基坑開(kāi)挖卸荷對(duì)軌道交通結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律

1、基坑開(kāi)挖卸載對(duì)軌道交通結(jié)構(gòu)的影響1.1研究現(xiàn)狀在基坑卸荷引起的地層回彈變形方面，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者曾作過(guò)較深入的理論研究。日本建筑規(guī)范推薦使用分層總和法，分層計(jì)算每層土體的回彈量，然后求和，得出地層總的回彈變形量。陳永福1對(duì)上海地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度比(D/H)為0.8的軟土深基坑的基底隆起進(jìn)行研究，認(rèn)為在上海軟土地區(qū)基坑卸載以后的回彈影響范圍約為l倍的開(kāi)挖深度。徐方京，侯學(xué)淵2對(duì)基底隆起常用的各種計(jì)算模型（如分層總和法、超固結(jié)法等方法）進(jìn)行了分析和對(duì)比，對(duì)基坑開(kāi)挖面以下各層土回彈性狀作了可貴的探索。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者運(yùn)用有限元法對(duì)基坑開(kāi)挖回彈、地鐵隧道與周圍環(huán)境

2、之間的相互影響等方面進(jìn)行了深入的研究。Hamdy Faheem、Feicai（2004）3等采用考慮剪力折減的三維有限元對(duì)軟土中的矩形基坑開(kāi)挖進(jìn)行模擬，得出了影響基坑變形的幾個(gè)重要參數(shù)。李佳川等4利用平面有限元對(duì)采用地下連續(xù)墻與鋼支撐作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑工程的坑周位移場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，提出了坑底位移場(chǎng)的分布規(guī)律。K.Y.LO and J.A.Ramsay 5應(yīng)用三維有限元分析了結(jié)構(gòu)施工對(duì)其下方己存在隧道的變形、位移、內(nèi)力的影響，并分析了不同施工方案對(duì)隧道不同程度的影響，為預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)施工對(duì)隧道的影響提供了依據(jù)。由于目前盾構(gòu)法隧道管片設(shè)計(jì)均采用柔性襯砌設(shè)計(jì)理論，允許結(jié)構(gòu)有一定程度的變形，利用土體自身的位移

3、協(xié)調(diào)，減少外部土體對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的荷載作用，于是襯砌的厚度一般設(shè)計(jì)較小。另一方面，隧道的區(qū)間長(zhǎng)度較長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)斷面尺寸。因此，地鐵隧道本身為柔性襯砌結(jié)構(gòu)，其縱向變形剛度較弱，導(dǎo)致隧道在長(zhǎng)期使用過(guò)程中由于地層以及周邊環(huán)境的不同產(chǎn)生不同的沉降變形。特別是由于附近相關(guān)建設(shè)工程的加卸載影響，地鐵隧道附近土體應(yīng)力場(chǎng)以及位移場(chǎng)均會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，可能會(huì)導(dǎo)致地鐵隧道局部的、短期的不均勻沉降變形，更進(jìn)一步導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)或者接頭部位的過(guò)大變形甚至破壞。劉建航院士和侯學(xué)淵教授6曾對(duì)盾構(gòu)法隧道的縱向變形做了總結(jié)性研究，對(duì)上海地區(qū)投入運(yùn)行的數(shù)條公路隧道和水工隧道的長(zhǎng)期沉降規(guī)律進(jìn)行了分析，并根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)給出了相應(yīng)的縱

4、向沉降經(jīng)驗(yàn)公式。陳郁，張東梅7結(jié)合工程實(shí)例，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了基坑開(kāi)挖對(duì)下臥隧道的影響，得到了下臥隧道的隆起變化規(guī)律，認(rèn)為隧道隨著土體的回彈而隆起變形，并近似為正態(tài)曲線分布，曲線頂點(diǎn)即隧道最大隆起點(diǎn)接近基坑開(kāi)挖中心位置。王衛(wèi)東、吳江斌、翁其平等8充分考慮設(shè)計(jì)中隧道周圍土體加固，并充分利用開(kāi)挖土方的時(shí)空效應(yīng)等措施，對(duì)基坑開(kāi)挖卸載下的地鐵隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)隧道的變形以剛體變位為主，且體現(xiàn)為豎向上抬，采取有效的基坑支護(hù)措施和充分利用時(shí)空效應(yīng)能很好地控制隧道的變形。況龍川等9通過(guò)對(duì)上海廣場(chǎng)項(xiàng)目實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，得出地鐵隧道對(duì)臨近深基坑施工十分敏感，引起隧道向基坑方向產(chǎn)生較明顯側(cè)移并使隧道斷面

5、呈橢圓形狀的變形，地層加固能及時(shí)控制地鐵隧道的變形。吉茂杰等10在基坑隆起殘余應(yīng)力計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道隆起實(shí)測(cè)分析規(guī)律，考慮時(shí)空效應(yīng)影響，對(duì)殘余應(yīng)力計(jì)算方法進(jìn)行了修正，推導(dǎo)出基坑隆起時(shí)空效應(yīng)理論計(jì)算實(shí)用公式。陳郁、李永盛11利用Mindlin彈性半空間應(yīng)力解，以上海東方路下立交工程為背景，推導(dǎo)了基坑開(kāi)挖引起隧道結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力情況，進(jìn)而通過(guò)彈性地基梁理論得出計(jì)算隧道隆起的解析算法。劉國(guó)彬，黃院雄等12根據(jù)軟土基坑隆起變形的殘余應(yīng)力法和軟土的卸荷模量，研究利用坑內(nèi)加固和基坑工程的時(shí)空效應(yīng)施工法等措施來(lái)控制基坑下既有隧道的上抬變形，指出坑內(nèi)加固和時(shí)空效應(yīng)法施工可有效控制隧道上抬。王占生13針對(duì)

6、基坑施工對(duì)地鐵影響問(wèn)題，采用修正的地層補(bǔ)償法、巖土工程專業(yè)有限元軟件Plaxis進(jìn)行計(jì)算，模擬了主要施工方式及施工參數(shù)，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究。修正的地層補(bǔ)償法用于計(jì)算基坑施工過(guò)程中對(duì)已有地鐵隧道的影響，具有較高的精度。由于引起隧道變形的周邊工程因素千差萬(wàn)別、地質(zhì)情況復(fù)雜多變，從基坑工程開(kāi)挖到地表加卸載都將引起隧道的縱向變形，并且這方面的研究尚處在初始階段，主要集中在對(duì)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸分析室內(nèi)試驗(yàn)和反演分析等，對(duì)特定工況下的地鐵隧道縱向變形模式進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)曲線模擬，雖然各種文獻(xiàn)得到了一些理論公式以及經(jīng)驗(yàn)公式，但是由于土體性質(zhì)的不確定性、基坑位移場(chǎng)影響因素的多樣性，已有的公式都未得到推

7、廣。目前還缺乏統(tǒng)一的、更具一般性的隧道變形規(guī)律以及控制模式，變形的計(jì)算理論以及控制并不系統(tǒng)，需要進(jìn)一步完善。目前，對(duì)于大面積卸荷條件下的基坑工程卸載，需要從理論上、施工技術(shù)上對(duì)地層回彈以及隧道的變形機(jī)理和規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)化的研究，以更好的指導(dǎo)工程實(shí)踐，對(duì)已建地鐵隧道的保護(hù)做到有章可循、有的放矢。為了有效并且合理的限制地鐵隧道的上抬變形，避免不必要的浪費(fèi)，首先應(yīng)根據(jù)卸荷條件、地層變形特性，區(qū)別對(duì)待關(guān)鍵控制區(qū)內(nèi)和區(qū)外土體的卸載，重點(diǎn)對(duì)關(guān)鍵控制區(qū)內(nèi)采取非常措施，以有效控制地鐵隧道上方土體卸荷產(chǎn)生的不利影響。而對(duì)關(guān)鍵區(qū)之外區(qū)域的卸荷，則主要通過(guò)合理的施工參數(shù)來(lái)控制。1.2基坑開(kāi)挖卸載對(duì)軌道交通結(jié)構(gòu)的影響規(guī)

8、律121314大面積基坑開(kāi)挖后土體卸荷，基坑的開(kāi)挖卸荷面積、放置時(shí)間、開(kāi)挖卸荷深度、與開(kāi)挖中心距離等因素均影響下側(cè)地鐵隧道的回彈變形量。通過(guò)對(duì)軟土地基基坑工程的研究，根據(jù)基坑開(kāi)挖卸荷對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形的影響因素，分析基坑開(kāi)挖時(shí)對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律。（1）基坑開(kāi)挖面積對(duì)隧道的影響?；娱_(kāi)挖面積較小時(shí)，隨深度的增加卸荷附加應(yīng)力衰減特別迅速。隨著基坑開(kāi)挖面積的增加，卸荷附加應(yīng)力衰減的速度有所放緩。表明基坑開(kāi)挖面積增加時(shí)，基底以下土體的回彈影響深度增加，對(duì)隧道周圍的影響范圍和深度增大。（2）基坑至隧道軸線水平距離的影響?；游挥谒淼勒戏綍r(shí)，對(duì)隧道及周圍土體的回彈影響最大；隨著隧道到基坑的距離

9、越來(lái)越遠(yuǎn)，隧道附近土體的回彈隆起越來(lái)越??；隧道在基坑某一水平臨界位置時(shí)，隧道的回彈量急速衰減，尤其實(shí)在基坑開(kāi)挖面積較大的情況下，衰減速度更為明顯；隨后在距離繼續(xù)增大時(shí)，對(duì)隧道回彈影響進(jìn)入緩慢衰減的階段，衰減速率逐漸減小，直到對(duì)隧道變形影響減小為零。（3）基坑至隧道頂部垂直距離的影響。當(dāng)基坑到隧道頂部的距離在某一深度范圍內(nèi)時(shí)，基坑開(kāi)挖引起隧道的回彈變形量相對(duì)均較大，并且隨著深度增加回彈變形迅速衰減；在深度超過(guò)某一臨界位置時(shí)，回彈變形衰減速率降低，深度繼續(xù)增加時(shí)，回彈變形緩慢減小為零。（4）基坑開(kāi)挖的長(zhǎng)寬比的影響。在同一開(kāi)挖面積下，基坑基底中心最大隆起量隨長(zhǎng)寬比的不同而不同。在基坑開(kāi)挖面積較小的情

10、況下隨著長(zhǎng)寬比的增加，隆起變形值減小得比較平緩，且隨著開(kāi)挖面積的增加，隆起變形值衰減速率逐漸增大。卸荷中心下隧道的附加應(yīng)力系數(shù)以及變形隨長(zhǎng)寬比的增大而逐漸減小，特別是在卸荷面積超過(guò)81m2的時(shí)候尤為明顯?；娱_(kāi)挖面積較小時(shí)，長(zhǎng)寬比影響較小。因此地鐵隧道上方大面積卸荷下的設(shè)計(jì)和施工時(shí)，建議對(duì)基坑土體多分塊施工，且采用長(zhǎng)條形的土體開(kāi)挖方式，以減少土體的空間效應(yīng)影響。（5）基坑邊線與隧道夾角的影響。當(dāng)基坑長(zhǎng)邊與隧道軸線的夾角發(fā)生變化時(shí)，隧道位于基坑中心處點(diǎn)的隆起變形最大值不變；各個(gè)不同角度的地鐵隧道縱向變形曲線形態(tài)基本相同，并近似為正態(tài)曲線分布；在沿隧道縱向延伸到某一足夠遠(yuǎn)的距離時(shí)，隧道的位移變形值

11、近似相等，與夾角的大小無(wú)關(guān)。在夾角較小時(shí)，從中心向兩側(cè)延伸的過(guò)程中，隧道隆起變形減小得較緩慢，而在達(dá)到某一位置時(shí)隆起變形迅速降低。而在夾角較大時(shí)，從中心向兩側(cè)延伸的過(guò)程中，隧道隆起變形減小較快?？梢园l(fā)現(xiàn)，在角度較小時(shí)，基坑對(duì)隧道變形的影響范圍要大，沿隧道縱向持續(xù)具有較大的變形。在角度較大時(shí)，基坑對(duì)隧道變形的影響范圍要小，并且沿隧道縱向的變形值迅速減小。（6）基坑開(kāi)挖及放置時(shí)間?；娱_(kāi)挖及放置時(shí)間是影響坑底地層回彈的主要因素。在相同的開(kāi)挖面積、相同的開(kāi)挖深度下，不同的基坑開(kāi)挖時(shí)間、不同的底板施工時(shí)間，地鐵隧道具有不同的最大隆起量。土體分塊開(kāi)挖施工中地鐵隧道的回彈變形在48h內(nèi)都是飛速發(fā)展的。因此

12、，減少基坑開(kāi)挖暴露時(shí)間對(duì)于控制坑底地層變形以及保護(hù)下臥隧道的作用是非常重要的。1.3 隧道周邊基坑施工的處置措施13141.3.1 基坑施工卸荷的控制方法（1）分區(qū)分時(shí)段卸荷。由于一定時(shí)段內(nèi)地層的變形位移以及地鐵隧道的變位與這一時(shí)段內(nèi)的相對(duì)卸載量有關(guān)。因此，結(jié)合基坑開(kāi)挖時(shí)不同的卸載模式，根據(jù)基坑的自身特點(diǎn)以及地鐵隧道的關(guān)鍵控制距離，以化整為零、以大化小的原則，采用分隔墻(端封墻)等將大面積卸載區(qū)域化分為若千獨(dú)立的卸載區(qū)域，分階段、分時(shí)段進(jìn)行開(kāi)挖卸載，分別控制每一分區(qū)施工過(guò)程中地層以及隧道結(jié)構(gòu)的變形，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)整體控制的目的。（2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型。為了控制因卸載引起的坑周土體水平位移以及坑底土體

13、隆起，基坑工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選型。必須綜合考慮支護(hù)剛度、入土深度、施工速度、工程地質(zhì)條件、場(chǎng)地環(huán)境保護(hù)等多種因素，對(duì)比選取地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁及SMW樁等。（3）分塊開(kāi)挖及其施工順序。軟土深基坑工程開(kāi)挖過(guò)程中，合理地劃分基坑分塊及其開(kāi)挖的順序，適當(dāng)減少每步開(kāi)挖土方的空間尺寸，并減少每步土方開(kāi)挖未支撐前基坑擋墻所暴露的時(shí)間，科學(xué)、充分地利用土體自身控制地層位移的潛力，是解決軟土深基坑穩(wěn)定和變形問(wèn)題的有效對(duì)策，也是保護(hù)鄰近環(huán)境不被損壞的途徑。在隧道上方的土方分塊應(yīng)遵循“分層、分塊、分條幅、平衡、對(duì)稱、限時(shí)”的開(kāi)挖原則，結(jié)合工程的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)安全合理的施工參數(shù)和施工步驟，達(dá)

14、到控制隧道變形的目的，保證隧道結(jié)構(gòu)的安全要求以及耐久性要求。（4）及時(shí)壓重堆載。基坑施工過(guò)程中，底板施工階段雖然有一定量的結(jié)構(gòu)荷載對(duì)土體回彈有抑制作用，處于卸荷再加載階段，但由于土體的流變性，底板的再加載通常無(wú)法完全抵消上方土體的卸載，隧道將繼續(xù)發(fā)生上抬隆起變形。在允許的情況下隧道內(nèi)壓載或者底板上及時(shí)加載等均可減小土體的相對(duì)卸載量，達(dá)到控制土體和隧道變形的目的。（5）充分利用時(shí)空效應(yīng)。減少基坑開(kāi)挖放置時(shí)間和采用分塊分條開(kāi)挖基坑能有效地減小隧道隆起變形量。施工過(guò)程中，除了減少挖土?xí)r間、做好各個(gè)工序的銜接，還可以采用接駁器連接底板鋼筋，減少鋼筋的焊接時(shí)間等方法來(lái)減少基坑開(kāi)挖過(guò)程中地層的暴露時(shí)間。（

15、6）加設(shè)支撐及復(fù)加軸力。基坑施工過(guò)程中，支撐不可避免的會(huì)產(chǎn)生支撐軸力損失。支撐軸力損失和圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其后土體位移、溫度變化、施工過(guò)程中的碰撞等有關(guān)，通過(guò)適時(shí)復(fù)加預(yù)應(yīng)力可補(bǔ)償這些因素所造成的應(yīng)力損失，回頂擋墻。實(shí)際施工時(shí)在某些特殊情況下，可以增加支撐或者調(diào)整支撐位置以滿足控制要求。1.3.2 地層變形控制方法（1）隔斷法。隔斷法就是在建筑物附近進(jìn)行地下工程施工時(shí)，在施工面與附近保護(hù)建筑物之間設(shè)置隔斷結(jié)構(gòu)等屏障墻體，以減少土體的位移與沉降量，避免由工程施工導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生變形甚至破壞的工程保護(hù)方法。墻體主要承受施工引起的側(cè)向土壓力和地基差異沉降所產(chǎn)生的負(fù)摩擦力。對(duì)于地鐵隧道上方大面積卸載的情況，可采用

16、門(mén)式抗浮結(jié)構(gòu)體進(jìn)行隔斷，門(mén)式抗浮體可由抗拔樁、土體注漿加固、壓頂結(jié)構(gòu)等構(gòu)成，主要用于承受由于基坑工程開(kāi)挖卸載引起的上浮摩擦力，減小隧道結(jié)構(gòu)的縱向回彈變形。（2）提高地層卸荷模量。采用化學(xué)注漿（地面垂直注漿、水平注漿、隧道內(nèi)向下打孔注漿等）、水泥土攪拌法等土體加固措施，提高地層的卸荷變形模量，使得在同樣的卸載條件下，由于土體卸載模量增大，地層的回彈位移量減小。1.3.3 隧道結(jié)構(gòu)變形的控制方法（1）提高截面剛度。在允許的情況下，可以在隧道內(nèi)采取設(shè)置固定鋼梁、鋼管片襯砌等措施，增大隧道本身的截面抗彎剛度，達(dá)到控制變形的目的。（2）設(shè)置抗拔樁。除了增加隧道的截面剛度減少地層對(duì)于隧道上抬的變形，在隧道

17、內(nèi)還可以設(shè)置一定深度的抗拔樁(如靜壓樁)，通過(guò)樁身的摩擦力抵抗地層作用在隧道結(jié)構(gòu)的上浮力。1.3.4 信息化監(jiān)控技術(shù) 基坑在施工過(guò)程中，由于地層的各向異性、不均勻性以及地層在施工擾動(dòng)時(shí)發(fā)生的難以預(yù)測(cè)的不確定因素，在施工過(guò)程的各個(gè)階段還可能發(fā)生某些偏離預(yù)測(cè)值的現(xiàn)象，這就必須在施工過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制。對(duì)鄰近工程施工引起的地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形，通常監(jiān)測(cè)的指標(biāo)有隧道的收斂、位移、沉降，對(duì)施工難度大的項(xiàng)目，還需另對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)以及變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)要緊跟工況的發(fā)展及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、回饋分析，當(dāng)各項(xiàng)控制參數(shù)或參數(shù)的變化速率達(dá)到警戒值時(shí)，應(yīng)立即進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以事先備用的措施(采取注漿、回填、

18、壓重等手段)將施工中的風(fēng)險(xiǎn)性趨勢(shì)制止在萌芽狀態(tài)，使基坑工程臨近環(huán)境的安全和質(zhì)量得到保證，同時(shí)地鐵隧道本身的變形始終處在可控范圍之內(nèi)。參考文獻(xiàn)1陳永福.深基坑開(kāi)挖回彈計(jì)算的探討.首屆全國(guó)巖土工程博士學(xué)術(shù)討論集,19902徐方京，侯學(xué)淵. .基坑回彈性狀分析與預(yù)估.首屆全國(guó)巖土工程博士學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集,19903Hamdy Faheem、Fei Cai. Three-dimensional base stability of reetangular exeavations in soft soils using Fem.Computers and Geotechnics,20044李佳川. 軟土地區(qū)地下連續(xù)墻深基坑開(kāi)挖的三維分析及試驗(yàn)研究:博士學(xué)位論文.上海:同濟(jì)大學(xué),19925 K.Y.LO and