基坑外設隔離樁參數(shù)對近鄰既有地鐵隧道變形的影響

傅志峰，尹燕良，周偉生，潘紅寶，羅學東*

(1.中誠錦建(湖北)工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430081；2.中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院湖北 武漢 430074；3.湖北鐵投開發(fā)集團，湖北 武漢 430077)

隨著城市地下空間的不斷發(fā)展，在既有地鐵隧道周邊進行深基坑開挖的情況屢見不鮮。基坑開挖卸荷會改變周圍土體的應力狀態(tài)，若控制不當，便會引起鄰近既有地鐵隧道產(chǎn)生較大的變形或破壞，影響其正常使用和運營安全。隔離樁在保護周圍敏感和重要建(構(gòu))筑物等方面發(fā)揮了重要的作用，通過在基坑圍護結(jié)構(gòu)與既有地鐵隧道之間布置隔離樁，利用樁身插入到滑動面下部的穩(wěn)固土層中產(chǎn)生的抗力來平衡滑動體的推力，以達到穩(wěn)定土體、減少對既有地鐵隧道變形影響的目的。隔離樁的設計參數(shù)主要包括隔離樁的布置位置即樁隧距離、樁長、樁間距、樁頂埋深、樁徑和樁身強度等。

國內(nèi)外眾多學者針對不同設計參數(shù)的隔離樁對周邊重要建(構(gòu))物變形的影響進行了大量研究。如鄭剛等利用考慮土體小應變特性的有限元方法，通過改變隔離樁的位置、樁頂埋深、樁底埋深等設計參數(shù)，對隔離樁的工作機制及隧道位移的控制效率進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隔離樁設置在靠近隧道處其控制效率優(yōu)于遠離隧道的情況，埋入式隔離樁對隧道水平位移的控制效果優(yōu)于非埋入式隔離樁；姚愛軍等采用相似物理模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分別對隔離樁的不同影響因素進行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隔離樁在影響區(qū)以下穩(wěn)定土體內(nèi)具有一定長度時，適當增大樁間距和樁頂埋入深度仍可取得較好的隔離效果；曾曉鑫等采用ABAQUS有限元軟件，分析了隔離樁不同設計參數(shù)對隧道變形的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隔離樁距離隧道越近、樁間距越小、樁徑越大，基坑開挖引起的鄰近既有地鐵隧道的變形越??；王祖賢等采用數(shù)值模擬方法，對隔離樁樁長、樁隧距離、樁徑和樁彈性模量4個因素進行了正交試驗，結(jié)果表明樁長是影響隔離樁隔離效果最主要的因素；趙景陽等以隔離樁樁長、樁徑、樁間距3個因素進行了三因素三水平正交試驗，結(jié)果表明樁間距對建筑物變形的影響最顯著。

盡管隔離樁已經(jīng)在工程實踐中得到了廣泛應用，但目前的標準規(guī)范并未對隔離樁的設計參數(shù)進行規(guī)定，主要依據(jù)工程經(jīng)驗設計，而且隔離樁不同設計參數(shù)對其隔離效果的影響機理研究依然處于模糊狀態(tài)。因此，本文以武漢市華中科創(chuàng)產(chǎn)業(yè)園基坑工程為研究背景，采用正交試驗設計方法，考慮多因素多指標進行極差分析和方差分析，研究基坑外設隔離樁的不同設計參數(shù)對鄰近既有地鐵隧道變形以及周邊環(huán)境的影響，并針對本基坑工程的隔離樁設計參數(shù)進行了優(yōu)化分析，確定了隔離樁的最佳設計方案。

1 工程概況

武漢市華中科創(chuàng)產(chǎn)業(yè)園一期工程基坑位于武漢市武昌區(qū)徐東大街與中北路交匯西北側(cè)。該深基坑形狀呈不規(guī)則多邊形，周長為564 m，開口面積為16 390 m，開挖深度為10 m，基坑平面位置關(guān)系示意圖如圖1所示。

圖1 基坑平面位置關(guān)系示意圖

靠近地鐵隧道一側(cè)基坑圍護結(jié)構(gòu)采用直徑為1 000 mm、間距為1 400 mm的鉆孔灌注樁，外側(cè)采用直徑為850 mm、間距為600 mm的三軸攪拌樁進行止水止淤。該工程場地周邊環(huán)境復雜，基坑東北側(cè)鄰近既有武漢市軌道交通8號線汪家墩站—岳家嘴站區(qū)間隧道，管片結(jié)構(gòu)外徑為6.2 m，襯砌厚度為0.35 m，環(huán)寬為1.5 m，隧道外襯距離基坑圍護結(jié)構(gòu)僅12 m。為了減少基坑開挖對既有地鐵隧道變形的影響，擬在基坑圍護結(jié)構(gòu)與右線隧道之間提前打設一排隔離樁，見圖2。

圖2 基坑A-A1剖面位置關(guān)系示意圖

本工程場地屬長江一級階地全新統(tǒng)沖積平原區(qū)和三級階地剝蝕堆積垅崗區(qū)的過渡區(qū)域，場區(qū)內(nèi)地層自上而下分別為1雜填土、2-1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、2-2粉質(zhì)黏土、2-3粉質(zhì)黏土、3-1黏土、3-2卵石、3-3粉質(zhì)黏土、4-1強風化泥質(zhì)粉砂巖、4-2中風化泥質(zhì)粉砂巖。

2 隔離樁參數(shù)正交試驗設計

本工程擬采用直徑為1 000 mm的鉆孔灌注樁作為隔離樁，隔離樁設計參數(shù)不考慮樁徑和樁身強度。正交試驗設計選取隔離樁與隧道之間的距離(即樁隧距離)、樁間距、樁長和樁頂埋深作為影響因素，并將各影響因素劃分為4個水平，選用

L

(4)正交表進行四因素四水平的正交試驗。正交試驗設計因素及水平見表1，試驗設計方案見表2。

表1 正交試驗設計因素及水平

表2 正交試驗設計方案

3 近鄰地鐵隧道基坑外設隔離樁的數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

在隔離樁施工前，采用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬分析?？紤]到基坑尺寸及計算能力，數(shù)值模型按局部空間問題建模，選取基坑中典型A-A1剖面進行建模。模型尺寸為120 m×50 m×40 m，坑底以下深度為4倍開挖深度，左線隧道外邊緣距離模型邊界為4.7倍開挖深度，滿足減小邊界效應影響的要求。模型底面為固定約束面，外邊界4個垂直面約束法向位移，計算模型見圖3。

圖3 近鄰地鐵隧道基坑外設隔離樁數(shù)值模型圖

土體和管片采用實體單元模擬，基坑圍護樁和隔離樁采用樁結(jié)構(gòu)單元模擬?；又ёo結(jié)構(gòu)與既有地鐵隧道的位置關(guān)系，見圖4。

圖4 基坑支護結(jié)構(gòu)與隧道的位置關(guān)系示意圖

模型中基坑支護結(jié)構(gòu)及隧道和巖土體的物理力學參數(shù)，見表3和表4。土體采用摩爾-庫倫模型，考慮土體小應變的特性，將表4中土體的彈性模量提高3.5倍。

表3 基坑支護結(jié)構(gòu)及隧道的物理力學參數(shù)

表4 巖土體的物理力學參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬的施工步驟

采用正交試驗設計方法，模擬在不同隔離樁設計參數(shù)下基坑開挖對鄰近既有地鐵隧道變形以及周邊環(huán)境的影響?；娱_挖共分為5層，每層開挖深度為2 m。本次數(shù)值模擬的施工步驟見表5。

表5 數(shù)值模擬的施工步驟

3.3 模型監(jiān)測點位布置

為了研究隔離樁對鄰近地鐵隧道水平位移、地表沉降和基坑圍護樁后深層土體水平位移的控制效果，在模型上布置隧道水平位移監(jiān)測點、地表沉降監(jiān)測點和基坑圍護樁后深層土體水平位移監(jiān)測點，監(jiān)測點位選擇布置在模型的中部，以減小模型邊界效應對變形產(chǎn)生的影響。模型監(jiān)測點位布置示意圖，見圖5。

圖5 模型監(jiān)測點位布置示意圖

4 正交試驗結(jié)果的極差和方差分析

數(shù)值模擬試驗結(jié)果表明，基坑開挖完畢后鄰近地鐵隧道水平位移遠大于其豎向位移，故選取隧道最大水平位移作為主要參考指標。同時，為了分析隔離樁對基坑圍護樁后深層土體變形的控制效果以及對周邊環(huán)境的影響，選取地表最大沉降量和基坑圍護樁后深層土體最大水平位移作為輔助參考指標。正交試驗結(jié)果見表6。

表6 正交試驗結(jié)果

4.1 正交試驗結(jié)果的極差分析

對正交試驗中影響隧道最大水平位移、地表最大沉降量和基坑圍護樁后深層土體最大水平位移的各因素的每種水平求取平均值和極差，并對正交試驗結(jié)果各因素進行了極差分析，其結(jié)果見表7。

4.1.1 隧道最大水平位移的敏感性分析

由表7可知，樁隧距離對隧道最大水平位移的影響最大，4個因素的影響程度大小順序為

A

>

D

>

B

>

C

。

表7 正交試驗結(jié)果各因素的極差分析

隧道最大水平位移敏感性因素的影響趨勢分析，見圖6。

由圖6可見，隔離樁在靠近隧道或者靠近基坑時均能減少隧道的最大水平位移。這是因為當隔離樁與基坑圍護結(jié)構(gòu)距離減小時，隔離樁與基坑圍護結(jié)構(gòu)及其中間的土體形成類似“復合圍護結(jié)構(gòu)”，增強了基坑圍護的強度，降低了對周圍土體的擾動，從而減小了鄰近隧道的變形。

圖6 隧道最大水平位移敏感性因素的影響趨勢分析

由圖6還可以看出，當隔離樁的樁間距為1.6 m、樁長為21 m、樁頂埋深為4 m時，隧道的最大水平位移最小，且隨著隔離樁樁間距再密集、樁長再增加、樁頂埋深再增大，隧道最大水平位移不僅未減小，反而加大。這是由于基坑開挖完畢后，基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形會導致坑外土體向坑內(nèi)滑移，隔離樁也會向基坑方向產(chǎn)生一定的變形，因其樁身重度大于周邊土體，處于滑移區(qū)內(nèi)的隔離樁對周邊土體的變形不僅有阻隔作用，還存在牽引作用。當隔離樁樁間距由1.3 m增大到1.6 m時，隔離樁由密變疏，其對周邊土體的牽引作用減小明顯，隧道最大水平位移減小，而樁間距再增大時，隔離樁對周邊土體的阻隔作用減小明顯，隧道最大水平位移增大。同理，隔離樁樁頂埋深由0 m增大到4 m的過程中，滑移區(qū)內(nèi)的隔離樁樁長不斷減小，隔離樁對周邊土體的牽引作用減小明顯，而隔離樁樁頂埋深由4 m變?yōu)? m時，隔離樁對周邊土體的阻隔作用減小明顯。隔離樁樁長包含滑移區(qū)的樁長和嵌固區(qū)的樁長兩部分，當滑移區(qū)的樁長和嵌固區(qū)的樁長各自達到一定長度時，隔離樁才能有效發(fā)揮其阻隔作用。因此，只有選擇合適的隔離樁樁間距、樁頂埋深和樁長，才能減小隔離樁對周邊土體的牽引作用，降低隧道最大水平位移。

4.1.2 地表最大沉降量的敏感性分析

由表7可知，隔離樁與既有地鐵隧道之間的距離即樁隧距離對地表最大沉降量的影響程度最大，而樁間距、樁長和樁頂埋深對其影響程度均較小。

地表最大沉降量敏感性因素的影響趨勢分析，見圖7。

圖7 地表最大沉降量敏感性因素的影響趨勢分析

由圖7可見，隔離樁距離隧道越近，地表最大沉降量越小。

圖8為基坑開挖完成后基坑圍護樁后地表沉降曲線，試驗2和試驗16中隔離樁與隧道之間的距離分別為10 m和1 m(見表2)。

圖8 基坑開挖完成后基坑圍護樁后地表沉降曲線圖

由圖8可見，試驗16的地表最大沉降量小于試驗2，這是因為隔離樁的存在會改變其周圍土體的豎向應力分布，隔離樁越靠近隧道，其與基坑圍護結(jié)構(gòu)之間夾持的土體越多，導致基坑圍護樁后地表沉降曲線形成兩個Peck沉降槽曲線，地表最大沉降量越小。

4.1.3 基坑圍護樁后深層土體最大水平位移的敏感性分析

由表7可知，隔離樁與既有地鐵隧道之間的距離即樁隧距離對基坑圍護樁后深層土體最大水平位移的影響最大，而樁間距、樁長和樁頂埋深對其影響均較小。

基坑圍護樁后深層土體最大水平位移敏感性因素的影響趨勢分析，見圖9。

圖9 基坑圍護樁后深層土體最大水平位移敏感性因素的影響趨勢分析

由圖9可見，隨著隔離樁與隧道之間距離的增大，即隔離樁越靠近基坑，基坑圍護樁后深層土體的最大水平位移越小。這是因為隔離樁距離基坑越近，隔離樁與基坑圍護樁之間夾持的土體就越少，直接作用在基坑圍護樁上的土壓力越小，隔離樁與基坑圍護樁形成的“復合排樁效應”越明顯，基坑圍護的強度越大，基坑圍護樁后深層土體所產(chǎn)生的水平位移越小。

4.2 正交試驗結(jié)果的方差分析

為了進一步分析各因素對隔離樁隔離效果的影響程度，根據(jù)正交試驗結(jié)果，將4個因素進行單因素方差分析，探討各因素影響的顯著性水平。在置信水平為0.01、0.05和0.10條件下，查得因素顯著性臨界值為

F

001(3,3)=29

.

46，

F

005(3,3)=9

.

28，

F

(3,3)=5.36。為了方便描述，本文將

F

檢驗顯著性進行了分級，見表8。

表8 F檢驗顯著性分級

隧道最大水平位移、地表最大沉降量和基坑圍護樁后深層土體最大水平位移的方差分析結(jié)果，見表9、表10和表11。

表9 隧道最大水平位移的方差分析

表10 地表最大沉降量的方差分析

表11 基坑圍護樁后深層土體最大水平位移的方差分析

由表9、表10和表11可知：4個因素對隧道最大水平位移的影響均不顯著，但4個因素中，

A

因素即樁隧距離的

F

值計算結(jié)果最大，表明對隧道最大水平位移影響最大的因素依然是隔離樁的布置位置即樁隧距離；對于地表最大沉降量和基坑圍護樁后深層土體最大水平位移，樁隧距離對其影響程度分別為Ⅰ級顯著和Ⅱ級顯著，其他因素的影響均不顯著，這與前述的極差分析結(jié)果相一致。

4.3 隔離樁設計參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)上述正交試驗結(jié)果可知，隔離樁的布置位置即樁隧距離對隧道最大水平位移、地表最大沉降量和基坑圍護樁后深層土體最大水平位移的影響程度最大。隔離樁靠近隧道或者基坑布置都會減小隧道的水平位移。由于隔離樁的施工會對既有地鐵隧道產(chǎn)生一定的影響，隔離樁宜遠離隧道布置。同時，選擇合適的隔離樁樁長、樁間距和樁頂埋深，可減小隔離樁對周邊土體的牽引作用，提高隔離樁的隔離效果。將隧道最大水平位移作為主要參考指標，地表最大沉降量和基坑圍護樁后深層土體最大水平位移作為輔助參考指標，綜合考慮正交試驗結(jié)果，建議選擇試驗2的參數(shù)作為隔離樁最優(yōu)設計參數(shù)，即樁隧距離為10 m、樁間距為1.6 m、樁長為21 m、樁頂埋深為2 m。

5 結(jié) 論

(1) 當隔離樁靠近隧道或者靠近基坑布置時均能減小隧道的水平位移。由于隔離樁的施工會對既有地鐵隧道產(chǎn)生一定的影響，為保護既有地鐵隧道的運營安全，隔離樁宜靠近基坑的位置布置。

(2) 正交試驗結(jié)果的極差和方差分析表明，隔離樁的布置位置即樁隧距離對鄰近既有地鐵隧道水平位移、地表沉降和基坑圍護樁后深層土體水平位移的影響程度最大，而隔離樁的樁間距、樁長、樁頂埋深對其影響不顯著。

(3) 將隧道最大水平位移作為主要參考指標，地表最大沉降量和基坑圍護樁后深層土體最大水平位移作為輔助參考指標，根據(jù)正交試驗分析結(jié)果，建議本基坑工程隔離樁最優(yōu)設計參數(shù)為：樁隧距離10 m、樁間距1.6 m、樁長21 m、樁頂埋深2 m。