曾 力,楊景輝,李明宇,馬朋輝,朱 翔
(1.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；
2.黃河科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450000)
基于此，筆者以濟南市中央商務(wù)區(CBD)建設中綢帶路站-禮耕路站地鐵隧道工程為分析對象，從設計方案優(yōu)化角度，通過(guò)三維數值模擬系統地對土巖組合地層中嵌巖樁+錨桿支護型式下基坑開(kāi)挖對下臥隧道的影響進(jìn)行分析，并著(zhù)重討論圍護樁嵌巖深度、土巖分界面與隧道相對位置、土與巖相對剛度等參數變化對隧道縱向變形和收斂變形的影響規律，為優(yōu)化設計提供理論支撐。
依托濟南市市政軌道交通工程綢帶公園站～禮耕路站區間地鐵隧道工程，該項目位于山東省濟南市CBD區域橫七路下方，沿東西向布置，包括地下一層箱型結構及其下方的暗挖區間結構。施工時(shí)先采用明挖法施建箱型結構，完成后及時(shí)覆土。明挖基坑上跨已建雙線(xiàn)隧道，其工程地質(zhì)條件復雜，由土巖組合地層構成，主要呈現“上軟下硬”特征。以下臥隧道右線(xiàn)里程為準，明挖基坑區間設計里程范圍為K33+440～K33+360，基坑長(cháng)×寬×高為30 m×26.4 m×9.25 m?；娱_(kāi)挖方案左右線(xiàn)隧道外側距離基坑中心的水平距離分別為6.2 m，9.4 m，如圖1所示?；訃o結構采用鉆孔灌注樁Ф800@1 500，樁長(cháng)13.85m；
冠梁長(cháng)×寬為1 100 mm×800 mm，砼支撐長(cháng)×寬為800 mm×800 mm。主要地層分別為黏土層、膠結礫巖、全風(fēng)化泥灰巖、強風(fēng)化閃長(cháng)巖、中風(fēng)化灰巖。三維數值模型長(cháng)×寬×高為90 m×90 m×30 m，分別為實(shí)際工程的3倍、3.41倍、3.24倍，以消除邊界約束對計算結果的影響；
邊界條件為：①模型的左面(X=-90)和模型的右面(X=0)添加固定x方向的位移約束；
模型的前面(Y=0)和模型的后面(Y=90)添加固定y方向的位移約束；
模型的底面(Z=-30)添加固定x,y,z三個(gè)方向的位移約束；
模型的頂面(Z=0)為自由面不加約束。②在圍護樁的底部加固定約束以保證圍護樁能夠和土體變形的一致性。③一維的立柱樁與三維的土體結合后兩者的自由度存在差異，為保證計算的正確進(jìn)行要添加豎直方向的旋轉約束。土巖交界位置為地表向下7.3 m，實(shí)際工程地下水在雙線(xiàn)隧道下方，因此模擬時(shí)不考慮地下水的影響。
圖1 基坑與隧道相對位置剖面圖Fig.1 The relative position between foundation pit and tunnel
模型土體的本構采用修正莫爾-庫倫模型，土層參數如表1所示。實(shí)際情況中的地層并不是完全水平的，它們都有一定的傾角，為了建模方便假設地層均為水平，有限元模型如圖2所示。在實(shí)際的地質(zhì)勘探中，膠結礫巖以上的土層較為復雜，分別是雜填土層、黏土層、粉土層。但是這些土層的性質(zhì)非常相似，為了建模方便將其合并統一為黏土層，并通過(guò)加權平均的方法計算該地層參數。
表1 土體參數Table 1 The soil parameter
圖2 三維有限元模型Fig.2 The three-dimensional finite element model
本模型使用的是樁錨支護加內支撐的方案，圍護樁是Ф800@1 500的灌注樁，頂部施加冠梁，圍護樁和冠梁采用的是一維的梁?jiǎn)卧Ｐ?。錨桿采用一維的植入式桁架單元；
內支撐、立柱樁采用的是一維的梁?jiǎn)卧Ｐ停?br>隧道襯砌采用的是二維的板單元模型。
根據實(shí)際工程設計方案，模型分步開(kāi)挖工況：①初始應力分析；
②隧道開(kāi)挖；
③位移清零；
④?chē)o樁，冠梁，立柱樁施工；
⑤開(kāi)挖至-3 m，在0 m處設內支撐，-0.5 m處設錨桿；
⑥開(kāi)挖至-6.25 m，在-5.75 m處設錨桿；
⑦開(kāi)挖到底至-9.25 m。
圖3(a)為隧道在不同工況下的豎向位移情況。兩線(xiàn)隧道隨基坑開(kāi)挖深度增加，其上浮量也隨之增大?；臃謩e挖深3m、6.25 m、9.25 m(坑底)時(shí)，下臥隧道拱頂豎向位移分別增幅1.09 mm、1.99 mm、2.98 mm，相比第一個(gè)開(kāi)挖步，后兩個(gè)開(kāi)挖步拱頂豎向位移增幅比分別為82.5%和173.4%?；娱_(kāi)挖到底后，隧道上浮達到最大，隧道上浮范圍約為基坑長(cháng)度的2倍。此外，左線(xiàn)隧道的上浮量明顯大于右線(xiàn)隧道，這是因為設計方案中相比右線(xiàn)隧道左線(xiàn)隧道更接近基坑中心位置(左線(xiàn)、右線(xiàn)隧道中心與基坑中心的距離分別為6.11 m、9.28 m)，所受開(kāi)挖影響也就越大。
以圖3(a)中基坑開(kāi)挖到底時(shí)左線(xiàn)隧道拱頂上浮量最大值所處位置隧道斷面為例，圖3(b)給出了該斷面隧道拱頂、拱腰和拱底位移量。圖中正值表示隧道向外擴展、負值表示隧道向內壓縮。隨著(zhù)基坑開(kāi)挖，下臥隧道拱頂和拱底均向上浮動(dòng)，拱腰向內壓縮，整個(gè)隧道呈現“豎鴨蛋”形態(tài)，并且隨著(zhù)開(kāi)挖深度增加各階段增幅比例逐漸增大?？梢宰⒁獾诫S著(zhù)基坑開(kāi)挖深度的增加，隧道水平方向上拱腰(左)較拱腰(右)位移量更大，這是因為就左線(xiàn)隧道而言，隧道左側上方土體大部分位于基坑外部，較隧道右側上方開(kāi)挖程度低，因此水平方向上隧道左側土壓力大于隧道右側土壓力，從而出現拱腰(左)位移量明顯大于拱腰(右)。圖3(c)的收斂變化趨勢與圖3(b)相對應。
圖3 隧道位移和收斂變形Fig.3 The displacement and convergence of tunnel
相比其他地層，土巖組合地層中土巖分界面上下巖土強度參數黏聚力c、內摩擦角φ和彈性模量E、土巖交界面位置、圍護樁嵌固深度等變化會(huì )對基坑開(kāi)挖卸荷變形產(chǎn)生直接影響。為此，筆者著(zhù)重對這些參數進(jìn)行深入分析。需要注意的是本節中土層設定為黏土層，巖層設定為膠結礫巖。以下各圖中正負號規定和分析斷面位置與圖3相同。
1.4 統計學(xué)方法 研究得出數據通過(guò)SPSS 19.0軟件統計處理，以均數±標準差（）表示計量資料，以 t檢驗；
以數（n）或率（%）表示，計數資料，以 χ2檢驗，P＜0.05為差異有統計學(xué)意義。
(1)彈性模量的影響
通過(guò)分別改變土巖分界面上下土層和巖層的彈性模量，分析了土巖相對剛度變化對相同基坑開(kāi)挖工況下隧道變形的影響規律，具體設置參數如表2所示。其中,根據表1定義土層彈性模量E1=7 MPa，巖層彈性模量E2=30 MPa。
表2 彈性模量組合Table 2 The combination of elastic modulus MPa
不同地層彈性模量組合下隧道變形以及隧道收斂曲線(xiàn)如圖4所示。由圖可知，以模量1為參考，模量2與模量3改變土層彈性模量，下臥隧道豎向、橫向收斂量無(wú)變化，原因為土巖分界面在基坑開(kāi)挖范圍內，隧道基本處于巖層中，因巖層彈性模量明顯大于土層，本身強度高，卸荷變形小，因此即便是土層彈性模量改變，因巖層彈性模量未發(fā)生改變，對巖層中隧道變形影響微弱。而土層彈性模量不變的情況下，一旦改變巖層的彈性模量會(huì )直接對隧道的變形產(chǎn)生影響，模量4增加2倍巖層彈性模量，下臥隧道豎向、橫向收斂量較模量1分別減少3.9%、9.6%；
模量5增加4倍巖層彈性模量，下臥隧道豎向、橫向收斂量較模量1分別減少4.0%、9.5%。
圖4 土巖彈性模量與隧道變形關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4 The relationship between soil-rock elastic modulus ratio and tunnel deformation
(2)內摩擦角的影響
通過(guò)分別改變土巖分界面上下土層和巖層的內摩擦角，分析了土巖內摩擦角變化對相同基坑開(kāi)挖工況下隧道變形的影響規律。參數變換分為5組，如表3所示。其中,根據表1定義土層內摩擦角φ1=22°，巖層內摩擦角φ2=24°。
表3 內摩擦角組合Table 3 The combination of internal friction angle (°)
不同地層內摩擦角組合下隧道變形以及隧道收斂曲線(xiàn)如圖5所示。由圖可知，不論是土層還是巖層內摩擦角改變均對隧道變形影響很小，變化幅度不超過(guò)3%。其原因與圖4分析相同。
圖5 土巖內摩擦角與隧道變形關(guān)系曲線(xiàn)Fig.5 The relationship between angular ratio of soil-rock friction and tunnel deformation
(3)黏聚力的影響
通過(guò)分別改變土巖分界面上下土層和巖層的黏聚力，分析了土巖黏聚力變化對相同基坑開(kāi)挖工況下隧道變形的影響規律。參數變換分為5組，如表4所示。其中，根據表1定義土層黏聚力c1=21 kPa，巖層黏聚力c2=40 kPa。
表4 黏聚力組合Table 4 The combination of cohesive kPa
不同地層黏聚力組合下隧道變形以及隧道收斂曲線(xiàn)如圖6所示。由圖可知，改變土層黏聚力對下臥隧道變形微弱，增加巖層黏聚力隧道變形、收斂均有所減小，但幅度不大，其中相較于黏聚力1，黏聚力4增加2倍巖層黏聚力，下臥隧道豎向、橫向收斂分別減小2.5%、2.4%；
黏聚力5增加4倍巖層黏聚力，下臥隧道豎向、橫向收斂分別減小5.7%、5.8%。
圖6 土巖黏聚力與隧道變形關(guān)系曲線(xiàn)Fig.6 The relationship between soil-rock cohesion ratio and tunnel deformation
通過(guò)分別改變土巖分界面位置，分析了土巖分界面變化對相同基坑開(kāi)挖工況下隧道變形的影響規律。4種工況土巖分界面分別處于地表向下7.5 m(原土巖分界面位置)、坑底(開(kāi)挖深度9.25 m)以上1 m、坑底(開(kāi)挖深度9.25 m)以下1 m、隧道中軸線(xiàn)，如圖7所示。不同土巖交界面位置隧道變形以及隧道收斂曲線(xiàn)如圖8所示。
圖7 土巖交界面位置示意圖Fig.7 The schematic diagram of soil-rock interface position
由圖8所知，相比于土巖地層強度與剛度參數變化的影響，土巖分界面位置變化的影響更強些。隨著(zhù)土巖分界面的不斷下移，隧道拱頂、拱底和拱腰的位移量是逐漸增加的，并且土巖分界面位置越接近隧道影響越為顯著(zhù)。原因為土層較巖層彈性模量小，基坑開(kāi)挖對土層產(chǎn)生的變形大，隨著(zhù)土巖交界面位置的逐漸下移，土層厚度逐漸增大，進(jìn)而基坑開(kāi)挖卸荷導致的下臥隧道變形逐漸增大。
圖8 土巖交界面位置與隧道變形關(guān)系曲線(xiàn)Fig.8 The relationship between the position of soil-rock interface and tunnel deformation
與第一個(gè)工況(原土巖交界面位置)相比，后三種工況下隧道拱頂上浮量依此增幅0.04 mm、0.3 mm、0.36 mm，增幅比例分別為1%、6.5%、12.5 %。特別注意的是當土巖交界面位于隧道中軸線(xiàn)時(shí)，此時(shí)處于巖層中的隧道部分相對土層厚度已經(jīng)很小，可近似認為基坑同隧道一并處于土層之中。因此較單一土層而言，土巖組合地層隧道上浮變形減小約12.5%，而隧道收斂變形量則隨著(zhù)土巖分界面下移，呈線(xiàn)性增長(cháng)。
在原有設計方案基礎上，通過(guò)調整圍護樁嵌固深度，分析圍護樁嵌固深度變化對隧道變形的影響規律。圍護樁嵌固深度分別增加0.5 m、減小0.5 m和1.0 m。由圖9(a)可注意到：①隧道拱腰(左)、(右)位移量在圍護樁嵌固深度逐漸減小的過(guò)程中均呈現出先增大后減小的規律，其原因為當圍護樁樁長(cháng)增加0.5 m時(shí)，圍護樁距離隧道的距離較近(水平方向距離道隧道最近只有3.8 m，豎直方向距離隧道只有1 m)，在基坑圍護樁施工時(shí)，擠壓土體產(chǎn)生附加應力，當兩者之間的距離不足以消散產(chǎn)生的附加應力，附加應力就會(huì )超過(guò)基坑卸載產(chǎn)生的影響占主要地位，進(jìn)而使隧道拱腰(左)位移量增加、拱腰(右)位移量減??；
②圍護樁嵌固深度從“不變”到“減小1.0 m”的過(guò)程中，水平方向上左側土壓力逐漸增加，因此隧道拱腰(左)位移量逐漸增加，拱腰(右)位移量逐漸減小，此外隨著(zhù)樁端縮短，圍護樁樁端越發(fā)接近拱腰(右)，基坑開(kāi)挖對樁端附加應力的改變影響了拱腰(右)的應力場(chǎng)，這也是造成了拱腰(右)位移量逐漸減小的原因之一，但這種變化是非常微小的。由圖9(b)可以看出，隨著(zhù)圍護樁嵌固深度的減小，隧道位移量和收斂變形量逐漸增大，并且增幅逐漸增大。
圖9 圍護樁嵌固深度與隧道變形關(guān)系曲線(xiàn)Fig.9 The relationship between embedment depth of retaining pile and tunnel deformation
(1) 基坑開(kāi)挖下臥隧道拱頂和拱底均向上浮動(dòng)，拱腰向內壓縮，整個(gè)隧道呈現“豎鴨蛋”形態(tài)，并且隨著(zhù)開(kāi)挖深度增加各階段增幅比例逐漸增大。
(2) 因為土巖組合地層分界面在基坑開(kāi)挖范圍內，改變土層彈性模量、黏聚力對處于巖層的下臥隧道拱頂、拱腰和拱底的位移量，以及收斂變形量影響很小，增加巖層彈性模量、黏聚力使處于巖層的下臥隧道拱頂、拱腰和拱底的位移量，以及收斂變形量逐漸減小。改變土層、巖層內摩擦角，均對處于巖層的下臥隧道拱頂、拱腰和拱底的位移量，以及收斂變形量幾乎無(wú)影響。
(3) 隨著(zhù)土巖分界面的不斷下移，隧道拱頂、拱底和拱腰的位移量呈非線(xiàn)性增長(cháng)。與第一個(gè)工況(原土巖交界面位置)相比，后三種工況下隧道拱頂上浮增幅比例分別為1%、6.5%、12.5%。隧道收斂變形量，則隨著(zhù)土巖分界面下移，呈線(xiàn)性增長(cháng)。
(4) 隨著(zhù)圍護樁嵌固深度的減小，下臥隧道拱腰(左)位移量先減小后增大；
拱腰(右)位移量先增大后減小，拱頂、拱底位移量逐漸增大。且當圍護樁嵌固深度增加到與隧道位置接近時(shí)(本工程中為增加0.5 m)，圍護樁施工產(chǎn)生的附加應力會(huì )超過(guò)基坑卸載產(chǎn)生的影響占主要地位。
