坑內加固體對基坑及鄰近地鐵隧道的影響分析

肖信霈 周燦朗 張國學

(1.佛山科學技術學院土木工程系，廣東佛山 528000； 2.佛山軌道交通設計研究院有限公司， 廣東佛山 510010)

隨著人們對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雜：地質條件差、基坑開挖深、周邊建構筑物密集等，在保證基坑開挖安全的同時，還需考慮對周邊建構筑物的影響。由于基坑開挖的卸載作用，基坑周邊土體向基坑內移動，使周邊建構筑物發生相應的變形，結構可能被破壞。為了減小圍護結構變形，提高基坑的整體穩定性，可選擇在坑內進行加固。坑內加固對周邊建構筑物的影響不容忽視，有些學者針對具體問題做了相關研究：吳才德[1-4]等分析了軟土地區地基開挖引起的鄰近隧道變形，得到不同基坑尺寸、隧道與基坑的相對位置對鄰近隧道的變形影響規律；鄭剛[5]等研究了不同圍護結構變形模式對坑外既有隧道變形的影響，認為在圍護結構最大變形相同而變形模式不同的情況下，懸臂型模式對坑外隧道位移影響最小，踢腳型模式最大，內凸型與復合型居中；高鵬[6]研究了不同加固方式對深基坑的影響，認為滿堂、格柵、抽條、裙邊這四種加固方式對抑制坑底隆起作用依次減小，對減小圍護結構變形的效果差別不大；曹力橋[7]對軟土地區基底隆起進行有限元分析，結果表明：降水開挖時基坑會出現塑性隆起，不降水開挖時基底中部隆起位移最大；張陳蓉[10-12]等研究了基坑開挖對附近地下管線的影響，分析了基坑開挖過程中地下管線、樁基的變形規律；魏祥[13-14]等研究了基坑加固對樁基側向位移的影響，分析了淤泥質土的壓縮模量隨壓力、時間的變化規律以及不同加固體尺寸對樁基變形的影響規律。但坑內加固體對鄰近隧道的影響研究鮮有報道。結合具體實際工程，探討不同加固寬度、深度對基坑變形和鄰近隧道變形的影響，以得到最優的加固尺寸參數。

1 工程概況和加固方案

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

悠步熙園項目基坑為不規則幾何形狀，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粉細砂、③淤泥質土和④強風化泥質粉砂巖。素填土層比較薄，計算時按粉細砂考慮，兩層土共厚7.5 m，淤泥質土層厚27.8 m，強風化泥質粉砂巖厚12.5 m，地層條件較差，易產生壓縮變形。

表1 土層物理力學參數

臨近地鐵區間的一側采用放坡開挖和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)，其它的邊采用放坡開挖和φ850@1 550三軸攪拌樁內插鋼管的支護形式，圍護結構外圍采用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。土層物理力學參數如表1。隧道與基坑關系如圖1、圖2。

圖1 基坑與隧道平面關系(單位：m)

圖2 基坑與隧道剖面關系(單位：m)

2 數值計算結果分析

2.1 計算步驟與模型

在數值模擬分析時，根據基坑施工工況、隧道與基坑的結構關系以及圍護結構建立二維平面模型。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則、平面應變單元模擬(受拉為正)，屈服函數為

F=(δ1-δ3)+(δ1+δ3)sinφ-2ccosφ

(1)

式中c——土體屈服時的黏聚力；

φ——土體屈服時的內摩擦角。

盾構管片和圍護結構采用梁單元模擬。盾構管片厚0.3 m(材料為C50)；圍護結構材料為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，計算基坑隆起高度與隧道變形。

施工步驟如表2，網格模型如圖3。

表2 施工步驟

圖3 基坑與隧道的網格模型

2.2 加固體對基坑的影響分析

在上述地質狀況、圍護結構和施工工況下進行模擬計算，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，基坑隆起高度下降緩慢，當加固深度大于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，基坑隆起高度下降較快；加固寬度大于6 m時，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基坑隆起抑制效果更顯著。經計算，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 加固體對隧道變形的影響分析

基坑開挖對鄰近隧道的影響可用隧道位移指標來分析。根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》(CJJ/T202—2013)，坑外既有隧道水平位移和豎向位移的預警值定為±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，隧道產生的變形結果如圖8、圖9。

圖7 盾構管片變形云圖

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，X方向位移在6.3 mm左右波動，隧道整體向右移動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，X方向位移增加至7.6 mm，隧道整體向上移動0.4 mm，向右移動4 mm。

由以上分析可知，在沒有進行基坑加固的情況下，隧道總位移相對較小，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，隨著加固深度的增加，隧道管片位移在6.5 mm左右波動。加固深度取10 m時，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，在實際工程中，應重點考慮加固體對鄰近建構筑物的影響。

3 加固過程分析

為了減小圍護結構變形，提高基坑的整體穩定性，本項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，沒有進行加固時，土層位移等值云圖呈兩個“V字形”，影響范圍小；土體加固后，土體位移云圖變為“U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”范圍擴大至穿過隧道，對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，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 結論

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

(1)在軟土地基中地基加固效果明顯。當加固寬度取3 m時，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，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。加固寬度對基底隆起的抑制效果為加固深度的2.5倍。基坑加固過程中，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范圍時基坑隆起高度下降緩慢，大于15 m時下降較快。加固深度取10 m，加固寬度在小于6 m的范圍內基坑隆起高度下降較快，大于6 m時下降緩慢。

(3)基底加固后，加固體改變了基坑外側荷載的應力釋放路徑，土層影響范圍增大，隧道位移增加，在加固寬度保持3 m時增加加固深度，隧道總位移比未加固狀態增大68.7%，在6.5 mm左右波動，隧道整體向右移動2.5 mm。在加固深度保持10 m時增大加固寬度，隧道總位移比未加固狀態增大93.5%，達到8.03 mm，隧道整體向上移動0.4 mm，向右移動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。