隔離樁在城市小凈距隧道開挖過程中的作用研究

劉 陽, 黃 杰, 朱洪雪

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

隨著城市地下交通工程的迅猛發展，越來越多的隧道工程修建在建筑物密集的城市之中，不可避免地會引起周邊建筑物的沉降。特別是城市小凈距隧道的施工，由于先行洞和后行洞相互影響，整體的開挖斷面大，如果不對周邊建筑物采取保護措施，很有可能造成周邊建筑物的沉降過大，造成結構的損傷，甚至坍塌。工程中常采用隔離樁對隧道施工過程中周邊建筑物進行保護[1]。

近年來，國內很多學者對隔離樁的隔斷效果進行了大量研究。盧致強[2]通過建立二維模型，提出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。費緯[3]指出在基坑外布置隔離墻可有效限制鄰近淺基礎建筑物變形，并提高其承載能力。紀新博[4]采用正交有限元法針對某地鐵暗挖法隧道側穿鄰近淺基建筑的隔離樁工程，對比分析了既有建筑和隧道施工之間的相互影響。章磊[5]通過建立數值模型，指出隔離樁能有效降低隧道周邊土體的豎向沉降及水平位移，增加隔離樁能有效阻隔土體向隧道內的滑動趨勢，保護隧道周邊建構筑物的安全。

隔離樁在控制城市小凈距隧道掘進近距離側穿建筑物變形時的作用研究較少，且缺乏可靠的理論分析。因此，本文以某城市公路小凈距隧道工程為背景，分析了隔離樁在城市小凈距隧道側穿鄰近建筑物工程中的有效性，通過對隔離樁的樁長進行多組模型分析，研究隧道側穿工程中隔離樁的合理設計參數，以期對工程設計的安全性和經濟性提出合理化建議。

1 工程概況

某城市小凈距隧道工程，隧道位于城市主干道下方，道路兩邊樓房建筑物密布，多為60年代的磚混結構，以低層居民樓為主。隧道斷面為五心圓隧道，如圖1所示，最小凈距為1.7 m，隧道埋深為7～15 m，為淺埋隧道。初期支護厚度0.28 m，鋼架間距0.5 m，采用雙層鋼筋網，利用注漿小導管進行超前支護，開挖工法采用臺階法。隧道距離建筑物較近，隔離樁采用主體為雙排φ108微型鋼管樁，樁間距為0.5 m，排距為1.0 m，微型樁成孔直徑130 mm，樁底進入中風化巖石2 m或進入隧道底以下2 m。微型樁鉆至設計樁長后，下入鋼管，用壓力注水泥漿。

場地條件為第四系地層為填土、坡洪積成因的濕陷性黃土、粘性土及碎石土，下伏奧陶系石灰巖，無崩塌、滑坡、泥石流、無采空區、地震液化等不良地質作用。在勘探深度范圍內可分為6層，自上而下為:填土、黃土或碎石、粉質黏土或碎石、輝長巖、石灰巖或泥灰巖。隧道沿線地下水類型有第四系松散巖類孔隙水、輝長巖風化裂隙水、輝巖巖溶裂隙水。水位標高整體上呈南高北低的趨勢。

2 隔離樁工作機理分析

隔離樁的工作機理實質：隧道開挖卸荷之后圍巖應力狀態重新改變，隧道底部壓力減小導致底部發生變形而隆起；同時隧道支護結構變形導致隧道圍巖向隧道內滑移，在隧道支護結構與被保護建筑物之間設置隔離樁，利用樁身插入到滑動面下部的穩固土層中，通過對樁的抗力來平衡滑動體的推力，從而達到平衡穩定。當隧道圍巖向隧道內滑動時受到樁體的阻抗，使樁前滑體達到穩定狀態，控制了樁后土體的位移變形，從而減小了隧道周邊建筑物的變形，起到保護建筑物的作用。隔離樁的工作原理圖見圖2。

圖1 隧道斷面

圖2 隔離樁的工作機理

水平隔離作用：一方面，隔離樁從整體上提高了土體剛度，依靠單樁承載力，可阻止土體水平變形。另一方面，當盾構施工擾動土體時，樁周圍的土體產生不均勻變形，使土顆粒互相“楔緊”，在一定區域的土層中出現土拱效應[6](當隔離樁周圍的土體由于隧道開挖卸荷而相對于樁身的滑動時，受到樁體不同程度的約束，引起應力重新分布，產生不均勻位移，進而將土體的滑移推力傳遞到兩側拱腳處(即隔離樁)，形成土拱效應，有效阻止樁后土體水平變形，土拱效應示意圖如上圖所示。也可以看出，當隔離樁設置得越密集，土拱效應越明顯，能更加有效地控制隔離樁周圍土體的水平位移。

豎直隔離作用：隧道開挖過程中，地表一定范圍內的土體不僅會發生水平側向位移，同時還會發生豎向位移。當樁周土體發生豎向變形時，隔離樁樁側阻力和樁端承載力承受土體產生的摩擦力，減少樁與土體間的相對位移，而且能夠縱向傳遞土體所產生的摩擦力，消散土體間力的作用，控制土體的豎向變形，從而限制樁外建筑物的變形。

3 數值模型

3.1 計算參數

將隧道圍巖簡化分為三層，第一層為雜填土，厚度為4 m；第二層為粉質黏土，厚度為10 m，第三層為石灰巖基巖。隧道埋深為8 m，采用臺階法開挖，上臺階處于粉質黏土層，下臺階大部分處于粉質黏土層，小部分處于石灰巖層。小導管注漿加固區為上臺階上部0.8 m的厚度層，采用提高原土層的參數來進行模擬，土層參數如表1所示。

隧道初期支護采用錨桿、鋼筋網、噴射混凝土和鋼拱架的聯合支護形式，初期支護厚度28 mm，錨桿采用長度為3 m的φ25的錨桿；考慮把鋼筋網和鋼拱架的彈性模量折算給噴射混凝土，折算公式為：

表1 土層參數表

式中：E為折算后的混凝土的彈性模量；E0為原噴射混凝土的彈性模量；Sg為鋼拱架截面面積；Eg為鋼材的彈性模量；Sc為混凝土的截面面積。

根據新奧法的施工原理，二次襯砌作為強度儲備，本次計算中不考慮二次襯砌的影響。材料參數如表2所示。

表2 結構單元材料參數

3.2 模型說明

土體和超前加固區采取摩爾-庫倫模型本構的實體單元；初期支護采取用彈性本構的板單元；錨桿采取彈性本構的植入式桁架單元；隔離樁采取彈性本構的梁單元，印刻保證其與土體單元耦合。采用有限元軟件 Midas-GTS-NX建立模型，計算模型尺寸為80 m×40 m×60 m，地面與兩隧道中心連線的交點位坐標原點。模型的整體網格圖如圖3所示，結構單元的網格圖如圖4所示。

圖3 模型整體網格

圖4 結構單元網格

4 計算結果及分析

4.1 計算工況

為了評估隔離樁在隧道開挖過程中對周邊建筑的保護效果，首先考慮有無隔離樁開挖兩種工況。本次計算假定右隧道先開挖，左隧道后開挖，工法采用臺階法開挖，臺階長度取4 m，左右隧道掌子面之間距離取10 m，開挖循環進尺取2 m，超前小導管注漿加固超前6 m，計算的流程圖如圖5所示。

圖5 隧道開挖流程

4.2 地表沉降分析

在隧道開挖過程中，地表沉降是關鍵因素，數值模擬中選取模型中部A-A斷面作為地表沉降監測點(圖6)。

圖6 沉降監測點布置

通過比較有無隔離樁開挖的地表沉降曲線圖(隔離樁的位置在X=13m，X=14m)(圖7)可以看出，隔離樁對樁周圍地面沉降影響較為明顯。樁后的地面沉降曲線斜率改變小于樁前的地面沉降曲線斜率改變，樁后的地面沉降減少約為21 %，樁前的地面沉降減少約為13 %，可以看出，隔離樁對樁后土體沉降大于樁前，能較好控制周邊建筑物的沉降。

圖7 監測斷面地面沉降曲線

4.3 房屋沉降分析

為了分析雙排隔離樁在隧道開挖過程中對建筑物的保護作用，選取房屋中間斷面B-B作為房屋沉降監測點(圖8)。

圖8 房屋沉降監測斷面

通過比較有無隔離樁開挖時房屋的沉降曲線，如圖9所示。可以看出，在沒有隔離樁的情況下開挖隧道，靠近隧道一側的房屋的沉降值達到3.7 mm，房屋的不均與沉降為3.2 mm。在施加隔離樁的情況下開挖隧道，靠近隧道一側的房屋的沉降值減小到2.7 mm，房屋的不均與沉降為2.1 mm。施加隔離樁能有效地控制隧道周圍房屋的沉降和不均勻沉降。

圖9 房屋沉降曲線

4.4 隔離樁水平位移分析

通過提取雙排隔離樁右側樁身各點的水平位移得到隔離樁的水平位移曲線(圖10)。

圖10 右側隔離樁水平位移曲線

隔離樁的上部的水平位移約為7.2 mm，隨著隔離樁深度的增加逐漸減小，到了深度為7 m左右開始反向增大，因為土體的側向壓力給樁身一個彎矩；在深度為14 m左右的位置又逐漸變小，因為在深度為14 m左右的位置為軟硬巖交界處，下部圍巖巖性較好，使得隔離樁水平位移較小。

4.5 隔離樁樁長分析

由于隔離樁采用的是雙排φ108微型鋼管樁，樁間距為0.5 m，排距為1.0 m，微型樁成孔直徑130 mm。所以下面僅對隔離樁樁長的影響進行分析。為了研究樁長對建筑物的保護效果影響，分別建立了樁長為13 m、15 m、17 m工況下的隧道開挖模型。不同樁長下的地面沉降曲線如圖11所示，房屋沉降曲線如圖12所示。

圖11 不同樁長下的地面沉降曲線

圖12 不同樁長下的房屋沉降曲線

當樁長度從15 m增加到17 m時，隔離樁的隔離效果基本不變。當樁長度從13 m增加到15 m時，隔離樁的隔離效果明顯提高。當隔離樁長度為13 m時，隔離樁的隔離效果不明顯。因為隔離樁長度為13 m時，整個隔離樁全部處于軟巖里面，當長度達到15 m時，隔離樁插入了巖性較好的石灰巖，因此，隔離樁應該插入巖性較好的基巖，才能保證隔離樁的隔離效果。隔離樁插入硬巖后繼續增加長度隔離效果增加不明顯。

5 結束語

近年來隔離樁在國內得到越來越多的應用。但是，作為一種施工保護措施，隔離樁的設計帶有很大的經驗性。本文通過隔離樁機理分析，建立三維數值模型對城市小凈距隧道開挖過程中隔離樁對周圍建筑沉降的影響進行研究，得出了以下結論：

(1)隔離樁對樁后土體沉降大于樁前，能較好控制周邊建筑物的沉降。

(2)施加隔離樁能有效地控制隧道周圍房屋的沉降和不均勻沉降。

(3)隔離樁應該插入巖性較好的硬巖，才能保證隔離樁的隔離效果。隔離樁插入硬巖后繼續增加長度隔離效果增加不明顯。