以看出設(shè)置狹長(zhǎng)小基坑分區(qū)能夠較好地控制鄰近隧道側(cè)的基坑變形。

(a)地下連續(xù)墻變形云圖(單位: mm)

圖16為基坑開挖至基底時(shí)Ⅱ區(qū)基坑地下連續(xù)墻周圍土體剪應(yīng)變等值線圖。從圖中可以看出，基坑影響范圍內(nèi)土體剪應(yīng)變均不大于0.3%，基本處在小應(yīng)變的范圍之內(nèi)。采用分區(qū)開挖后，靠近隧道側(cè)基坑周邊土體剪應(yīng)變最小，說(shuō)明采用土體小應(yīng)變本構(gòu)模型分析基坑變形是非常必要的。

圖16 綠谷項(xiàng)目Ⅱ區(qū)基坑地下連續(xù)墻周圍土體剪應(yīng)變等值線圖

2.2.3.2 隧道變形

圖17示出距離基坑較近的東線隧道計(jì)算位移與實(shí)測(cè)值對(duì)比。在Ⅰ區(qū)地下室結(jié)構(gòu)完成時(shí)的最大水平位移和豎向位移實(shí)測(cè)值分別為4.0、4.8 mm(對(duì)應(yīng)計(jì)算值分別為5.8、4.4 mm)，Ⅱ區(qū)地下室結(jié)構(gòu)完成時(shí)的最大水平位移和豎向位移實(shí)測(cè)值分別為7.0、8.6 mm(對(duì)應(yīng)計(jì)算值分別為7.8、8.5 mm)。計(jì)算結(jié)果不僅在數(shù)值上與實(shí)測(cè)值吻合，隧道變形形態(tài)也基本一致：在基坑平面范圍內(nèi)隧道產(chǎn)生的變形較大，隨著與基坑距離的增大，隧道水平及豎向位移均逐漸減小。

(a)水平位移

因此，采用基于小應(yīng)變本構(gòu)模型(HS-Small模型)，能夠較好地評(píng)估基坑開挖變形及對(duì)鄰近隧道的影響；同時(shí)，綜合采用分區(qū)、坑內(nèi)加固等設(shè)計(jì)方法能夠有效控制基坑開挖對(duì)隧道的影響，保證隧道運(yùn)營(yíng)安全。

3 結(jié)論與建議

基坑對(duì)鄰近隧道的影響是一個(gè)非常復(fù)雜的土與結(jié)構(gòu)共同作用的問(wèn)題，鄰近隧道的基坑工程變形控制要求高、難度大。本文闡述了基于軟土地層鄰近隧道深基坑工程實(shí)踐總結(jié)形成的較為成熟的變形控制設(shè)計(jì)方法，主要包括分區(qū)設(shè)計(jì)、軸力自動(dòng)補(bǔ)償鋼支撐、坑內(nèi)土體加固、坑外隔斷以及承壓水控制等。綜合采取上述設(shè)計(jì)方法能夠達(dá)到良好的變形控制效果，總體能滿足地鐵及隧道變形控制和結(jié)構(gòu)安全的要求。

1)分區(qū)設(shè)計(jì)能夠有效保證各分區(qū)的開挖與支撐施工速度，特別是在軟土地層中，減少了無(wú)支撐暴露的時(shí)間和基坑變形。通過(guò)在窄條形基坑中設(shè)置軸力自動(dòng)補(bǔ)償鋼支撐能夠有效控制近接施工時(shí)隧道結(jié)構(gòu)的變形。

2)基坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體經(jīng)過(guò)可靠有效的加固后，土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和基床系數(shù)可提高2～3倍，能夠在源頭上提高基坑抵抗變形的能力，結(jié)合坑外布置的隔離樁可進(jìn)一步在傳播路徑上減小基坑開挖對(duì)緊鄰隧道的影響。

3)承壓含水層較厚無(wú)法隔斷時(shí)應(yīng)采用“隔-降-灌”一體化設(shè)計(jì)方法，充分評(píng)估承壓降水對(duì)隧道的影響。超深等厚度水泥土攪拌墻(如TRD、SMC工法)質(zhì)量好、適用土層廣、施工環(huán)境影響小，為緊鄰隧道基坑工程深層地下水控制提供了新對(duì)策。

4)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和工程案例反演分析，首次提出了上海軟土地層小應(yīng)變本構(gòu)模型(HS-Small模型)全套參數(shù)的確定方法，基于小應(yīng)變本構(gòu)模型的數(shù)值分析方法為評(píng)估基坑開挖對(duì)隧道的影響提供了有效的技術(shù)手段。