孫皓, 趙森森, 趙文財(cái), 牛方園

(1.西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院, 西安 710127; 2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院, 上海 200092;3.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院, 西安 710064; 4.中建絲路建設(shè)投資有限公司, 西安 710000)

近年來,城市地下空間建設(shè)不斷發(fā)展,越來越多的新建地下結(jié)構(gòu)將位于既有地鐵隧道上方,兩者不可避免會(huì)產(chǎn)生近接工程問題。目前以西安、鄭州等為代表的黃土地層和以上海、天津等為代表的軟土地層均出現(xiàn)了在既有地鐵結(jié)構(gòu)上方進(jìn)行施工的案例,地下結(jié)構(gòu)施工過程中由于基坑開挖或頂管開挖改變了土體的應(yīng)力場(chǎng),使得地鐵隧道產(chǎn)生變形,危害結(jié)構(gòu)安全。因此深入研究下臥地鐵隧道在上部土體開挖卸荷時(shí)的變形受力規(guī)律及影響因素對(duì)于地鐵結(jié)構(gòu)的安全具有重要的意義。

目前地下工程施工多采用明挖法修建[1],一些學(xué)者采用理論推導(dǎo)、數(shù)值分析、模型試驗(yàn)等方法深入研究了基坑開挖對(duì)下臥隧道的影響。理論方面目前主要采用兩階段應(yīng)力法計(jì)算基坑開挖后下臥隧道的隆起量,不同的學(xué)者[2-4]針對(duì)不同的土體模型(彈性、黏彈性等)、地基模型(Winkler、Vlazov、Pasternak、Kerr)和梁模型(Euler-Bernoulli梁、Timoshenko)對(duì)該方法進(jìn)行了研究和改進(jìn)。文獻(xiàn)[5-7]通過建立有限元模型分析下臥隧道變形受力規(guī)律,研究施工方式及加固措施對(duì)下臥隧道的影響,特別地,楊友彬等[8]依托昆明軟土地區(qū)某基坑工程,分析了基坑預(yù)加固對(duì)地鐵隧道變形受力的影響。張浩等[9]通過相似模型試驗(yàn)研究下臥隧道的變形受力規(guī)律。任印文[10]基于縮尺模型試驗(yàn)分析了基坑開挖深度對(duì)下臥既有地鐵隧道力學(xué)性能的影響。劉波等[11]基于案例調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到3類地層條件下基坑卸荷開挖對(duì)地鐵隧道變形的影響特征。畢書琦等[12]分析了基坑開挖作用下下臥既有隧道結(jié)構(gòu)的垂直變形和凈空收斂變形,并驗(yàn)證了加固措施的有效性。對(duì)于頂管法頂進(jìn)施工對(duì)既有隧道的影響研究,Liang等[13]設(shè)計(jì)離心實(shí)驗(yàn),研究了既有管道受隧道開挖的影響,分析了地層損失率、管線埋深等對(duì)管道的附加應(yīng)力和變形影響。魏剛等[14]基于相似理論,分析了頂管施工對(duì)既有盾構(gòu)隧道的位移影響規(guī)律以及隧道彎矩變化情況。吳垠龍等[15]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)合分析了矩形頂管施工時(shí)下臥地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形響應(yīng)特征,同時(shí)動(dòng)態(tài)模擬了頂管頂進(jìn)施工時(shí)側(cè)摩阻力對(duì)下臥隧道變形的影響特征。張治成等[16]依托杭州德勝路綜合管廊工程,采用Plaxis3D建立三維模型,提出適用于頂管法的土體收縮率確定方法,通過土體收縮率模擬地層損失的影響。姜之陽等[17]借助FLAC3D有限差分軟件模擬了雙線矩形頂管施工對(duì)下臥既有地鐵隧道變形影響特征,進(jìn)一步分析了不同抗浮配重對(duì)地鐵隧道變形的抑制效果。

綜上可知,目前對(duì)基坑開挖或頂管開挖對(duì)下臥隧道變形受力影響研究多集中于深大基坑與盾構(gòu)隧道,且多單獨(dú)研究基坑開挖或者頂管法對(duì)下臥隧道的影響,對(duì)兩者共同作用的研究較少。鑒于此,現(xiàn)依托西安市雨水管道工程(上跨既有地鐵線),對(duì)比分析明挖法和頂管法施工時(shí)下臥隧道變形規(guī)律,通過正交試驗(yàn),研究在基坑開挖和頂管開挖共同作用下下臥隧道隆起量的影響因素,以期達(dá)到指導(dǎo)施工的效果。

1 工程概況

所研究西安市雨水管道工程總長(zhǎng)度約900 m,東西向敷設(shè),敷設(shè)起點(diǎn)布置溢流井,位于西安地鐵某區(qū)間右線隧道上方頂部,管道從溢流井引出后向東上跨該區(qū)間左線隧道后。受本項(xiàng)目雨水管道施工影響范圍內(nèi)的地鐵隧道區(qū)間里程為DK17+124.0～DK17+153.0對(duì)應(yīng)總長(zhǎng)為29 m。如圖1所示,右線隧道距溢流井底6.50 m,左線隧道B形斷面拱頂埋深為10.24 m,距基底處理層6.30 m,C形斷面拱頂埋深為9.55 m, 距基底處理層5.55 m。

圖1 管廊與地鐵相對(duì)位置關(guān)系圖Fig.1 Relative position diagram of pipe gallery and subway

雨水管道原方案采用明挖順筑法施工,雨水管槽基坑寬度約3.7 m,開挖深度 4.0～4.1 m,溢流井位于地鐵右線隧道上方,寬度約為6.9 m,長(zhǎng)度約為7.4 m,開挖深度約為4.4 m,結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及工程水文地質(zhì)條件,整條管線敷設(shè)路徑上均采用鋼板樁+型鋼支撐等形式進(jìn)行支護(hù)開挖。由于明挖順筑法對(duì)地面交通影響較大,因此新方案采用頂管法施工,首先施作工作坑,然后進(jìn)行挖土頂進(jìn),施工中為保證地層的穩(wěn)定,第一條管道頂推施工完成后再施工第二條管道,頂管法現(xiàn)場(chǎng)施工如圖2所示。

圖2 頂管施工現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.2 Pipe-jacking construction

2 下臥地鐵區(qū)間變形受力規(guī)律數(shù)值分析

2.1 數(shù)值模型建立

圖3為數(shù)值計(jì)算模型,數(shù)值模型計(jì)算的范圍為模型的四周及底部設(shè)置法向約束。在模擬頂管法施工過程中在管片和土體之間設(shè)置一層等厚的間隙單元,間隙單元的模量小于土體的模量,用以模擬頂管開挖后土體和管片貼合的過程。頂管管片、基坑圍護(hù)、二襯采用shell63單元,鋼支撐采用beam4單元,其余采用solid45單元。值得注意的是模型中左隧道為實(shí)際工程右線隧道,而模型中右隧道為實(shí)際工程左線隧道。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型Fig.3 Numerical calculation model

地層參數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)[18-19],土體共5層,采用D-P(Drucker-Prager)本構(gòu)模型,具體參數(shù)如表1所示。

表1 土體材料參數(shù)

數(shù)值模擬流程為:第一步施加重力求解初始地應(yīng)力,第二步開挖下臥隧道,激活初支和二襯。對(duì)于明挖法施工,第三步開挖溢流井基坑并激活鋼板樁,第四步開挖管道基坑,激活鋼板樁和鋼支撐。對(duì)于頂管法施工,第三步開挖工作坑,第四步鈍化頂管第一階段土體、管片和間隙層單元,第五步施加頂推力,第六步鈍化后一階段土體、間隙層和管片單元,激活前一階段管片和間隙層單元,循環(huán)進(jìn)行第五、第六步直至頂管施工完成。為減少對(duì)土體的擾動(dòng),第一條頂管施工完后再施工第二條頂管。

2.2 明挖法數(shù)值模擬結(jié)果分析

如圖4所示,基坑施工結(jié)束后,下臥隧道沿縱向豎向位移曲線兩個(gè)反彎點(diǎn)距離約為5倍基坑寬度,該范圍內(nèi)隆起量較大,同時(shí)滲流井基坑與管道基坑相繼開挖對(duì)下臥隧道的變形影響存在一定的疊加效應(yīng)。滲流井基坑開挖后,左隧道結(jié)構(gòu)拱頂位置受開挖卸荷影響較大,最大隆起量為2.89 mm;管道基坑開挖后,左隧道不同測(cè)點(diǎn)隆起量均大于1 mm,拱頂隆起量增至4.13 mm,右隧道結(jié)構(gòu)整體受開挖卸荷影響較大,隧道結(jié)構(gòu)整體隆起量約增大2 mm,拱頂隆起量由0.92 mm增至3.19 mm。

圖4 明挖法施工地鐵隧道豎向位移圖Fig.4 Vertical displacement of subway under open-cut method

圖5為明挖法施工時(shí)下臥地鐵隧道的水平位移,可見下臥隧道水平位移與隆起量相比較小,約為隆起量的1/10,基坑正下方隧道水平收斂最大。以向右為正方向,溢流井基坑開挖后,左隧道左拱腰產(chǎn)生向右的水平位移,右拱腰發(fā)生向左的水平位移,說明左隧道斷面發(fā)生了橫向收縮,最大收斂值約為0.48 mm;右隧道整體向左移動(dòng)約0.3 mm,斷面基本沒有橫向收縮。管道基坑開挖后,左隧道整體向右移動(dòng),左隧道斷面的收斂增加至0.55 mm,右隧道整體向右移動(dòng),斷面發(fā)生橫向收縮,最大收斂值為0.24 mm。由上述分析可知,說明管道基坑開挖后左隧道會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形,右隧道斷面發(fā)生豎向拉伸變形。

圖5 明挖法施工地鐵隧道水平位移圖Fig.5 Horizontal displacement of subway under open-cut method

2.3 頂管法數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖6所示為采用頂管法施工時(shí)下臥隧道最大隆起量變化情況,施工步5～23步為第一條管道開挖過程,24～42步為第二條管道施工過程。對(duì)于左隧道,第一條管道剛開始開挖時(shí),隆起量略有增加,隨著頂管的推進(jìn),最大隆起量慢慢減少,同樣第二條管道剛開始施工時(shí)隆起量增大,在第二條管道頂進(jìn)過程中隆起量基本保持不變?？傮w來看,采用頂管法左隧道隆起量變化不大,增加約26.08%,左隧道在頂管剛開始施工時(shí)隆起量最大,最大為0.79 mm。右隧道在第一條管道頂進(jìn)施工過程中,隆起量逐漸增大,頂管穿越隧道上方過程中隆起量增加最快,穿越隧道后隆起量基本保持不變;第二條管道頂管施工過程中,最大隆起量按相同的規(guī)律逐漸增大。整個(gè)過程中,隆起量增加約127.2%,最大隆起量為0.64 mm。

圖6 頂管法施工隧道最大隆起量變化圖Fig.6 Variation of maximum heave by pipejacking method

采用頂管法施工時(shí),左右隧道均發(fā)生了向頂推力方向的位移,如圖7所示,頂管正下方的水平位移最大,由于左隧道處于基坑正下方,產(chǎn)生了較大的橫向收斂,最大為0.2 mm,右隧道的橫向收斂較小,其橫向位移產(chǎn)生的主要原因是頂推力的作用,當(dāng)頂管穿越右隧道正上方時(shí),拱頂約有0.14 mm的橫向位移,拱底約有0.06 mm橫向位移,說明右隧道有扭轉(zhuǎn)的趨向,拱頂受到頂管施工的影響更大。

圖7 頂管法施工下臥隧道水平位移變化圖Fig.7 Subway horizontal displacement for pipe jacking method

2.4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

項(xiàng)目采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)法,左線(Z-121～Z-181)和右線(Y-116～Y-176)各設(shè)7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,每個(gè)斷面布置7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),拱頂和道床的3、4、7號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)豎向位移,拱腰的1、2、5、6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)水平位移,測(cè)點(diǎn)布置圖如圖8所示。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.8 Monitoring point arrangement

隨著施工的進(jìn)行,左線隧道測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移變化情況如圖9所示,斷面151距離頂管中心最近,發(fā)生的隆起量最大,頂管施工中隆起量最大為1.0 mm,圖6所示有限元模擬結(jié)果為0.64 mm,比實(shí)測(cè)結(jié)果小,但相差不大,相應(yīng)地?cái)嗝?51的橫向收斂最大,最大達(dá)到1.7 mm,斷面141處于左線隧道斷面的突變處,收斂為負(fù)值,5月1—10日為頂管上穿左線隧道的時(shí)間段,在該段時(shí)間內(nèi)斷面橫向收斂較大。

圖9 左線隧道測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移變化Fig.9 Cumulative displacement of monitoring points for left line

如圖10所示為右線隧道測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移變化情況,斷面146處于溢流井下方,在4月9日,斷面146的豎向位移由0 mm增加到0.3 mm,之后在頂管頂進(jìn)過程中,豎向位移基本不變,斷面116隆起量變化幅度較大,最大為0. 8 mm。在頂管施工過程中斷面116的正向收斂最大,最大為0.6 mm,4月9日橫向收斂減少,最大不超過0.3 mm,由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看出最大的收斂值并不是發(fā)生在溢流井下方的斷面146,而是發(fā)生在斷面116,可能與左線隧道斷面的突變有關(guān),整體來看右線隧道的橫向收斂小于左線。

圖10 右線隧道測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移變化Fig.10 Cumulative displacement of monitoring points for right line

結(jié)合目前隧道現(xiàn)狀已發(fā)生的沉降值和規(guī)范規(guī)定,在雨水管實(shí)施期間的地鐵隧道位移指標(biāo)控制值定為10.0 mm,隧道的累計(jì)位移值沒有超過10.0 mm。

數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)于最大隆起量的模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近,對(duì)于橫向收斂的模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有一定的出入,產(chǎn)生誤差的原因主要如下。

(1)建立有限元模型時(shí)未考慮右隧道斷面的突變。

(2)有限元模擬過程中采用在掌子面施加壓力的方式模擬土體開挖,沒有考慮管壁與土體的摩擦。

(3)有限元材料參數(shù)及土體模型產(chǎn)生的誤差。

2.5 兩種施工方式對(duì)比分析

由表2可以看出,頂管法施工左右線隧道的隆起量遠(yuǎn)小于明挖法,這可能是由于明挖法開挖面積較大,土體卸荷比較大,致使下臥地鐵隧道發(fā)生較大上抬變形。但頂管法橫向收斂大于明挖法施工,實(shí)際工程中應(yīng)注意地鐵隧道結(jié)構(gòu)收斂變形的影響。

表2 兩種施工方式對(duì)比表

3 下臥地鐵隧道隆起量影響因素正交分析

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

目前研究集中于單獨(dú)研究基坑開挖或者頂管開挖對(duì)下臥隧道的影響,而在該工程中,由于溢流井在左隧道上方,雨水管道在右隧道上方,頂管法頂推及卸荷作用和基坑開挖卸荷作用均會(huì)影響下臥隧道的隆起量,且對(duì)隧道左右線的影響程度也不同,為研究頂管施工與基坑開挖兩者共同作用下對(duì)下臥隧道的影響,采用正交試驗(yàn)法分析影響因子的敏感性,試驗(yàn)中僅考慮單條頂管頂進(jìn)過程。

正交試驗(yàn)借助“正交表”可以以較小的實(shí)驗(yàn)次數(shù)分析各因素的重要性以及各因素對(duì)試驗(yàn)的影響,實(shí)驗(yàn)綜合基坑開挖和頂管掘進(jìn)共選取了基坑開挖深度、隧道埋深、頂管埋深、頂管半徑和頂推力共5個(gè)因素(表3),每個(gè)因素下各有3個(gè)水平值,由于基坑開挖深度、隧道埋深、頂管埋深和頂管半徑與卸荷引起的作用在隧道上的附加力有關(guān),因此考慮這4種因素之間的相互作用,采用L27(313)正交表,共需進(jìn)行27次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選擇左右線隧道的最大豎向位移為考核指標(biāo),采用方差分析法與極差分析法分析正交試驗(yàn)的結(jié)果。

表3 正交試驗(yàn)因素水平表

3.2 左隧道正交試驗(yàn)結(jié)果分析

圖11為各因素和左隧道最大隆起量(因素在每個(gè)水平下所有試驗(yàn)的平均值)之間的關(guān)系,左隧道的最大隆起量與頂管半徑和基坑開挖深度成正比,與隧道埋深成反比,通過極差分析可知各因素對(duì)最大隆起量影響排序?yàn)?隧道埋深>基坑開挖深度>頂管半徑>頂管力>頂管埋深。

圖11 左隧道最大隆起量和各因素關(guān)系Fig.11 The uplift of left tunnel varies with various factors

表4為左隧道最大隆起量與各因素之間的方差分析結(jié)果,由分析結(jié)果可以看出5個(gè)因素對(duì)左隧道的隆起量均有顯著影響,影響程度排序和極差分析結(jié)果一致。則AB、CD、AC之間的共同作用對(duì)左隧道的隆起影響顯著,影響程度排序?yàn)镃D>AB>AC,AD、BD、BC共同作用對(duì)左隧道隆起無顯著影響。

表4 左隧道方差分析法正交試驗(yàn)結(jié)果表

結(jié)合極差分析和方差分析結(jié)果,可以看出,由于左隧道處于基坑下方,所以與基坑開挖的相關(guān)因素隧道埋深、基坑開挖深度以及兩者之間的共同作用對(duì)左隧道的隆起量影響較大,基坑開挖深度越大,隧道埋深越小,卸荷比越大,隧道的隆起量越大。管道處于右隧道正上方,與頂管法相關(guān)的因素對(duì)左隧道的影響相對(duì)較小。

3.3 右隧道正交試驗(yàn)結(jié)果分析

圖12為各個(gè)因素和右隧道最大隆起量(因素在每個(gè)水平下所有試驗(yàn)的平均值)之間的關(guān)系,右隧道的最大隆起量與基坑開挖深度、頂管半徑成正比,與隧道埋深成反比。通過極差分析可知各因素對(duì)右隧道最大隆起量影響排序?yàn)?頂管半徑>基坑開挖深度>頂推力>隧道埋深>頂管埋深。

圖12 右隧道最大隆起量和各因素關(guān)系Fig.12 The uplift of left tunnel varies with various factors

由表5可以看出,頂管半徑、基坑開挖深度、頂推力和隧道埋深對(duì)右隧道隆起影響顯著,頂管埋深為次要影響因素,與方差分析結(jié)果一致。CD、BD、AC之間共同作用影響顯著,且CD>BD>AC。

表5 右隧道方差分析法正交試驗(yàn)結(jié)果表

結(jié)合極差分析與方差分析結(jié)果,由于雨水管道處于右隧道上方,與頂管法相關(guān)的因素頂管半徑、頂推力、頂管半徑和頂管埋深共同作用對(duì)右隧道的隆起量影響相對(duì)較大,頂管半徑越大,頂管埋深越大,頂管施工的卸荷作用和頂推作用對(duì)下臥隧道產(chǎn)生的附加力越大,隧道隆起量越大。

從上述分析可知,左隧道的隆起量主要受基坑開挖的卸荷作用影響,右隧道的隆起量主要受頂管施工的頂推作用和開挖卸荷作用影響,對(duì)左隧道影響較大的因素為隧道埋深和基坑開挖深度,實(shí)際工程中可以通過控制基坑開挖的速度來控制下臥隧道的隆起速率,通過配重等方法抑制下臥隧道的隆起;對(duì)右隧道影響較大的因素為頂管半徑與頂推力,實(shí)際工程中應(yīng)注意控制頂推力同時(shí)不要超挖來減小對(duì)下臥隧道的影響。同時(shí)應(yīng)該注意各因素之間不一定是相互獨(dú)立的,需要考慮因素組合對(duì)下臥隧道隆起量的影響,上述分析中無論對(duì)于左隧道還是右隧道,頂管埋深和頂管半徑的共同作用對(duì)下臥隧道的隆起量均有顯著影響,因此在設(shè)計(jì)中需結(jié)合實(shí)際情況合理確定兩者的取值。

4 結(jié)論

依托西安市雨水管道工程,采用數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析兩種方法,對(duì)比分析基坑開挖和頂管開挖下臥隧道變形規(guī)律,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)對(duì)下臥隧道隆起量影響因素的敏感性及交互作用分析,可得以下結(jié)論。

(1)采用明挖法施工時(shí),下臥地鐵隧道沿縱向5倍基坑開挖寬度內(nèi)結(jié)構(gòu)隆起量較大。滲流井基坑與管道基坑相繼開挖對(duì)下臥地鐵隧道的變形存在一定的疊加效應(yīng)?；娱_挖后結(jié)構(gòu)不均勻變形將使左隧道斷面會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn),右隧道斷面發(fā)生豎向拉伸。

(2)采用頂管法施工可以減少下臥隧道結(jié)構(gòu)的上抬變形,隨著頂管推進(jìn),下臥隧道隆起量逐漸增大,上穿下臥隧道時(shí)隆起量增加最快,之后隆起量基本保持不變。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明頂管法會(huì)使下臥隧道產(chǎn)生較大的橫向收斂,最大為1.7 mm,實(shí)際工程中應(yīng)注意控制地鐵結(jié)構(gòu)收斂變形。

(3)基坑開挖和頂管施工共同作用時(shí),各因素對(duì)左右隧道的影響程度不同,左隧道的隆起量主要受基坑開挖卸荷作用影響,右隧道的隆起量主要受頂管施工的頂推作用和開挖卸荷作用影響。同時(shí)應(yīng)注意各因素之間不一定是相互獨(dú)立的,需要考慮因素組合對(duì)下臥隧道隆起量的影響。