0.   引言

当前,随着城市轨道交通和地下空间开发的迅速发展,临近既有地铁隧道进行基坑开挖的现象日益增多。基坑开挖会对周围岩土体产生不同程度的扰动,这一受施工扰动的范围称之为影响区。因此,在基坑开挖前合理预测影响区范围以及采取措施降低影响区范围内隧道所受的影响至关重要。当前,《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB 50911—2013）^[1]根据受施工影响程度的不同,从基坑外侧由近到远依次将影响区划分为：主要影响区（I）、次要影响区（II）、可能影响区（III）。该方法形式上简单易懂,但不同影响分区划分的唯一依据是基坑开挖深度,未考虑不同地质条件、不同支护结构变形形式、变形大小等因素的影响,且以基坑底为分区基点,更适用于采用柔性桩支护的传统浅基坑。丁勇春^[2]根据基坑坑外地层变形规律,提出了基坑开挖对环境影响的简化分区图,由近及远分别为：主要影响区（I区）、次要影响区（II区）、无影响区（III区）。与规范^[1]中的三角形影响区不同,该影响区被简化为直角梯形,且以围护结构底端为分区基点,然而水平方向上影响区范围并未给出明确确定方法。郑刚等^[3]以天津某紧邻隧道的深基坑工程为例,采用有限元法对隧道变形规律进行了参数分析,结合不同规范隧道变形控制标准,将开挖影响区划分为：主要影响区（I区）、次要影响区（II区）、一般影响区（III区）、微弱影响区（IV）。该方法建立起了隧道变形控制标准与影响区之间的联系,且考虑了基坑围护结构变形模式和变形大小等因素的影响,理论上更加科学、合理。笔者^[4]针对前述基坑开挖影响区仅为基坑侧向影响区的情况,补充考虑隧道位于坑底以下的工况,给出了基坑开挖引起下卧隧道变形的影响区确定方法。

本文在基坑开挖引起下卧隧道变形影响区研究成果的基础上,选择工程中常用的土体加固法,采用有限元数值方法研究软弱地层中坑内土体加固对下卧地铁隧道变形特性的影响,通过定义变形控制有效率指标表征隧道变形控制效果,综合考虑变形控制效果和工程经济性,给出坑内土体加固形式和加固强度建议方案,然后利用上述建议方案,研究坑内土体加固对开挖影响区的控制效果。

1.   下卧隧道变形控制效果评价指标

根据相关规范^{[1, 5]},当预测下卧隧道受基坑开挖影响产生的变形大于5 mm时,需采取措施对隧道变形进行控制。本文重点探讨坑内土体加固对下卧隧道变形和影响区的控制效果。

由于下卧隧道受基坑开挖影响产生的竖向隆起位移远大于水平位移,因此本文主要研究坑内土体加固对隧道隆起位移的控制效果。定义坑内土体加固有效率η_v为

式中,S_max为未采取坑内土体加固时隧道最大隆起位移,${S^{\prime }}_{\max }$为采取坑内土体加固后隧道最大隆起位移。若η_v<0,说明坑内土体加固增大了隧道隆起位移,对隧道隆起位移控制起负作用；若η_v=0,说明坑内土体加固对隧道隆起位移控制无效；若0<η_v<1,说明坑内土体加固对隧道隆起位移控制有效,且值越大控制效果越好。

2.   坑内土体加固对隧道变形控制效果

2.1   土体加固工况

坑内土体加固平面布置形式包括满堂式、格栅式、裙边式、抽条式、墩式；竖向布置形式包括坑底平板式、回掺式、分层式、阶梯式。本文平面布置形式设置为满堂加固、裙边加固、抽条加固,共3种工况；竖向布置形式设置为平板式、回掺式、分层式,共3种工况；两者组合后共9种工况,如表1所示。加固土强度分别取q_u=0.5,1,1.5,2,2.5,3,3.5,4 MPa,共8种工况。加固形式和加固强度组合后共72种工况。

表  1  坑内土体加固形式

Table  1.  Forms of soil reinforcement in the pit

平面布置形式	竖向布置形式	示意图
满堂加固	平板式
满堂加固	回掺式
满堂加固	分层式
抽条加固	平板式
抽条加固	回掺式
抽条加固	分层式
裙边加固	平板式
裙边加固	回掺式
裙边加固	分层式

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2.2   加固形式对控制效果的影响

以基坑开挖深度H_e=18 m为例,开挖对下卧隧道变形的影响规律以及影响区划分结果详见文献[4],这里不在详述。发现,当隧道中心距地下连续墙水平距离L_t=6 m（L_t/B=0.2）,距坑底竖向距离H_t=6 m（H_t/H_e=0.33）时,开挖引起的隧道竖向位移最大。因此本文以该位置处的隧道为对象,分析坑内土体加固对隧道变形的控制效果。

图1为不同坑内土体加固形式和加固强度时隧道变形控制有效率η_v值。可见,同一加固强度时,平面采用满堂加固形式η_v值最大,即隧道变形的控制效果最好,抽条加固和裙边加固对隧道变形的控制效果相近,两者均次于满堂加固；同一平面加固形式、同一加固强度时,竖向分层式加固对隧道变形的控制效果最好,回掺式次之,平板式最差。

图  1  坑内土体加固形式和加固强度对η_v值的影响

Figure  1.  Influences of reinforcement form sand strengths on η_v

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从隧道变形控制效果上讲,平面选择满堂式加固,竖向选择分层式加固对隧道变形的控制效果最好。但从工程经济角度讲,竖向平板式加固时只加固坑底以下土体,不加固坑底以上土体,经济性最好；回掺式加固时,同时加固坑底以下和以上土体,但坑底以上土体采用较低的水泥掺量,经济性次之；分层式加固时,坑底以下和以上土体均采用同等较高的水泥掺量,经济性最差。由图1可见,竖向回掺式和分层式加固效果两者相差不大。经综合考虑,建议实际工程中平面选择满堂式加固,竖向选择回掺式加固,这样能在保证隧道变形控制效果的同时获得较好的经济性。

2.3   加固强度对控制效果的影响

图2为加固土强度q_u与隧道变形控制有效率η_v关系曲线。可见,${\eta }_{\text{v}}$随着q_u的增加呈非线性增长,但增长的幅度逐渐放缓。以平面采用满堂加固为例,当q_u=0.5 MPa时,${\eta }_{\text{v}}$值最大约为0.31左右；q_u =2 MPa时,η_v值最大为0.53；q_u =4 MPa时,η_v值最大为0.64。

图  2  加固土强度q_u对η_v值的影响

Figure  2.  Influences of reinforced soil strength q_u on η_v

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从隧道变形控制效果上讲,加固土强度越高,对隧道变形控制效果越好,但从工程经济角度讲,当加固土强度大于2 MPa时,土体加固对隧道变形的控制效果减弱,如果一味地通过增加加固土强度来提高对隧道变形的控制效果是不经济的,且工程中不易达到。因此,建议将坑底以下加固土的强度控制在2 MPa左右,坑底以上加固土强度控制在0.5 MPa左右。

3.   坑内土体加固对影响区的控制效果

3.1   坑内土体加固对下卧隧道变形分布特征的影响

图3为采用建议的土体加固形式及强度加固坑内土体后,坑底以下90个不同位置处隧道拱顶竖向位移曲线。与未进行土体加固时的隧道拱顶竖向位移对比发现,坑内土体加固后隧道拱顶位移,尤其坑底以下1倍开挖深度范围内（H_t/H_e≤1）的隧道位移显著降低。此外,发现坑内土体加固改变了坑底以下1倍开挖深度范围内（H_t/H_e≤1）隧道变形沿基坑半宽度的分布特征。未进行土体加固时,隧道距离地下连续墙越近变形越大；土体加固后,隧道距离地下连续墙越近,受地下连续墙和周围土体约束作用越明显,隧道变形越小,与传统坑底竖向变形“边缘小,中央大”的规律相吻合。

图  3  坑内土体加固后下卧隧道拱顶竖向位移

Figure  3.  Displacements of underlying tunnel crown after soil reinforcement in pit

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3.2   坑内土体加固对下卧隧道变形影响区的影响

图4为采用建议的加固方案加固坑内土体后得到的基坑开挖影响区。可见,与未进行坑内土体加固相比,坑内土体加固改变了坑底以下1倍开挖深度范围内（H_t/H_e≤1）隧道变形沿基坑半宽度的分布规律,因此隧道变形等值线被简化为同一种直线形式。结合20,10,5 mm三级隧道变形控制标准,将开挖影响区划分为：主要影响区（Ⅰ）、次要影响区（Ⅱ）、一般影响区（Ⅲ）和微弱影响区（IV）。

图  4  坑内土体加固后基坑开挖影响区

Figure  4.  Influenced zones of deep excavation after soil reinforcement in pit

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三级隧道变形控制等级对应的N₁,N₂值见表2。可见,与未进行土体加固时的影响区划分结果相比,坑内土体加固后,隧道变形影响区范围有所减小。控制值20 mm对应的N₁减小了约30%；控制值10 mm对应的N₁减小了约14.7%,N₂减小了约8.8%；控制值5 mm对应的N₁减小了约9.5%,N₂减小了约6.5%。

表  2  土体加固后开挖影响区范围确定参数

Table  2.  Determination parameters of influenced zones after soil reinforcement

控制值20 mm		控制值10 mm		控制值5 mm
N1	N2	N1	N2	N1	N2
0.70	0.80	1.28	1.55	1.90	2.20

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4.   结论

（1）下卧隧道变形控制有效率η_v受土体加固形式、加固土强度q_u等影响。平面满堂加固优于抽条加固和裙边加固,竖向分层加固优于回掺式加固和平板式加固；η_v随q_u的增加呈非线性增长,q_u存在一个优化值。

（2）综合变形控制效果和工程经济性,建议实际工程中平面选择满堂式加固,竖向选择回掺式加固（坑底以下加固土强度控制在2 MPa,坑底以上加固土强度控制在0.5 MPa）。

（3）采用建议的加固方案对坑内土体进行加固后,下卧隧道隆起变形显著降低,且坑底以下1倍开挖深度范围内（H_t/H_e≤1）隧道隆起沿基坑半宽度的分布特征与未加固相比发生了改变,进而隧道变形影响区模式由未加固时的两种变成了一种,隧道变形影响区范围也被缩小。