坑內(nèi)加固體對(duì)基坑及鄰近地鐵隧道的影響分析

肖信霈 周燦朗 張國學(xué)

(1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院土木工程系，廣東佛山 528000； 2.佛山軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣東佛山 510010)

隨著人們對(duì)城市空間需求的不斷增加，各種基坑工程日益增多。基坑開挖的工況也越來越復(fù)雜：地質(zhì)條件差、基坑開挖深、周邊建構(gòu)筑物密集等，在保證基坑開挖安全的同時(shí)，還需考慮對(duì)周邊建構(gòu)筑物的影響。由于基坑開挖的卸載作用，基坑周邊土體向基坑內(nèi)移動(dòng)，使周邊建構(gòu)筑物發(fā)生相應(yīng)的變形，結(jié)構(gòu)可能被破壞。為了減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，提高基坑的整體穩(wěn)定性，可選擇在坑內(nèi)進(jìn)行加固?？觾?nèi)加固對(duì)周邊建構(gòu)筑物的影響不容忽視，有些學(xué)者針對(duì)具體問題做了相關(guān)研究：吳才德[1-4]等分析了軟土地區(qū)地基開挖引起的鄰近隧道變形，得到不同基坑尺寸、隧道與基坑的相對(duì)位置對(duì)鄰近隧道的變形影響規(guī)律；鄭剛[5]等研究了不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式對(duì)坑外既有隧道變形的影響，認(rèn)為在圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形相同而變形模式不同的情況下，懸臂型模式對(duì)坑外隧道位移影響最小，踢腳型模式最大，內(nèi)凸型與復(fù)合型居中；高鵬[6]研究了不同加固方式對(duì)深基坑的影響，認(rèn)為滿堂、格柵、抽條、裙邊這四種加固方式對(duì)抑制坑底隆起作用依次減小，對(duì)減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的效果差別不大；曹力橋[7]對(duì)軟土地區(qū)基底隆起進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明：降水開挖時(shí)基坑會(huì)出現(xiàn)塑性隆起，不降水開挖時(shí)基底中部隆起位移最大；張陳蓉[10-12]等研究了基坑開挖對(duì)附近地下管線的影響，分析了基坑開挖過程中地下管線、樁基的變形規(guī)律；魏祥[13-14]等研究了基坑加固對(duì)樁基側(cè)向位移的影響，分析了淤泥質(zhì)土的壓縮模量隨壓力、時(shí)間的變化規(guī)律以及不同加固體尺寸對(duì)樁基變形的影響規(guī)律。但坑內(nèi)加固體對(duì)鄰近隧道的影響研究鮮有報(bào)道。結(jié)合具體實(shí)際工程，探討不同加固寬度、深度對(duì)基坑變形和鄰近隧道變形的影響，以得到最優(yōu)的加固尺寸參數(shù)。

1 工程概況和加固方案

佛山地鐵三號(hào)線美旗站-水口站區(qū)間位于佛山金輝悠步熙園B區(qū)南側(cè)，采用土壓平衡盾構(gòu)法施工。區(qū)間頂部覆土約22.00 m，底部埋深28.20 m，管片外徑為6.2 m，厚度為380 mm。

悠步熙園項(xiàng)目基坑為不規(guī)則幾何形狀，平行于隧道最長為90 m，垂直于隧道最長為120 m，放坡高度為2.6 m，坡度為1∶1.5，平均深度為5 m。

基坑和隧道最小凈距為15 m， 隧道受影響長度約185 m，主要土層為：①素填土、②粉細(xì)砂、③淤泥質(zhì)土和④強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。素填土層比較薄，計(jì)算時(shí)按粉細(xì)砂考慮，兩層土共厚7.5 m，淤泥質(zhì)土層厚27.8 m，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖厚12.5 m，地層條件較差，易產(chǎn)生壓縮變形。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

臨近地鐵區(qū)間的一側(cè)采用放坡開挖和φ800@1 000灌注樁(包括1根長樁，3根短樁，長樁長42 m，短樁長25 m支護(hù))，其它的邊采用放坡開挖和φ850@1 550三軸攪拌樁內(nèi)插鋼管的支護(hù)形式，圍護(hù)結(jié)構(gòu)外圍采用φ850@1 550三軸攪拌樁的止水帷幕，基底采用φ600@450×450三軸攪拌樁裙邊加固。土層物理力學(xué)參數(shù)如表1。隧道與基坑關(guān)系如圖1、圖2。

圖1 基坑與隧道平面關(guān)系(單位：m)

圖2 基坑與隧道剖面關(guān)系(單位：m)

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.1 計(jì)算步驟與模型

在數(shù)值模擬分析時(shí)，根據(jù)基坑施工工況、隧道與基坑的結(jié)構(gòu)關(guān)系以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)建立二維平面模型。模型寬度為250 m，高度為50 m，土層單元尺寸約為0.5 m×0.5 m。

土體采用摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則、平面應(yīng)變單元模擬(受拉為正)，屈服函數(shù)為

F=(δ1-δ3)+(δ1+δ3)sinφ-2ccosφ

(1)

式中c——土體屈服時(shí)的黏聚力；

φ——土體屈服時(shí)的內(nèi)摩擦角。

盾構(gòu)管片和圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬。盾構(gòu)管片厚0.3 m(材料為C50)；圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料為C30。

建模分兩種思路。

思路一：加固寬度取3 m，加固深度分別取0 m、5 m、10 m、15 m、20 m，計(jì)算基坑隆起高度與隧道變形。

思路二：加固深度取10 m，加固寬度分別取0 m、3 m、6 m、9 m、15 m，計(jì)算基坑隆起高度與隧道變形。

施工步驟如表2，網(wǎng)格模型如圖3。

表2 施工步驟

圖3 基坑與隧道的網(wǎng)格模型

2.2 加固體對(duì)基坑的影響分析

在上述地質(zhì)狀況、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和施工工況下進(jìn)行模擬計(jì)算，得到基坑的塑性隆起及最大位移位置(如圖4)。

圖4 基坑土體變形云圖

分別按思路一和思路二模擬計(jì)算，得到的基坑變形曲線如圖5、圖6。

圖5 不同加固深度基坑最大位移的改變

圖6 不同加固寬度基坑最大位移的改變

由圖5、圖6可知，在軟土基坑沒有加固的情況下，計(jì)算模型無法收斂。

基坑加固寬度取3 m，隨著加固深度的增加，基坑隆起高度減小，在加固深度5～15 m范圍內(nèi)，基坑隆起高度下降緩慢，當(dāng)加固深度大于15 m，基坑隆起高度大幅度降低。隨著加固深度的增加，基坑在X方向的位移和總位移的變化趨勢和基坑隆起變化趨勢基本一致。

基坑加固深度取10 m，隨著加固寬度增加，基坑隆起高度降低，加固寬度在3～6 m范圍內(nèi)，基坑隆起高度下降較快；加固寬度大于6 m時(shí)，基坑隆起高度下降緩慢。X方向位移與總位移變化趨勢與基坑隆起基本一致；即隨著加固尺寸的增加，基坑各方向位移同等程度縮小。

綜上所述，增大加固寬度比增加加固深度對(duì)基坑隆起抑制效果更顯著。經(jīng)計(jì)算，加固寬度大約取6 m，加固深度大約取15 m，加固效果最佳。

2.3 加固體對(duì)隧道變形的影響分析

基坑開挖對(duì)鄰近隧道的影響可用隧道位移指標(biāo)來分析。根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T202—2013)，坑外既有隧道水平位移和豎向位移的預(yù)警值定為±10 mm，控制值定為±20 mm。隧道的變形形狀及最大位移位置如圖7，隧道產(chǎn)生的變形結(jié)果如圖8、圖9。

圖7 盾構(gòu)管片變形云圖

圖8 不同加固深度隧道最大位移的改變

圖9 不同加固寬度隧道最大位移的改變

由圖8、圖9可知，加固寬度取3 m，隨著加固深度的增加，Z方向的位移在3.1 mm左右波動(dòng)，X方向位移在6.3 mm左右波動(dòng)，隧道整體向右移動(dòng)2.5 mm。加固深度取10 m，隨著加固寬度的增加，Z方向位移在3.5 mm左右波動(dòng)，X方向位移增加至7.6 mm，隧道整體向上移動(dòng)0.4 mm，向右移動(dòng)4 mm。

由以上分析可知，在沒有進(jìn)行基坑加固的情況下，隧道總位移相對(duì)較小，但是基坑位移無法收斂；基坑加固后，隧道總位移增大。加固寬度取3 m時(shí)，隨著加固深度的增加，隧道管片位移在6.5 mm左右波動(dòng)。加固深度取10 m時(shí)，隨著加固寬度的增加，隧道總位移小幅度上升至8.03 m。因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)重點(diǎn)考慮加固體對(duì)鄰近建構(gòu)筑物的影響。

3 加固過程分析

為了減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，提高基坑的整體穩(wěn)定性，本項(xiàng)目采用三軸攪拌樁裙邊加固。隧道位移的變化過程可通過模型中土層位移等值線云圖進(jìn)行分析(如圖10～圖13)。

圖10 未加固土體位移等值云圖

圖11 加固體寬3 m，深10 m;土體等值云圖

圖12 加固體寬3 m，深20 m;土體等值云圖

圖13 加固體寬15 m，深10 m;土體等值云圖

由圖10～圖13可知，沒有進(jìn)行加固時(shí)，土層位移等值云圖呈兩個(gè)“V字形”，影響范圍?。煌馏w加固后，土體位移云圖變?yōu)椤癠字形”，影響范圍變大。

加固寬度取3 m，隨著加固深度變化到20 m。 “U字形”范圍擴(kuò)大，但與隧道仍有距離；加固深度取10 m，隨著加固寬度的增加，“U字形”范圍擴(kuò)大至穿過隧道，對(duì)隧道的影響明顯變大。隧道總位移隨加固體深度變化在6.5 mm左右波動(dòng)，而隨著加固寬度的增加，位移小幅度增大后維持在8.03 mm。

4 結(jié)論

以悠步熙園基坑項(xiàng)目為依托，分析不同加固體尺寸對(duì)基坑本身以及鄰近隧道的影響，得到如下結(jié)論：

(1)在軟土地基中地基加固效果明顯。當(dāng)加固寬度取3 m時(shí)，加固深度從5 m增加到20 m，基坑隆起高度從174 mm下降至110 mm。加固深度取10 m時(shí)，加固寬度從3 m增加到15 m，基坑隆起高度從165 mm下降至40 mm。加固寬度對(duì)基底隆起的抑制效果為加固深度的2.5倍?；蛹庸踢^程中，基坑各方向位移同等程度縮小。

(2)加固寬度取3 m，加固深度在5～15 m范圍時(shí)基坑隆起高度下降緩慢，大于15 m時(shí)下降較快。加固深度取10 m，加固寬度在小于6 m的范圍內(nèi)基坑隆起高度下降較快，大于6 m時(shí)下降緩慢。

(3)基底加固后，加固體改變了基坑外側(cè)荷載的應(yīng)力釋放路徑，土層影響范圍增大，隧道位移增加，在加固寬度保持3 m時(shí)增加加固深度，隧道總位移比未加固狀態(tài)增大68.7%，在6.5 mm左右波動(dòng)，隧道整體向右移動(dòng)2.5 mm。在加固深度保持10 m時(shí)增大加固寬度，隧道總位移比未加固狀態(tài)增大93.5%，達(dá)到8.03 mm，隧道整體向上移動(dòng)0.4 mm，向右移動(dòng)4 mm。隧道位移變化處在安全范圍。

(4)綜合考慮基坑隆起高度和鄰近隧道的變形，加固寬度取6 m，加固深度取15 m。