地鐵隧道側(cè)穿鄰近建筑中隔離樁的應用研究

盧致強，曹 平，劉建偉，程 韜，李冀偉

(中鐵隆工程集團有限公司，成都 610045)

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地鐵隧道側(cè)穿鄰近建筑中隔離樁的應用研究

盧致強，曹 平，劉建偉，程 韜，李冀偉

(中鐵隆工程集團有限公司，成都 610045)

以某地鐵隧道側(cè)穿5層磚混結(jié)構(gòu)房屋工程為背景，為研究隔離樁在隧道側(cè)穿鄰近建筑物工程中的隔離效果及影響因素，通過多組有限元數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別研究隔離樁的樁長、位置，隧道埋深以及隧道與建筑物的距離等因素對隔離效果的影響。研究結(jié)果：隔離樁對因隧道開挖產(chǎn)生的滑動區(qū)土體有較好的隔斷作用；隔離樁嵌入滑裂面以下的深度是隔離樁控制效果的重要影響因素，建議嵌入深度不小于4 m；隔離樁與隧道或建筑物距離的改變對隔離樁控制效果的影響較??；當建筑物與隧道的水平距離小于2倍隧道埋深或當隧道埋深小于2倍隧道洞徑時，隔離樁的控制效果較為明顯；對于工程地質(zhì)條件較差或鄰近建筑物沉降控制要求較為嚴格的工程中，當建筑物與隧道水平距離小于1.5倍隧道埋深，且隧道埋深小于2倍洞徑時，建議設置隔離樁對鄰近建筑進行保護。

地鐵隧道；側(cè)穿施工；鄰近建筑；沉降；隔離樁

1 概述

隨著軌道交通的快速發(fā)展，在城市繁華地區(qū)或一些特定地段，由于受鄰近建(構(gòu))筑物或地質(zhì)條件等限制，地鐵隧道與其他結(jié)構(gòu)物間的距離變得越來越小。隧道施工引起的地層移動一方面在地表引起不均勻沉降，另一方面直接引起鄰近建(構(gòu))筑物的變位，當變位不均勻時還會產(chǎn)生附加應力[1]。當?shù)貙幼冃纬^一定范圍時，會嚴重危及臨近建(構(gòu))筑物的安全。近年來，因隧道(或基坑)設計或施工不當造成鄰近建(構(gòu))筑物受損的工程災害時有所聞，小規(guī)模的鄰近建(構(gòu))筑物開裂案例更是屢見不鮮。目前隧道工程實踐中，對周邊環(huán)境的保護主要措施有以下幾種：加強支護結(jié)構(gòu)，地層加固，建筑物原位加固，按照時空效應原理控制開挖支護施工以及設置隔離樁(隔斷法)等。隔離樁作為控制基坑或隧道施工對鄰近建構(gòu)筑物影響的常用方法之一[2-9]，也常被用于隔離大面積堆載下軟土地基的應力傳播[10-13]從而減小對周邊的影響。西安地鐵2號線盾構(gòu)隧道側(cè)穿鐘樓施工時，在鐘樓周邊打設139根隔離樁，達到了最大沉降量不超過5 mm，局部傾斜不超過0.000 5的安全評估控制要求。但在隔離樁的實際應用中，有些工程較為成功，有些工程則并未取得理想的效果。

本文利用Midas GTS數(shù)值分析軟件，針對某地鐵區(qū)間隧道側(cè)穿5層磚混結(jié)構(gòu)樓房進行數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)及既有工程經(jīng)驗，分析隔離樁在隧道側(cè)穿鄰近建(構(gòu))筑物工程中的有效性，通過對隔離樁的樁長，隧道埋深、洞徑，以及隧道與建筑物的距離等影響因素進行多組模型分析，研究隧道側(cè)穿工程中隔離樁的合理設計參數(shù)，以期對工程設計的安全性和經(jīng)濟性提出合理化建議。

2 工程概況

鄰近建筑為5層磚混結(jié)構(gòu)，基礎為筏板基礎，基礎埋深約2 m，建成于1992年。地鐵區(qū)間隧道自該多層建筑南側(cè)穿過，隧道與該樓最小水平距離約4.1 m，最小豎向距離約8.5 m。地鐵區(qū)間為左右分建的兩條單洞單線隧道，斷面為馬蹄形，內(nèi)凈空為8.3 m(寬)×8.45 m(高)，二襯采用C35混凝土，厚度0.5 m，左右線線間距約為15 m，隧道埋深約10.5 m。區(qū)間隧道距離該建筑較近，降水宜引起鄰近建筑沉降，因此側(cè)穿既有建筑段采用洞內(nèi)全斷面深孔帷幕注漿止水并加固地層，利用小導管進行超前支護。初期支護厚度0.3 m，格柵鋼架間距0.5 m，雙層鋼筋網(wǎng)。為控制地層沉降，該施工區(qū)段未采用降水處理，隧道采用CRD法施工，利用WSS進行全斷面注漿止水并加固地層，注漿范圍為隧道開挖輪廓外3 m。施工前，在鄰近建筑與左線隧道之間打設Φ800@1 200 mm的隔離樁，樁長24 m。區(qū)間隧道與該建筑位置關系見圖1、圖2。

圖1 隧道與建筑水平位置關系(單位：m)

圖2 隧道與建筑豎向位置關系(單位：mm)

區(qū)間隧道側(cè)穿該樓房段，地表分布有厚薄不均的全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)；其下為上更新統(tǒng)風積(Q3eol)新黃土及殘積(Q3el)古土壤，再下為中更新統(tǒng)風積(Q2eol)老黃土及殘積(Q2el)古土壤互層。隧道洞身主要位于老黃土層，該層具針狀孔隙，含少量白色鈣質(zhì)條紋及結(jié)核，軟塑狀態(tài)，屬中壓縮性土。場地地下水屬潛水類型，穩(wěn)定水位埋深4.70～9.80 m。土層參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

本模型采用有限元軟件Midas GTS進行施工過程模擬分析。根據(jù)其圍巖性質(zhì)和設計需要選取合理的區(qū)域及尺寸建立模型。所建立模型尺寸為長103.4 m，高56 m。模擬時，地層采用平面單元，鄰近建筑按質(zhì)量等效為線單元。模型地表面為自由面，周邊采用法向變形約束條件，底部采用全約束條件。計算中土體采用摩爾-庫侖模型，初始應力場僅考慮土體自重應力場，不考慮地層的構(gòu)造應力。

針對3種工況進行了模擬分析研究，通過3種工況對比，分析隔離樁保護鄰近建筑物的有效性及作用機理。

工況1：存在鄰近建筑，未打設隔離樁；

工況2：存在鄰近建筑，打設隔離樁(本工況與實際工程對應，隔離樁長24 m)；

工況3：無鄰近建筑，未打設隔離樁。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析(圖3～圖5)

圖3 工況1圍巖豎向位移云圖

圖4 工況2圍巖豎向位移云圖

圖5 工況3圍巖豎向位移云圖

施工前，經(jīng)對鄰近建筑的安全評估，該建筑最大沉降量不得超過6 mm，差異沉降不超過3 mm。數(shù)值模擬結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果匯總見表2。

表2 數(shù)值模擬結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果匯總 mm

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及工況2中模擬結(jié)果均滿足評估要求。由表2可以看出，現(xiàn)場實際監(jiān)測的隧道拱頂和地面最大沉降略大于工況2，而建筑物處的最大沉降卻略小于工況2，但數(shù)值變化趨勢較為接近，數(shù)值差別不大，說明數(shù)值模擬可以較好地應用于模擬隧道工程。

現(xiàn)場施工過程中，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)一直較為穩(wěn)定，但有一區(qū)段拱頂及地面沉降變化速率較快，形成的沉降量也較大。經(jīng)現(xiàn)場仔細核查，該區(qū)段全斷面注漿未達到預期效果，導致拱頂及地面沉降產(chǎn)生局部突變，但隔離樁外側(cè)的既有建筑周邊的地面沉降一直較為穩(wěn)定，并且建筑物周邊的地面沉降明顯小于隔離樁內(nèi)側(cè)(隧道正上方)的地面沉降。

通過工況1與工況3對比，由于隧道埋深較淺，地面建筑的存在增加了作用在地層上的荷載，引起了更大的地層沉降，并且右線隧道拱頂沉降增加較為明顯。通過工況1與工況2對比可以看出，工況1中因隧道開挖卸載后周邊地層的滑移發(fā)展導致了鄰近建筑物產(chǎn)生了較大的沉降和差異沉降，并且受既有建筑的影響右線隧道的拱頂沉降要大于左側(cè)隧道；而工況2中由于隔離樁的存在，較好的隔斷了因隧道開挖卸載后引起的周邊地層的滑移發(fā)展，樁后既有建筑雖然也產(chǎn)生了一定的沉降，但在允許沉降范圍內(nèi)。模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合。

綜合上述計算并結(jié)合既有文獻的研究成果，在隧道與保護建筑間設置隔離樁，樁體穿過土體滑動區(qū)嵌入下部土層，可以較好地隔斷因隧道開挖卸載后周邊地層產(chǎn)生滑移位移場的發(fā)展。隔離樁的機理是控制建筑物下方的土體位移，當土體產(chǎn)生滑移變形時，隔離樁通過提高滑移面的抗剪能力以及樁身提供的樁側(cè)阻力以限制樁后土體的變形發(fā)展，減小樁后保護建筑的沉降[14-15]。隔離樁可以在隧道開挖時同時在水平和豎向起到變形隔斷作用，隔離樁主要承受開挖施工引起的側(cè)向土壓力和地層差異沉降產(chǎn)生的摩阻力；另一方面，隔離樁在一定程度上可以減少作用在隧道結(jié)構(gòu)上的土壓力[16]。

4 隔離樁參數(shù)的優(yōu)化研究

4.1 不同長度隔離樁的控制效果分析

在依托工程的基礎上，分別取隔離樁長度為4～28 m(間隔增量為2 m)，共計13個模型工況，計算結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，隨著隔離樁長度的增加，鄰近建筑的最大沉降量逐漸減小。在隔離樁長度小于12 m時，曲線變化趨勢較緩和，說明隔離樁在未嵌入滑裂面時對鄰近建筑的沉降控制有一定作用，但效果不明顯；隔離樁長度在12～18 m區(qū)段時，曲線下降趨勢較快，此區(qū)段隔離樁長度逐漸插入滑裂面以下，說明當隔離樁嵌入滑裂面以后，對鄰近建筑的沉降控制作用明顯，并且隨著隔離樁嵌入長度的增加，隔離樁對樁后建筑的沉降控制效果更為顯著；當隔離樁長度大于18 m后，曲線變化趨勢逐漸平緩，說明當隔離樁嵌入滑裂面以下足夠長度后，隨著隔離樁長度的增加，隔離樁對樁后建筑的沉降控制作用變化不明顯。

圖6 建筑物最大沉降隨隔離樁長度變化曲線

結(jié)合上述計算結(jié)果，建議在類似工程中隔離樁嵌入滑裂面以下的長度不宜小于4 m，并根據(jù)具體的地質(zhì)條件和鄰近建筑物情況，在工程安全和經(jīng)濟性的框架下選取合理的隔離樁嵌入深度。

4.2 不同位置隔離樁的控制效果分析

為分析隔離樁設置于不同位置時，對樁后鄰近建筑的沉降控制效果，在依托工程的基礎上假定隧道與既有建筑的距離為6、10 m和14 m三種情況，隔離樁與隧道的距離由1 m遞增至距離建筑物1 m，遞增間隔增量為1 m，共計27個模型工況，為保證隔離樁的嵌入深度足夠，各模型中隔離樁長度取值24 m(與依托工程一致)。建筑物最大沉降隨隔離樁位置變化曲線見圖7。

圖7 建筑物最大沉降隨隔離樁位置變化曲線

由圖7可以看出，建筑物與隧道在3種不同距離的工況下，隨著隔離樁與隧道距離的增加，樁后建筑的沉降略有增加，而后隨著隔離樁逐漸向建筑物靠近，樁后建筑的沉降逐漸減小，但整體變化幅度不大。因此，當隔離樁具有足夠嵌入深度時，隨著隔離樁位置的調(diào)整，隔離樁對樁后鄰近建筑的沉降控制作用變化不明顯。

考慮到滑動區(qū)土體對隔離樁的作用，隔離樁靠近隧道設置時，樁體承受的剪切和摩擦作用較大，但隔離樁可以減小作用于隧道上的土壓力；隔離樁靠近建筑物設置時樁體承受的剪切和摩擦作用較小，樁長也可以根據(jù)滑裂面位置相應減小。從經(jīng)濟性角度來看，隔離樁宜在靠近建筑物處設置，但需考慮施工操作空間和隔離樁本身施工對鄰近建筑的影響；從隔離樁對控制作用在隧道上的土壓力來看，隔離樁宜靠近隧道設置。因此，在隔離樁具有足夠剛度和嵌入深度以保證鄰近建筑的沉降在允許范圍之內(nèi)時，施工和設計時可根據(jù)上述分析，結(jié)合施工現(xiàn)場的場地條件和操作空間選取合理的隔離樁設置位置。

4.3 不同建筑物位置時隔離樁的控制效果分析

在依托工程的基礎上，假定隧道與既有建筑的水平距離為4.1(與依托工程一致)、6、8、10、12、14、16、18、20、22 m和24 m，隔離樁距離建筑2 m。通過對以上11種不同距離時分別模擬是否采用隔離樁工況，共22個模型工況。計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 建筑物最大沉降隨建筑物位置變化曲線

無隔離樁時，建筑距離隧道在10～22 m范圍，曲線下降較快；有隔離樁時，建筑距離隧道在12～20 m范圍，曲線下降較快。因此，當隧道與鄰近建筑的水平距離在1倍隧道埋深(10.5 m)至2倍隧道埋深(21 m)時，通過加大隧道與建筑物之間的距離，可以較好地控制鄰近建筑物的沉降。

通過有無隔離樁工況的對比，建筑距離隧道小于22 m(約2倍隧道埋深)時，隔離樁對于控制樁后建筑物沉降的作用較為明顯；建筑距離隧道大于22 m后，隔離樁對于控制樁后建筑沉降的效果不明顯。并且當隧道與建筑之間距離大于18 m(約1.7倍隧道埋深)后，在無隔離樁情況下，建筑物的最大沉降值已能夠較好地滿足安全評估控制要求。

根據(jù)上述計算結(jié)果，為便于分析，選取現(xiàn)場兩個地表沉降的標準監(jiān)測斷面，此兩處標準監(jiān)測斷面周邊無既有建筑，監(jiān)測點布置較為完整，兩處監(jiān)測斷面相距55 m。監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。

注：圖中水平軸0點處，為左右線隧道之間中點位置

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果(圖9)，從±13.5 m(基本為隧道結(jié)構(gòu)邊緣處)處測點到±31.5 m(距離隧道約20 m)處測點范圍，因隧道開挖引起的地面沉降衰減速率較快。在±26.5 m(距離隧道約15 m)兩測點外側(cè)的地面沉降已較小，均不大于2.2 mm。

綜上，地鐵線路設計時水平方向宜盡量遠離沿線建(構(gòu))筑物，以減小因隧道開挖對鄰近建(構(gòu))筑物的影響，可以較好地保護鄰近建(構(gòu))筑物和減少鄰近建構(gòu)筑物的保護措施費用。類似工程中，當鄰近建筑與隧道水平距離小于1.5倍隧道埋深時，建議結(jié)合隧道埋深情況，根據(jù)地質(zhì)及鄰近建(構(gòu))筑物情況采用隔離樁對鄰近建筑進行保護；當鄰近建筑與隧道水平距離大于2倍隧道埋深時，從經(jīng)濟性角度不建議采用隔離樁對建筑進行保護(特殊要求建筑除外)，可加強對鄰近建筑的監(jiān)控量測，必要時根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對建(構(gòu))筑物采取跟蹤補償注漿或打設石灰樁等措施。

4.4 不同隧道埋深時隔離樁的控制效果分析

在依托工程的基礎上，假定隧道埋深為6、8、10.5(與依托工程一致)、12、14、16、18、20、22、24 m和26 m，既有建筑與隧道距離為4.1(與依托工程一致)、8 m和12 m，隔離樁距離既有建筑2 m。通過對以上11種不同埋深和3種不同建(構(gòu))筑物與隧道距離的情況，分別模擬是否采用隔離樁的66種工況進行模擬分析。計算結(jié)果如圖10所示。

圖10 建(構(gòu))筑物最大沉降隨隧道埋深變化曲線

由圖10可以看出，在有、無隔離樁兩種情況下，隨著隧道埋深的增加，鄰近建筑的最大沉降量均在減小。

無隔離樁工況中，隧道埋深小于22 m時，曲線下降較快；有隔離樁工況中，隧道埋深在14～22 m范圍時，曲線下降較快。因此，當隧道埋深小于2.5倍洞徑(約21 m)時，通過加大隧道埋深，可以較好的控制鄰近建(構(gòu))筑物的沉降。

通過有無隔離樁工況的對比，當隧道埋深小于18 m(約2.1倍洞徑)，特別是隧道埋深較小的幾個工況，隔離樁對于控制樁后建(構(gòu))筑物沉降的作用較為明顯；當隧道埋深大于18 m后，隔離樁對于控制樁后建筑沉降的效果不明顯。并且當隧道埋深大于18 m(約2.1倍洞徑)后，在無隔離樁情況下，建(構(gòu))筑物的最大沉降值已能夠較好滿足安全評估控制要求。

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和既有工程經(jīng)驗，在滿足地鐵行車和車站埋深的條件下，地鐵線路設計時豎直方向宜盡量遠離沿線建(構(gòu))筑物，以減小因隧道開挖對鄰近建(構(gòu))筑物的影響，可以較好保護鄰近建(構(gòu))筑物和減少鄰近建構(gòu)筑物的保護措施費用。類似工程中，當隧道埋深小于2倍洞徑時，建議結(jié)合建(構(gòu))筑物與隧道的水平距離，根據(jù)地質(zhì)及鄰近建(構(gòu))筑物情況采用隔離樁對鄰近建筑進行保護；當隧道埋深大于2.5倍洞徑時，從經(jīng)濟性角度不建議采用隔離樁對建筑進行保護(特殊要求建筑除外)，可加強對鄰近建筑的監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，必要時采取有效的鄰近建(構(gòu))筑物保護措施。

5 結(jié)語

本文以依托工程為背景，通過大量的數(shù)值模擬分析，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果，得到以下結(jié)論。

(1)隧道側(cè)穿鄰近建筑工程中，當隔離樁具有足夠剛度和長度時，隔離樁對滑動區(qū)土體有較好的隔斷作用，對控制樁后建筑沉降的作用較為明顯，特別在隧道埋深淺或距離建筑較近時，隔離樁的作用更為突出。

(2)隔離樁應嵌入滑裂面以下足夠深度，才可以較好地隔斷因隧道開挖卸載后引起的周邊地層的滑移發(fā)展。結(jié)合既有工程經(jīng)驗，建議隔離樁嵌入滑裂面以下的深度不小于4 m。

(3)當隔離樁具有足夠剛度和嵌入深度時，隔離樁位置(隔離樁與隧道或建(構(gòu))筑物的距離)的改變對隔離樁控制作用的影響不明顯。也就是說，隔離樁的位置不是影響隔離樁控制作用的重要因素。因此，隔離樁的設置位置可根據(jù)工程需要、場地條件、操作空間和工程經(jīng)濟性等因素進行綜合比選確定。

(4)當建(構(gòu))筑物與隧道的水平距離小于2倍隧道埋深時，建(構(gòu))筑物與隧道之間的距離是影響建(構(gòu))筑物沉降重要因素；通過對比有無隔離樁作用的兩類工況，當建(構(gòu))筑物與隧道的水平距離小于2倍隧道埋深時，隔離樁的控制效果更為明顯。

(5)根據(jù)模擬分析結(jié)果，當隧道埋深小于2.5倍隧道洞徑時，隧道埋深是影響建(構(gòu))筑物的沉降重要因素；通過對比有無隔離樁作用的兩類工況，當隧道埋深小于2倍隧道洞徑時，隔離樁的控制效果更為明顯。

綜合模擬分析結(jié)果，建議地鐵線路設計時，在水平和豎直方向宜盡量遠離沿線建(構(gòu))筑物。當建(構(gòu))筑物與隧道水平距離小于1.5倍隧道埋深，并且隧道埋深小于2倍洞徑時，對工程地質(zhì)條件較差或鄰近建(構(gòu))筑物沉降要求較為嚴格的情況下，建議采用隔離樁對鄰近建筑進行保護。其他工況，建議根據(jù)工程地質(zhì)條件和鄰近建(構(gòu))筑物的沉降變形控制要求，結(jié)合數(shù)值模擬計算和既有工程經(jīng)驗確定。

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Study on Application of Shelter Piles Where Subway Tunnel Passing Sideway Nearby Buildings

LU Zhi-qiang， CAO Ping， LIU Jian-wei， CHENG Tao， LI Ji-wei

(Ranken Railway Construction Group Co.， Ltd.， Chengdu 610045， China)

With reference to a subway tunnel passing sideway a five-story brick masonry building and based on groups of numerical simulations and in-situ monitoring data， this paper studies the isolation effect and influence factors of shelter piles in projects where tunnels passing sideway buildings， and in particular， analyzes the isolation effect of shelter piles with the influence of pile length and position， tunnel depth， distance between tunnel and building. The research results show that shelter piles have good effect to obstruct the soil in slide zone caused by the tunnel excavation; the depth of shelter piles imbedded in slip surface is an important factor to reflect the controlling effect of shelter piles， and it is advised that the embedding depth of the shelter piles should not less than 4m; the change of the distance between shelter piles and buildings has less influence on the controlling effect; when the horizontal distance between building and tunnel is less than twice of the burial depth of tunnel or the burial depth of tunnel is less than twice of the diameter of tunnel， the shelter piles have relatively good controlling effect; for projects with poor engineering geological condition and strict settlement control standard of adjacent buildings， shelter piles are recommended to protect the nearby buildings， where the horizontal distance between building and tunnel is less than 1.5 times of the burial depth and the burial depth of tunnel is less than twice of tunnel diameter．

Subway tunnel; Passing sideway construction; Nearby building; Settlement; Shelter pile

2016-04-21；

2016-05-19

盧致強(1974—)，男，高級工程師，2004年畢業(yè)于西南交通大學土木工程學院橋梁與隧道工程專業(yè)，工學碩士，主要從事地下和隧道工程設計與研究工作，E-mail：365603995@qq.com。

1004-2954(2016)12-0094-05

U455.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.021