基坑开挖卸荷对轨道交通结构的影响规律

1基坑开挖卸载对轨道交通结构的影响1.1研究现状在基坑卸荷引起的地层回弹变形方面，国内外不少学者曾作过较深入的理论研究。日本建筑规范推荐使用分层总和法，分层计算每层土体的回弹量，然后求和，得出地层总的回弹变形量。陈永福[1]对上海地区围护结构插入深度比(D/H)为0.8的软土深基坑的基底隆起进行研究，认为在上海软土地区基坑卸载以后的回弹影响范围约为l倍的开挖深度。徐方京，侯学渊[2]对基底隆起常用的各种计算模型（如分层总和法、超固结法等方法）进行了分析和对比，对基坑开挖面以下各层土回弹性状作了可贵的探索。随着计算机技术不断应用于岩土工程领域，国内外有不少学者运用有限元法对基坑开挖回弹、地铁隧道与周围环境之间的相互影响等方面进行了深入的研究。HamdyFaheem、Feicai（2004）[3]等采用考虑剪力折减的三维有限元对软土中的矩形基坑开挖进行模拟，得出了影响基坑变形的几个重要参数。李佳川等[4]利用平面有限元对采用地下连续墙与钢支撑作为围护结构的基坑工程的坑周位移场进行了计算，提出了坑底位移场的分布规律。K.Y.LOandJ.A.Ramsay[5]应用三维有限元分析了结构施工对其下方己存在隧道的变形、位移、内力的影响，并分析了不同施工方案对隧道不同程度的影响，为预测结构施工对隧道的影响提供了依据。由于目前盾构法隧道管片设计均采用柔性衬砌设计理论，允许结构有一定程度的变形，利用土体自身的位移协调，减少外部土体对隧道衬砌结构的荷载作用，于是衬砌的厚度一般设计较小。另一方面，隧道的区间长度较长，远远大于结构断面尺寸。因此，地铁隧道本身为柔性衬砌结构，其纵向变形刚度较弱，导致隧道在长期使用过程中由于地层以及周边环境的不同产生不同的沉降变形。特别是由于附近相关建设工程的加卸载影响，地铁隧道附近土体应力场以及位移场均会发生相应的变化，可能会导致地铁隧道局部的、短期的不均匀沉降变形，更进一步导致隧道结构或者接头部位的过大变形甚至破坏。刘建航院士和侯学渊教授[6]曾对盾构法隧道的纵向变形做了总结性研究，对上海地区投入运行的数条公路隧道和水工隧道的长期沉降规律进行了分析，并根据实测数据给出了相应的纵向沉降经验公式。陈郁，张东梅[7]结合工程实例，利用现场实测数据，分析了基坑开挖对下卧2隧道的影响，得到了下卧隧道的隆起变化规律，认为隧道随着土体的回弹而隆起变形，并近似为正态曲线分布，曲线顶点即隧道最大隆起点接近基坑开挖中心位置。王卫东、吴江斌、翁其平等[8]充分考虑设计中隧道周围土体加固，并充分利用开挖土方的时空效应等措施，对基坑开挖卸载下的地铁隧道进行了数值模拟，发现隧道的变形以刚体变位为主，且体现为竖向上抬，采取有效的基坑支护措施和充分利用时空效应能很好地控制隧道的变形。况龙川等[9]通过对上海广场项目实测数据的分析，得出地铁隧道对临近深基坑施工十分敏感，引起隧道向基坑方向产生较明显侧移并使隧道断面呈椭圆形状的变形，地层加固能及时控制地铁隧道的变形。吉茂杰等[10]在基坑隆起残余应力计算方法的基础上，结合隧道隆起实测分析规律，考虑时空效应影响，对残余应力计算方法进行了修正，推导出基坑隆起时空效应理论计算实用公式。陈郁、李永盛[11]利用Mindlin弹性半空间应力解，以上海东方路下立交工程为背景，推导了基坑开挖引起隧道结构的附加应力情况，进而通过弹性地基梁理论得出计算隧道隆起的解析算法。刘国彬，黄院雄等[12]根据软土基坑隆起变形的残余应力法和软土的卸荷模量，研究利用坑内加固和基坑工程的时空效应施工法等措施来控制基坑下既有隧道的上抬变形，指出坑内加固和时空效应法施工可有效控制隧道上抬。王占生[13]针对基坑施工对地铁影响问题，采用修正的地层补偿法、岩土工程专业有限元软件Plaxis进行计算，模拟了主要施工方式及施工参数，并与现场实测结果进行对比研究。修正的地层补偿法用于计算基坑施工过程中对已有地铁隧道的影响，具有较高的精度。由于引起隧道变形的周边工程因素千差万别、地质情况复杂多变，从基坑工程开挖到地表加卸载都将引起隧道的纵向变形，并且这方面的研究尚处在初始阶段，主要集中在对大量的现场实测数据回归分析室内试验和反演分析等，对特定工况下的地铁隧道纵向变形模式进行了经验曲线模拟，虽然各种文献得到了一些理论公式以及经验公式，但是由于土体性质的不确定性、基坑位移场影响因素的多样性，已有的公式都未得到推广。目前还缺乏统一的、更具一般性的隧道变形规律以及控制模式，变形的计算理论以及控制并不系统，需要进一步完善。目前，对于大面积卸荷条件下的基坑工程卸载，需要从理论上、施工技术上3对地层回弹以及隧道的变形机理和规律进行系统化的研究，以更好的指导工程实践，对已建地铁隧道的保护做到有章可循、有的放矢。为了有效并且合理的限制地铁隧道的上抬变形，避免不必要的浪费，首先应根据卸荷条件、地层变形特性，区别对待关键控制区内和区外土体的卸载，重点对关键控制区内采取非常措施，以有效控制地铁隧道上方土体卸荷产生的不利影响。而对关键区之外区域的卸荷，则主要通过合理的施工参数来控制。1.2基坑开挖卸载对轨道交通结构的影响规律[12][13][14]大面积基坑开挖后土体卸荷，基坑的开挖卸荷面积、放置时间、开挖卸荷深度、与开挖中心距离等因素均影响下侧地铁隧道的回弹变形量。通过对软土地基基坑工程的研究，根据基坑开挖卸荷对地铁隧道结构变形的影响因素，分析基坑开挖时对既有隧道结构变形的影响规律。（1）基坑开挖面积对隧道的影响。基坑开挖面积较小时，随深度的增加卸荷附加应力衰减特别迅速。随着基坑开挖面积的增加，卸荷附加应力衰减的速度有所放缓。表明基坑开挖面积增加时，基底以下土体的回弹影响深度增加，对隧道周围的影响范围和深度增大。（2）基坑至隧道轴线水平距离的影响。基坑位于隧道正上方时，对隧道及周围土体的回弹影响最大；随着隧道到基坑的距离越来越远，隧道附近土体的回弹隆起越来越小；隧道在基坑某一水平临界位置时，隧道的回弹量急速衰减，尤其实在基坑开挖面积较大的情况下，衰减速度更为明显；随后在距离继续增大时，对隧道回弹影响进入缓慢衰减的阶段，衰减速率逐渐减小，直到对隧道变形影响减小为零。（3）基坑至隧道顶部垂直距离的影响。当基坑到隧道顶部的距离在某一深度范围内时，基坑开挖引起隧道的回弹变形量相对均较大，并且随着深度增加回弹变形迅速衰减；在深度超过某一临界位置时，回弹变形衰减速率降低，深度继续增加时，回弹变形缓慢减小为零。（4）基坑开挖的长宽比的影响。在同一开挖面积下，基坑基底中心最大隆起量随长宽比的不同而不同。在基坑开挖面积较小的情况下随着长宽比的增加，隆起变形值减小得比较平缓，且随着开挖面积的增加，隆起变形值衰减速率逐渐增大。卸荷中心下隧道的附加应力系数以及变形随长宽比的增大而逐渐减小，特别是在卸荷面积超过81m2的时候尤为明显。基坑开挖面积较小时，长宽比影响较小。因此地铁隧道上方大面积卸荷下的设计和施工时，建议对基坑土体多分块施工，4且采用长条形的土体开挖方式，以减少土体的空间效应影响。（5）基坑边线与隧道夹角的影响。当基坑长边与隧道轴线的夹角发生变化时，隧道位于基坑中心处点的隆起变形最大值不变；各个不同角度的地铁隧道纵向变形曲线形态基本相同，并近似为正态曲线分布；在沿隧道纵向延伸到某一足够远的距离时，隧道的位移变形值近似相等，与夹角的大小无关。在夹角较小时，从中心向两侧延伸的过程中，隧道隆起变形减小得较缓慢，而在达到某一位置时隆起变形迅速降低。而在夹角较大时，从中心向两侧延伸的过程中，隧道隆起变形减小较快。可以发现，在角度较小时，基坑对隧道变形的影响范围要大，沿隧道纵向持续具有较大的变形。在角度较大时，基坑对隧道变形的影响范围要小，并且沿隧道纵向的变形值迅速减小。（6）基坑开挖及放置时间。基坑开挖及放置时间是影响坑底地层回弹的主要因素。在相同的开挖面积、相同的开挖深度下，不同的基坑开挖时间、不同的底板施工时间，地铁隧道具有不同的最大隆起量。土体分块开挖施工中地铁隧道的回弹变形在48h内都是飞速发展的。因此，减少基坑开挖暴露时间对于控制坑底地层变形以及保护下卧隧道的作用是非常重要的。1.3隧道周边基坑施工的处置措施[13][14]1.3.1基坑施工卸荷的控制方法（1）分区分时段卸荷。由于一定时段内地层的变形位移以及地铁隧道的变位与这一时段内的相对卸载量有关。因此，结合基坑开挖时不同的卸载模式，根据基坑的自身特点以及地铁隧道的关键控制距离，以化整为零、以大化小的原则，采用分隔墙(端封墙)等将大面积卸载区域化分为若千独立的卸载区域，分阶段、分时段进行开挖卸载，分别控制每一分区施工过程中地层以及隧道结构的变形，从而达到实现整体控制的目的。（2）围护结构选型。为了控制因卸载引起的坑周土体水平位移以及坑底土体隆起，基坑工程的围护结构设计时，必须考虑围护结构的选型。必须综合考虑支护刚度、入土深度、施工速度、工程地质条件、场地环境保护等多种因素，对比选取地下连续墙、钻孔灌注桩及SMW桩等。（3）分块开挖及其施工顺序。软土深基坑工程开挖过程中，合理地划分基坑分块及其开挖的顺序，适当减少每步开挖土方的空间尺寸，并减少每步土方开挖未支撑前基坑挡墙所暴露的时间，科学、充分地利用土体自身控制地层位移的潜力，5是解决软土深基坑稳定和变形问题的有效对策，也是保护邻近环境不被损坏的途径。在隧道上方的土方分块应遵循“分层、分块、分条幅、平衡、对称、限时”的开挖原则，结合工程的实际情况，设计安全合理的施工参数和施工步骤，达到控制隧道变形的目的，保证隧道结构的安全要求以及耐久性要求。（4）及时压重堆载。基坑施工过程中，底板施工阶段虽然有一定量的结构荷载对土体回弹有抑制作用，处于卸荷再加载阶段，但由于土体的流变性，底板的再加载通常无法完全抵消上方土体的卸载，隧道将继续发生上抬隆起变形。在允许的情况下隧道内压载或者底板上及时加载等均可减小土体的相对卸载量，达到控制土体和隧道变形的目的。（5）充分利用时空效应。减少基坑开挖放置时间和采用分块分条开挖基坑能有效地减小隧道隆起变形量。施工过程中，除了减少挖土时间、做好各个工序的衔接，还可以采用接驳器连接底板钢筋，减少钢筋的焊接时间等方法来减少基坑开挖过程中地层的暴露时间。（6）加设支撑及复加轴力。基坑施工过程中，支撑不可避免的会产生支撑轴力损失。支撑轴力损失和围护结构及其后土体位移、温度变化、施工过程中的碰撞等有关，通过适时复加预应力可补偿这些因素所造成的应力损失，回顶挡墙。实际施工时在某些特殊情况下，可以增加支撑或者调整支撑位置以满足控制要求。1.3.2地层变形控制方法（1）隔断法。隔断法就是在建筑物附近进行地下工程施工时，在施工面与附近保护建筑物之间设置隔断结构等屏障墙体，以减少土体的位移与沉降量，避免由工程施工导致建筑物产生变形甚至破坏的工程保护方法。墙体主要承受施工引起的侧向土压力和地基差异沉降所产生的负摩擦力。对于地铁隧道上方大面积卸载的情况，可采用门式抗浮结构体进行隔断，门式抗浮体可由抗拔桩、土体注浆加固、压顶结构等构成，主要用于承受由于基坑工程开挖卸载引起的上浮摩擦力，减小隧道结构的纵向回弹变形。（2）提高地层卸荷模量。采用化学注浆（地面垂直注浆、水平注浆、隧道内向下打孔注浆等）、水泥土搅拌法等土体加固措施，提高地层的卸荷变形模量，使得在同样的卸载条件下，由于土体卸载模量增大，地层的回弹位移量减小。1.3.3隧道结构变形的控制方法（1）提高截面刚度。在允许的情况下，可以在隧道内采取设置固定钢梁、钢管6片衬砌等措施，增大隧道本身的截面抗弯刚度，达到控制变形的目的。（2）设置抗拔桩。除了增加隧道的截面刚度减少地层对于隧道上抬的变形，在隧道内还可以设置一定深度的抗拔桩(如静压桩)，通过桩身的摩擦力抵抗地层作用在隧道结构的上浮力。1.3.4信息化监控技术基坑在施工过程中，由于地层的各向异性、不均匀性以及地层在施工扰动时发生的难以预测的不确定因素，在施工过程的各个阶段还可能发生某些偏离预测值的现象，这就必须在施工过程中进行实时监测和实时控制。对邻近工程施工引起的地铁隧道