堆土加卸載與基坑開挖疊加對既有隧道變形的影響研究

郭院成，張博聞，孟 潮,2，靳軍偉，郜新軍

(1. 鄭州大學水利與土木工程學院，河南鄭州 450001； 2. 華電重工股份有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450009)

0 引 言

近年來，由于地上建筑物、道路、鐵路、土方堆積及滑坡等超額附加荷載導致的隧道失穩事故頻發，其中土方堆積是引發隧道事故的主要原因之一[1]；同時地表卸載所造成的土體回彈會導致隧道產生變形；若開挖引起的隧道結構變形超過容許范圍，可能會導致隧道結構受損。因此，揭示地面加載和土體卸載下隧道的變形機理，對確保隧道及周圍設施的安全至關重要。

目前，已有眾多學者通過理論分析、數值模擬和試驗研究來評估土體加卸載對隧道的影響。李春良等[2]、黃栩等[3]、Wu等[4]、張治國等[5]從理論計算方面出發建立了考慮地面荷載變化影響的地鐵受力模型，并給出隧道變形和內力的解析解；Liang等[6]通過修正Pasternak地基模型的模量得到了一種預測盾構隧道鄰近開挖行為的變形計算方法； Cheng等[7]提出了一種用于分析側鄰深基坑開挖對隧道縱向和環向變形影響的簡化方法，同時能預測開挖對隧道的破壞程度。室內模型試驗是研究大型巖土工程穩定性的常用方法，其重復性和成本效益都優于現場測試，同時可以在試驗過程中有效監測變形和應力，因此得到了廣泛應用[8]。室內試驗可以研究影響隧道行為的最相關因素，并且測試結果可以為數值分析提供依據[9]；黃大維等[10]通過模型試驗發現上覆土層的力學性能對隧道變形有較大影響；梁發云等[11]結合實際工程，通過離心模型試驗得到了隧道和地下連續墻在基坑開挖過程中的變形特性。數值模擬可以考慮到復雜的土體本構關系和隧道開挖過程，因而被認為是研究隧道變形機理的首選方法[12]。諸多學者采用數值分析的方法對隧道變形隨土體加載和卸載的發展規律進行了研究[13-18]；陸培毅等[19]基于實際工程對比了在數值模擬中采用兩種不同本構模型時結果的準確性，同時研究了堆載位置對隧道變形的影響；Cheng等[20]研究了鄭州東高鐵站東廣場在隧道兩側進行基坑開挖的案例，分析了各施工階段對隧道隆起和變形的貢獻。

堆土加卸載和基坑開挖均會使隧道產生較大變形，二者疊加作用下影響更為顯著。目前國內外學者已對鄰近既有隧道單一加載或者卸載情況進行了廣泛研究，而對于堆土加卸載和基坑開挖疊加效應對隧道變形影響研究較少。本文基于鄭州某地下空間綜合利用工程建立三維數值模型，通過與現場監測數據進行對比驗證了模型的有效性，考慮隧道與堆土和基坑的空間位置關系，提出4種疊加模式，研究不同模式對隧道變形的影響。

1 數值分析建模方法

1.1 工程概況

某地下空間綜合利用工程位于鄭州東高鐵站東廣場，需在服役地鐵附近開挖基坑，由于服役地鐵隧道上方附近區域存在大量堆土，在基坑施工前需將堆土進行卸載；堆土為兩層，長183 m，寬174 m，首層高3 m，二層高11 m；隧道兩側基坑對稱開挖，且大小及深度保持一致，均為長270 m，寬110 m，首層深6.5 m，二層深11 m，隧道與堆土和基坑的位置關系如圖1所示。

1.2 數值模擬計算模型

為準確地研究地鐵隧道在堆土加卸載和基坑開挖卸載整個過程所引起的地鐵隧道變形，本文數值模擬中土體采用修正摩爾-庫侖模型。該模型采用三軸試驗割線模量E50、主壓密試驗切線模量Eoed、卸載再加載模量Eur來描述巖土強度。

在建立模型時對土體情況進行簡化處理，假定每一土層在模型范圍內均勻分布，參考工程地質勘察報告將土體力學指標相似的土層進行合并，簡化后土體參數如表1所示，該本構模型的3個土體剛度參數取E50=Eoed=E0，Eur=3E50。

表1 土體參數Table 1 Parameters of soil

結合工程實際情況，本文基坑采用地連墻結合一道水平支撐的支護結構，同時采用臨時格構柱作為水平支撐體系的豎向支撐構件，假定地鐵隧道結構的變形以及基坑支護結構的受力變形均在彈性范圍以內，結構單元材料參數取值和模型分別如表2和圖2所示。有限元計算模型如圖3所示。

表2 結構單元材料參數取值Table 2 Parameter values of structural unit material

根據實際工程的各階段，有限元計算步驟如表3所示。

表3 分析步驟Table 3 Analysis steps

1.3 模擬結果與實測結果對比分析

本文定義隧道發生位移時以向上和向右為正方 向。圖4為隧道豎向位移實測值與模擬值的對比，在堆土加載結束后左線隧道頂部豎向位移實測值與模擬最大值分別為-27.4 mm和-27.2 mm，兩者基本上相等；從基坑開挖前到基坑開挖至-2 m過程，左線隧道頂部豎向位移的實測值與模擬值差值較小，均在1 mm之內。實測與模擬存在差值的原因可能是模擬中將現場堆土及地層情況進行了簡化處理而導致的。因此本文所建立的模型可用來研究在堆土加卸載疊加與基坑開挖情況下隧道的變形情況。

2 堆土加卸載與基坑開挖疊加效應分析

2.1 疊加模式分類

堆土和基坑開挖位于隧道不同空間位置時，隧道的變形情況會存在較大差異，如圖5所示。當堆土和基坑開挖對隧道產生的變形模式相同時，隧道橫向變形可能顯著增加，從而超出隧道的控制標準。

根據上述隧道與基坑和堆土的典型位置，本文將堆土加卸載與基坑開挖卸載的疊加分為4種模式，如圖6所示。

2.2 不同疊加模式作用效應

本節重點分析4種疊加模式作用對隧道中心截面變形的影響，每種疊加作用模式均有4個施工階段：堆土加載、堆土卸載、基坑支護結構施工和基坑開挖，具體施工工況模擬如表4所示。模型中堆土下表面的長度設為130 m，寬度設為60 m，堆土坡度設為60°；基坑開挖長130 m、寬60 m；隧道直徑為6 m，埋深為10 m；側方堆土和基坑邊緣與隧道邊緣的水平距離均為10 m；模型尺寸為長250 m、寬180 m、深50 m。根據前人研究得知，正上方堆土加載對隧道變形影響較大，因此正上方堆土僅加載至6 m；土體及結構單元參數依照表1取值。

表4 施工工況Table 4 Construction status

2.2.1 模式一

圖7為模式一下隧道各階段的位移變化曲線。從圖7可以看出：隧道的豎向位移隨堆土高度的增加而逐漸增大，由于是正上方堆土，水平向為拉伸變形，加載后呈橫向的橢圓形狀；在堆土卸載階段，隧道4個控制端點的豎向和水平向位移逐漸減小，但即使堆土完全卸載后，隧道位移仍不能恢復至加載前的初始狀態，殘留豎向位移約為最大值的55%； 基坑開挖可進一步減小隧道的變形，且基坑深度達到7 m時隧道位移基本歸零。同時由于隧道的收斂變形和伸長變形最大值分別位于水平方向以及豎直方向，因此其變化趨勢與隧道豎向位移和水平向位移一致。

2.2.2 模式二

圖8為模式二下隧道各階段的位移變化曲線。對比模式一，因堆土位置一致，在堆土加卸載階段二者位移變化相同，但在基坑開挖結束后，該模式下隧道仍有較大的豎向變形，約17 mm，原因在于正上方加載對隧道豎向變形影響較大，而側方開挖對減小隧道豎向位移貢獻較小。同時，從圖8可以看出，堆土加卸載使隧道產生較大水平向拉伸變形，基坑開挖階段使隧道整體向左移動，二者疊加后隧道左端點有較大水平位移，因此隧道水平位移在基坑開挖結束后不能恢復至初始狀態。

隧道收斂變形與伸長變形最大值均出現在堆土加載后，分別為8 mm及7.3 mm；基坑開挖前期對隧道徑向位移影響相對較小，當基坑開挖深度小于隧道埋深時，隧道徑向位移基本不發生改變，但在開挖深度超過隧道埋深后，隧道的徑向位移又開始向不利方向發展。

2.2.3 模式三

圖9為模式三下隧道各階段的位移變化曲線。從圖9可以看出：在側方堆土完全卸載后，隧道位移同樣不能恢復至初始狀態，殘留豎向位移約為最大值的62%。對比模式一、二可以發現，正上方堆土加卸載對隧道的豎向位移影響較大，是側向堆土加卸載的3倍～5倍。當開挖深度較小時，隧道的豎向和水平向位移逐漸恢復，向初始狀態發展；隨著開挖的持續進行，當達到隧道埋深附近時，隧道豎向位移轉而開始快速增加；隧道各節點在基坑開挖階段始終發生朝向基坑方向的水平位移，其變化速率在達到隧道埋深附近時稍有增加；與模式二相同，隧道水平位移在基坑開挖卸載后達到最大值，認為側向基坑開挖對隧道水平位移影響顯著。

在基坑開挖初期，隧道徑向位移隨開挖深度的增加逐漸減??；隨著開挖的持續進行，當達到隧道埋深附近時，隧道徑向位移轉而開始快速增加，這是由于隧道與基坑的位置關系從隧道位于基坑的斜下方變為橫向側鄰；在基坑開挖結束后隧道收斂變形和伸長變形達到最大值，分別為3.3、3.4 mm；由于側向加載對隧道的影響小于正上方加載，因而疊加后該模式隧道徑向位移小于模式二。在該模式下應盡量避免基坑開挖深度大于隧道埋深，從而可以有效控制隧道的變形。

2.2.4 模式四

圖10為模式四下隧道各階段的位移變化曲線?？梢园l現，隧道豎向位移的變化趨勢在整個階段與模式三基本一致，但該模式下隧道的最終豎向位移較大；與模式三相比，隧道在施工結束后最終的水平位移增大約47.1%，主要原因是在堆土加卸載后隧道仍殘余有朝向基坑側的水平位移，該位移與基坑開挖對隧道的影響趨勢相同，因此二者疊加后使得隧道最終的水平位移顯著增加。

從圖10可以看出：基坑開挖階段隧道收斂變形的最大值基本呈線性增加，而伸長變形最大值在前期增加緩慢，當達到隧道埋深后開始快速增加；與模式三相比，在基坑開挖結束時其收斂變形最大值有所增加，而伸長變形最大值有所減小。

3 結語

(1)堆土加載后即使完全移除土體，隧道豎向位移和水平位移也不能恢復至初始狀態，且正上方堆土加卸載對隧道變形的影響遠大于側方堆土加卸載。

(2)不同疊加模式下，隧道變形相差較大。對于需在隧道側向進行基坑開挖的情況，預先在隧道正上方進行堆土加卸載，隧道的最終豎向位移最大；預先在基坑同側進行堆土加卸載，豎向位移最??；堆土加卸載位置對水平位移影響相對較小。

(3)堆土加卸載疊加側方基坑開挖時，基坑開挖深度對隧道變形的影響較大。在基坑開挖階段，隧道豎向位移隨開挖的進行先減小后增大，轉折點位于隧道埋深附近；當開挖深度超過隧道埋深后，隧道變形均朝向更不利方向發展；在分析隧道變形時，應充分考慮開挖深度帶來的影響。