基于隔離樁的基坑開挖鄰近隧道變形控制研究*

李忠超，宋 旭，劉 源，肖銘釗

(1.武漢市市政建設集團有限公司，湖北 武漢 430023； 2.湖南大學土木工程學院，湖南 長沙 410082)

本文依托武漢市某道路工程項目，利用PLAXIS 2D軟件開展不同工況下的有限元分析，分析不同樁長情況下鄰近基坑開挖對既有隧道的不同影響。

1 工程概況

該項目為城市主干路，位于軌道交通5號線東側，由地面線和隧道段組成，工程兩端隧道施工采用明挖法+暗挖法，中間為盾構施工段。本研究基于工程明挖段隧道，其基坑開挖深度為15.49～25.02m。基坑內部結構由地下連續墻及內支撐組成。基坑從上至下依次施作3道支撐，其中上部2道支撐為800mm×1 000mm混凝土支撐，間距6.0m，第3道支撐為鋼支撐(φ609@3 000，厚度t=16mm)。基坑臨近既有軌道交通5號線建設，隧道外徑6.2m、內徑5.7m。基坑與隧道間凈距1.4～4.0m，隔離樁距地下連續墻2.0m。本研究選取典型斷面如圖1所示。

圖1 基坑與既有隧道相對位置(單位：m)

場地分布有多種地層，包括雜填土、殘積土、碎石、黏土夾碎石、粉質黏土、粉質黏土夾粉土、強風化含粉砂泥巖及中風化含粉砂泥巖。部分土層物理性質指標如表1所示。

表1 土層基本物理性質指標

2 有限元模型

2.1 模型及網格劃分

為了研究臨近既有隧道基坑開挖過程中，隧道與基坑間隔離樁長度對地下連續墻及隧道的變形影響，采用PLAXIS 2D建立如圖2所示模型進行模擬分析，模型尺寸為100m×40m，模型單元3 126個，結點26 044個。

圖2 有限元網格(單位：m)

2.2 土體及結構參數

模型采用小應變土體硬化模型(hardening soil with small strain)進行模擬，相關土體參數取自該場地地質勘察資料，各層土體計算參數如表2所示。

表2 土層計算參數

模型中包括隧道襯砌、鋼支撐、混凝土支撐、圍護樁4種結構體，其具體計算參數如表3所示。

表3 隧道襯砌、隔離樁、地下連續墻樁和支撐計算參數

2.3 施工工況

模擬工況如表4所示，共模擬7種施工工況，用以研究不同隔離樁長度(L/H)情況下基坑開挖對既有隧道的變形影響。其中，L為隔離樁長度，H為基坑開挖深度。在下一節中重點對L/H=0(即無隔離樁)及L/H=1.5 2種情況進行對比分析。施工步驟依次為建立隧道、隔離樁及地下連續墻施工、基坑分步開挖(共開挖4次)并依次施作3道支撐、開挖至坑底。

表4 模擬工況

3 數值模擬結果與分析

隔離樁樁長L/H=0，0.5，1.5時，基坑開挖完畢后土體總位移云圖如圖3所示。從圖中看出，加入隔離樁后，基坑左側土體變形值較不加隔離樁明顯減小，且L/H=1.5時減小程度最大，隔離樁對左側土體有明顯的變形控制效果。

圖3 總位移云圖

L/H=0及1.5情況下，基坑分步開挖過程中地下連續墻的水平變形發展如圖4所示。由圖4可知，在無隔離樁情況下，地下連續墻水平變形在開挖至基底時發展到最大，為32.6mm，位于第3道支撐附近。其較大變形將會對基坑安全產生影響，必須采取相關安全措施。在L/H=1.5情況下，隔離樁的存在較好地限制了地下連續墻的變形發展，在開挖至基底后，地下連續墻最大變形僅為13.0mm，相較于無隔離樁情況減少60.1%。所以，在L/H=1.5情況下，隔離樁對基坑有良好的變形控制效果。

圖4 地下連續墻水平變形

L/H=0及1.5情況下，臨近隧道的水平變形發展如圖5a所示。分析圖5a可知，在無隔離樁情況下，距基坑水平距離最近的P2點水平變形最大，最大值為23.6mm；P1點水平變形也較大，達19.8mm，在實際工程中可能會導致變形敏感的隧道管片產生開裂、滲漏水甚至結構破壞。而在L/H=1.5情況下，基坑開挖完成后隧道的最大水平變形僅為7.8mm(仍位于P2點)，相較于不設隔離樁工況最大變形降低66.9%，對既有隧道起到良好的變形控制作用，可防止既有隧道出現較大水平變形。

圖5 隧道變形

L/H=0及1.5情況下，臨近隧道的豎向變形發展如圖5b所示。由圖5b可知，在無隔離樁情況下，隧道頂部P1點的豎向變形最大，最大值為18.9mm。而在L/H=1.5情況下，基坑開挖后最大豎向變形僅為5.2mm(仍位于P1點)，相較于不設隔離樁工況最大變形降低72.5%。所以，隔離樁同樣對隧道的縱向變形起到良好的控制作用。

綜上所述，在隧道與基坑間加入隔離樁后(L/H=1.5)，隔離樁可對隧道及地下連續墻產生良好的變形控制作用，可作為城市密集區域施工結構變形控制的良好措施。

不同隔離樁長度下地下連續墻及隧道的最大變形值如圖6所示。由圖6可知，結構最大變形值總體上隨樁長增大而減小。在L/H=0.5～1.0情況下，結構最大變形值變化不大，變形控制效果相近。在L/H>1.0情況下，隔離樁對相關結構的變形控制效果較好。考慮安全性及經濟性因素，建議進行實際施工時，基坑開挖前施工隔離樁，隔離樁樁長取(1.4～1.8)H。

圖6 不同樁長情況下結構最大變形值

不同隔離樁長度下隧道的收斂變形值如圖7所示。將上述建議隔離樁樁長取值范圍標記到圖中可發現，隧道收斂變形較小，且既考慮了安全性又考慮了經濟性，取值較為合理。

圖7 不同樁長情況下隧道收斂變形值

4 結語

1)臨近既有隧道的基坑開挖會對既有隧道產生影響，若不采取相應加固措施，既有隧道及地下連續墻均會出現很大變形，影響結構安全。

2)隔離樁可對隧道起到良好的變形控制作用，相較于無隔離樁情況，在L/H=1.5情況下，水平和豎向變形分別降低66.9%和72.5%。

3)通過參數分析，考慮安全性及經濟性，隔離樁樁長取(1.4～1.8)H較合理。