摘要
花岗岩残积土层基坑施工极易引起下方盾构隧道产生上浮变形和结构病害。该文依托深圳地区深基坑长距离上跨新运营地铁隧道施工案例，建立三维有限元模型，研究了深基坑开挖引起下方盾构隧道上浮量和水平收敛变化规律，并对衬砌结构纵向受力和病害相关性进行分析。结果表明：基坑卸载引起的隧道变形以整体上浮为主，断面变形为辅。采用跳仓开挖并对隧道拱顶上方土体进行抽条加固后，隧道上浮量平均减小了 14.4%，围护结构侧移减小了 49.1%。上方卸载造成的盾构隧道病害主要为集中于拱顶的环缝掉块，分析原因为拱顶环缝接头在弯矩‒剪力共同作用下，内侧混凝土产生压剪裂缝并逐渐发展。
Abstract
The construction of foundation pits in granite residual soil layers is prone to causing upheaval deformation and structural damage in shield tunnels below.Based on the engineering case of a newly operated metro tunnel collinear with the above long-distance deep foundation pit in Shenzhen, a three-dimensional finite element model was established to investigate the variation law of the heave and horizontal convergence of the shield tunnel caused by the deep foundation pit excavation. The correlation between the longitudinal stress of the lining structure and the damage was analyzed. The results indicate that the tunnel deformation caused by foundation pit unloading is primarily vertical heave, accompanied by slight section deformation. After adopting the jump excavation method and the stripped soil reinforcement above the tunnel crown, the average tunnel heave is reduced by 14.4%, and the lateral displacement of the envelop enclosure is reduced by 49.1%. The shield tunnel damage caused by the above unloading is mainly the spalling at the circumferential joints of the tunnel crown. The reason is that the compressive shear cracks occur and expand on the intrados of the circumferential joints of the tunnel crown under the combined action of bending moment and shear.
0 引言
近年来，随着超大城市开发密度不断增大，在既有隧道周边进行基坑开挖的工程案例逐渐增多，对隧道结构和地铁运营安全的影响不容忽视[1-4]。目前国内外学者针对基坑开挖对邻近地铁盾构隧道影响问题，一般采用理论解析[5-7]、数值仿真[8-10]、现场实测分析[11]和模型试验[12]等方法，从盾构隧道变形特征和上浮量预测、隧道周围水土压力演变规律及隧道变形控制理论和技术等多个角度开展了一系列研究并积累了丰富成果。
花岗岩残积土为花岗岩物理风化后原地残积产物，广泛分布在中国华南地区，其理化性质和结构特征复杂，遇水易软化崩解[13]。深圳地铁隧道主要位于花岗岩残积土层，因此更容易受基坑卸载影响。陈拴等[14]基于 Winkler 地基模型提出了上方基坑开挖下土‒隧道相互作用解析模型，并采用深圳某残积土层基坑长距离上跨隧道的工程实测数据验证了模型合理性；Zhu 等[15] 基于深圳地铁 1 号线注浆修复案例，研究了基坑施工引起残积土层隧道病害发展情况，并定量评价了注浆修复效果；Meng 等[16-17] 结合深圳桂庙路工程实测数据，分析了上方基坑施工引起盾构隧道长期变形规律以及上浮量和卸载比的关系，并建立有限元模型，研究了基坑施工过程中的土拱效应形成机制。目前，关于花岗岩残积土层盾构隧道上方基坑施工的实测资料有限，尚不能充分揭示隧道变形机理，亟待进一步研究。
本文结合深圳花岗岩残积土层深基坑长距离上跨新运营地铁隧道施工的工程案例，建立 Plaxis 三维有限元模型，分析基坑施工全过程隧道上浮、水平收敛的变化规律，并和测量机器人与三维激光扫描实测结果进行对比验证，在此基础上进一步研究隧道衬砌结构纵向受力和结构病害分布的关联规律。
1 工程概况
1.1 基坑方案
深圳地铁某隧道于 2020 年 8 月正式开通运营， 2020 年 7 月在隧道上方进行基坑开挖施工。由于基坑施工期间地铁刚开通试运营，干扰因素较少，因此可以更加准确分析基坑施工对隧道的影响。如图1 所示，基坑长 369.3 m，标准段宽 32.0 m。图2 为基坑典型断面（19 轴），基坑开挖深度 13.77 m，采用明挖法施工，围护结构为 800 mm 厚地下连续墙，深度 20.77 m；支撑体系采用 1 道钢筋混凝土支撑+1 道钢支撑 +1 道钢支撑换撑，混凝土支撑为 800 mm× 1 000 mm，间距 6 m，钢支撑为直径 609 mm、厚度 16 mm 的钢管，间距 3 m（换撑间距 6 m）。地铁隧道在基坑下方且两者长距离共线，隧道纵向坡率 1%，隧道顶部距离基坑的距离为 3.8~7.5 m。采用直径 600 mm，间距 800 mm 旋喷桩对隧道顶部土体进行加固，加固深度为基坑底至隧道顶面以上 1 m，考虑到南侧隧道埋深较浅，因此南区南侧 80 m 范围（5 轴~13 轴）采用满堂加固，其余部分（13 轴~45 轴）采用抽条加固，加固范围为左、右线隧道轴线两侧各 5 m 宽度内，纵向抽条加固范围 6 m，间隔 10 m。
图1 基坑和隧道位置关系（单位：m）
Figure1 Locations of foundation pit and tunnel （unit:m）
图2 基坑典型断面图（单位：m）
Figure2 Typical foundation pit section （unit：m）
基坑土方开挖采用竖向分层、纵向分段及跳仓的方式进行开挖，同时底板锚固临时抗拔桩，地下连续墙作为抗浮压板形成整体抗浮体系。当土方开挖到第 2 道支撑顶标高+0.05 m 时，停止开挖并立即进行旋喷桩加固，随后继续开挖并施作第 2 道支撑。之后进行分段跳仓开挖，跳仓长度不小于 80 m，分段长度为 6~9 m，进尺速度宜控制小于 3 m/d，放坡比例为 1∶1，采用喷射混凝土+钢筋网片护坡。
1.2 地质条件
图3 为南北向地质剖面图，地层自上而下分别为人工填土、砾质黏性土、全风化花岗岩和强风化花岗岩，主要土层的物理力学指标汇总于表1。基坑负一层以下基本位于砾质黏性土层中，而盾构隧道在 1 轴~25 轴主要穿越砾质黏性土层，25 轴~45 轴主要穿越全风化花岗岩层。场地内地下水根据赋存介质类型，主要分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。
图3 地质剖面图
Figure3 Geological profile
表1 地层物理力学参数
Table1 Physical and mechanical parameters of soil layers
1.3 隧道监测方案
（1）通过测量机器人对衬砌结构的水平和竖向位移进行监测，左、右线隧道 K3+764~K4+194 每间隔 10 m 设置一个监测断面，每个断面在两侧拱腰、轨道板和拱顶处共布置 5 个监测棱镜（图4），采用测量机器人[型号 Leica TS30，测角精度±0.5"，测距精度 0.6 mm±1.0×10-6 D，D 为测量距离（km）]，监测频率 1 次/d。
（2）采用三维激光扫描仪[型号 Leica ScanStation P40，测角精度 8"，测距精度 1.2 mm±10×10-6 D，D 为测量距离（km）]对左、右线 K3+764~K4+194 全长进行扫描，得到盾构隧道各环管片的整体收敛变化情况。扫描仪设置为高速模式，分辨率 3.1 mm@ 10 m，隧道理论半径 R=2.7 m，站间距 32 m，经过室内验证和全站仪的测量，误差在±2 mm 以内。
（3）采用高清拍照系统（型号 ScanTubes，配置有 12 台工业相机），对左右线隧道 K3+820~K4+194 区间每隔 0.75 m 拍照 1 次，并输出隧道高清环形展开图，可以识别宽度大于 0.3 mm 的平面缺陷，包括裂缝、掉块、渗水等。
图4 监测棱镜布置图
Figure4 Layout of monitoring prisms
2 有限元模型
2.1 模型概况
基坑和隧道长距离共线，整个开挖过程近似平面应变问题。为了研究分步开挖的影响，选择 19 轴为中心的一个开挖段（15 轴~23 轴共 80 m）进行建模分析。为减小边界影响，南北方向各扩展 2轴，实际建模范围为 13轴~25 轴。采用 Plaxis 3D 软件建立如图5 所示三维有限元模型。模型几何尺寸为 132 m× 120 m×50 m，其中 x方向两侧模型边界距离基坑地下连续墙均为 50 m，大于 3 倍基坑开挖深度；z 方向底部为中风化花岗岩层，保留了花岗岩原岩特征，物理力学性质好，可有效减小模型边界对计算结果的影响。模型四周边界限制水平位移，底部边界限制水平和竖直向位移；四周和顶部边界均设置为自由排水边界，底部设为不透水边界，水位线位于地表以下 3 m。
图5 有限元计算模型（单位：m）
Figure5 Finite element calculation model （unit：m）
模型土层自上而下为素填土、砾质黏性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩和中风化花岗岩，平均厚度分别为 5.0 m、16.9 m、7.4 m、10.7 m 和 10.0 m。地下连续墙深度 20.77 m，基坑开挖深度 13.77 m。
2.2 材料参数
2.2.1 地层参数
人工填土和中风化花岗岩本构模型选用摩尔‒ 库仑模型，参数见表2。砾质黏性土、全风化花岗岩和强风化花岗岩为影响基坑和隧道变形的主要土层，本构模型选用硬化土模型（Hardening Soil， HS），参数见表3。砾质黏性土和全风化花岗岩的强度参数参考文献[18-19]原状样室内试验和现场孔内剪切试验确定；考虑到花岗岩残积土为一类结构性强的特殊土，取样过程扰动大，其刚度参数不宜按照室内三轴试验确定，因此砾质黏性土的刚度参数参照文献[20-21]通过自钻式旁压试验 （SBPT）反演获得，全风化花岗岩的刚度参数根据砾质黏性土的刚度参数值和表1 中的平均标贯击数、深度值修正获得。旋喷桩加固后的全风化花岗岩力学参数参考文献[22]中的旋喷加固残积土层参数取值。
表2 摩尔-库仑模型参数
Table2 Mohr-Coulomb model parameters
注：c'为有效黏聚力；φ'为有效内摩擦角；ψ 为剪胀角；E 为弹性模量；ν 为泊松比。
表3 硬化土模型参数
Table3 Hardening soil model arameters
注：Eref 50 为三轴压缩试验的参考割线模量；Eref oed 为固结试验的参考切线模量；Eref ur 为卸载再加载参考割线模量；m 为刚度应力水平相关幂指数；Rf为破坏比。
2.2.2 结构参数
模型中的结构参数汇总于表4，盾构隧道衬砌的横向刚度有效率取 0.7，纵向刚度有效率取 1/6，界面系数 Rinter取 0.65。
表4 结构参数
Table4 Structural parameters
注：D 为直径；t为厚度；A 为截面面积；Rinter为界面系数。
2.3 施工工况和分析步
有限元模型各分析工况对应的分析步设置汇总于表5。共计算两种工况：工况 1：按照设计的施工方案，在第 3、4 层开挖时采用分段开挖，分段长度为 6~9 m，每段开挖完成后及时施作底板并换撑；工况 2：采用整体开挖方案，第 3、4 层土分别一次性开挖完成后施作全部底板并换撑。基坑开挖分析步中，地下水随挖随降，最终坑内水位下降至基坑底，考虑到地层渗透性较好，因此采用稳态渗流下的排水分析。
表5 有限元分析步设置
Table5 Steps of finite element analysis
3 结果分析
3.1 衬砌结构上浮
图6 为有限元计算和现场实测得到的盾构隧道的上浮量对比，其中 3、5 号测点分别位于轨道板和拱顶，全部开挖完成后，由于隧道埋深自西向东逐渐增加，并且地层风化程度逐渐降低，因此隧道上浮量逐渐减小。全部开挖后实测左线隧道 3、5 号点的平均上浮量分别为 28.5 mm 和 21.6 mm，差值 6.9 mm；右线隧道 3、5 号点的平均上浮量分别为 27.5 mm 和 22.2 mm，差值 5.3 mm，表明基坑开挖引起下卧隧道的变形以整体上浮为主，断面形变为辅，右线隧道更加靠近基坑中轴线，整体上浮趋势更加显著。相比于一次性全部开挖，采用分段开挖左、右线上浮量平均减小了 8.9% 和 4.7%；对于同样采用一次性全部开挖的工况，进行隧道上方抽条加固时，左、右线 3、5 号测点的上浮量平均减小了 6.8% 和 8.3%。综合采用分段开挖和抽条加固，隧道左、右线最大上浮量平均减小了 14.4%。
图6 盾构隧道衬砌结构上浮量
Figure6 Heave of lining structure of shield tunnel
图7 为全部开挖后 19 轴南侧地下连续墙侧移曲线，图中标注了各条曲线的最大位移量和对应深度。相比仿真位移曲线，实测最大位移量 23.8 mm 接近一次性开挖计算值 23.3 mm，大于分段开挖计算值 17.0 mm，原因是分段开挖仿真严格按照施工方案，每开挖一段后立即施作底板，而现场底板支模、浇筑至形成强度需要一定时间，此时相邻段已经开始开挖，会引起当前段围护结构侧移进一步发展；相比一次性全部开挖，实测和分段开挖工况的最大位移值对应深度较小，且最大位移以下位置位移下降速率更快，原因是一次性开挖工况是在开挖全部完成且变形稳定后才激活底板，底板未能完全发挥对围护结构的支撑作用。相比一次开挖，分段开挖时有限元计算得到的地连墙最大侧移减小了 27.0%；在一次开挖条件下，土体加固后地连墙最大侧移减小了 22.1%。跳挖和隧道上方土体加固可以有效限制基坑围护结构的侧移，围护结构最大侧移减小了 49.1%。
3.2 衬砌结构收敛
图8 为第三段开挖后盾构隧道水平收敛曲线。测量机器人测得的水平收敛值根据 1、4 号测点水平、竖向位移计算获得。左、右线隧道的水平收敛曲线基本和整体上浮曲线形状相似，15 轴~23 轴实测收敛值小于 10 mm，其中 18 轴~20 轴开挖至基坑底，衬砌水平直径减小，横断面受力状况有所改善。两种实测方式测得的水平收敛变化趋势相似，而三维激光扫描获取了每环管片的收敛值，监测密度更高，隧道水平收敛数据波动性较大，这可能与管片错缝拼装引起的刚度差异、地层不均匀分布等因素有关。有限元建模时隧道简化为均质圆环，和实际情况有所差异，但计算结果和测量机器人、三维激光扫描实测数据趋势基本吻合，大小约为实测值的下限，高估了盾构隧道水平直径减小幅度。
图7 基坑 19 轴南侧地下连续墙侧移（全部开挖）
Figure7 Lateral displacement of south underground diaphragm wall at axis 19 of foundation pit (excavation completed)
图8 盾构隧道衬砌结构水平收敛（第三段开挖）
Figure8 Horizontal convergence of lining structure of shield tunnel structure (excavation stage3 completed)
3.3 衬砌结构病害机理
根据高清摄影结果，开挖引起的 15轴~23轴隧道病害类型和数量汇总于表6，位置分布见图9。环缝掉块（图10）为主要的病害类型，占总病害数量的 52%；病害主要集中在管片拱顶 60°~120°，数量占总病害数量的 77%，右线隧道的结构病害更加严重。这与 Liu 等[23-24]、刘建文等[25] 通过数值分析得到的病害位置一致。
表6 盾构隧道 15 轴~23 轴病害统计
Table6 Damage statistics of shield tunnel from axis 15 to axis 23
图9 盾构隧道 15 轴~23 轴病害分布
Figure9 Damage distribution of shield tunnel from axis 15 to axis 23
图10 典型环缝掉块
Figure10 Spalling at typical circumferential joints
盾构隧道纵向病害主要和隧道不均匀上浮相关。Liu 等[26] 开展的错缝足尺接头试验结果表明：在负弯矩作用下，接头内侧混凝土首先产生压剪裂缝并逐步发展；Ding 等[27] 的足尺接头试验表明：相比纯弯矩作用，在轴力‒弯矩‒剪力共同作用下接头更容易发生混凝土压损。以第三段开挖后的隧道受力情况为例，分析拱顶环缝的病害机理，图11 为盾构隧道拱顶的纵向弯矩和剪力曲线。
图11 第三段开挖后隧道拱顶受力
Figure11 Tunnel crown force at excavation stage 3
由图11 可知：左线隧道拱顶最大弯矩为-32.87 kN · m（外侧受拉），出现在 19 轴附近；右线隧道拱顶最大弯矩为-31.92 kN · m，出现在18轴~19轴。左线隧道拱顶剪力最大、最小值分别为 32.37 kN （19轴）、-41.46 kN（21轴）；右线隧道拱顶剪力最大、最小值分别为61.57 kN（20轴）、-32.28 kN（19轴）。在弯矩‒剪切力共同作用下，拱顶环缝内侧混凝土产生应力集中和压剪切裂缝，随后逐渐发展为掉块。右线隧道拱顶处剪力更大，因此结构病害更加严重。
4 结论
基于深圳花岗岩残积土层深基坑长距离上跨新建地铁隧道施工的工程案例，建立三维有限元模型，对基坑施工全过程隧道上浮、水平收敛、衬砌结构受力和病害分布特征进行研究和分析，得出以下结论：
（1）基坑卸载引起隧道变形以整体上浮为主，断面变形为辅，越接近基坑中轴线隧道整体上浮趋势越显著；随着隧道穿越和下卧土层刚度增大，上方卸载引起的隧道上浮量逐渐减小。由于现场底板浇筑至形成强度需要一定时间，在施工进度较快的情况下分段开挖的效果并未充分发挥。
（2）数值仿真结果表明，相比于竖向分层、单层一次性全部开挖的方式，采用跳仓开挖并对隧道拱顶上方土体进行抽条式加固后，隧道左、右线最大上浮量平均减小了 14.4%，围护结构最大侧移减小了 49.1%，分段开挖和土体旋喷加固对基坑围护结构变形的控制效果更优。
（3）上方基坑卸载引起既有隧道的病害主要为环缝掉块，并且拱顶区域的结构病害占比 70% 以上。在弯矩‒剪力共同作用下，拱顶环缝内侧混凝土受应力集中影响产生压剪裂缝，进而发展为掉块。因此，在控制上方基坑开挖引起的隧道不均匀上浮的同时，应加强隧道拱顶环缝的监测和预警。
