基坑外設隔離樁參數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)工程技術有限公司，湖北 武漢 430081；2.中國地質大學(武漢)工程學院湖北 武漢 430074；3.湖北鐵投開發集團，湖北 武漢 430077)

隨著城市地下空間的不斷發展，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，若控制不當，便會引起鄰近既有地鐵隧道產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)筑物等方面發揮了重要的作用，通過在基坑圍護結構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固土層中產生的抗力來平衡滑動體的推力，以達到穩定土體、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。

國內外眾多學者針對不同設計參數的隔離樁對周邊重要建(構)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，對隔離樁的工作機制及隧道位移的控制效率進行了研究，結果發現隔離樁設置在靠近隧道處其控制效率優于遠離隧道的情況，埋入式隔離樁對隧道水平位移的控制效果優于非埋入式隔離樁；姚愛軍等采用相似物理模型試驗與數值模擬相結合的方法，分別對隔離樁的不同影響因素進行了研究，結果發現隔離樁在影響區以下穩定土體內具有一定長度時，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對隧道變形的影響，結果發現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小；王祖賢等采用數值模擬方法，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。

盡管隔離樁已經在工程實踐中得到了廣泛應用，但目前的標準規范并未對隔離樁的設計參數進行規定，主要依據工程經驗設計，而且隔離樁不同設計參數對其隔離效果的影響機理研究依然處于模糊狀態。因此，本文以武漢市華中科創產業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對鄰近既有地鐵隧道變形以及周邊環境的影響，并針對本基坑工程的隔離樁設計參數進行了優化分析，確定了隔離樁的最佳設計方案。

1 工程概況

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

圖1 基坑平面位置關系示意圖

靠近地鐵隧道一側基坑圍護結構采用直徑為1 000 mm、間距為1 400 mm的鉆孔灌注樁，外側采用直徑為850 mm、間距為600 mm的三軸攪拌樁進行止水止淤。該工程場地周邊環境復雜，基坑東北側鄰近既有武漢市軌道交通8號線汪家墩站—岳家嘴站區間隧道，管片結構外徑為6.2 m，襯砌厚度為0.35 m，環寬為1.5 m，隧道外襯距離基坑圍護結構僅12 m。為了減少基坑開挖對既有地鐵隧道變形的影響，擬在基坑圍護結構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剖面位置關系示意圖

本工程場地屬長江一級階地全新統沖積平原區和三級階地剝蝕堆積垅崗區的過渡區域，場區內地層自上而下分別為1雜填土、2-1淤泥質粉質黏土、2-2粉質黏土、2-3粉質黏土、3-1黏土、3-2卵石、3-3粉質黏土、4-1強風化泥質粉砂巖、4-2中風化泥質粉砂巖。

2 隔離樁參數正交試驗設計

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值模擬

3.1 數值模型建立

在隔離樁施工前，采用FLAC3D軟件進行數值模擬分析。考慮到基坑尺寸及計算能力，數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構單元模擬。基坑支護結構與既有地鐵隧道的位置關系，見圖4。

圖4 基坑支護結構與隧道的位置關系示意圖

模型中基坑支護結構及隧道和巖土體的物理力學參數，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 基坑支護結構及隧道的物理力學參數

表4 巖土體的物理力學參數

3.2 數值模擬的施工步驟

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

表5 數值模擬的施工步驟

3.3 模型監測點位布置

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測點、地表沉降監測點和基坑圍護樁后深層土體水平位移監測點，監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生的影響。模型監測點位布置示意圖，見圖5。

圖5 模型監測點位布置示意圖

4 正交試驗結果的極差和方差分析

數值模擬試驗結果表明，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。正交試驗結果見表6。

表6 正交試驗結果

4.1 正交試驗結果的極差分析

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，并對正交試驗結果各因素進行了極差分析，其結果見表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構距離減小時，隔離樁與基坑圍護結構及其中間的土體形成類似“復合圍護結構”，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，基坑圍護結構的變形會導致坑外土體向坑內滑移，隔離樁也會向基坑方向產生一定的變形，因其樁身重度大于周邊土體，處于滑移區內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，滑移區內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變為6 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的樁長和嵌固區的樁長兩部分，當滑移區的樁長和嵌固區的樁長各自達到一定長度時，隔離樁才能有效發揮其阻隔作用。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，其與基坑圍護結構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生的水平位移越小。

4.2 正交試驗結果的方差分析

為了進一步分析各因素對隔離樁隔離效果的影響程度，根據正交試驗結果，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果相一致。

4.3 隔離樁設計參數優化

根據上述正交試驗結果可知，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果，建議選擇試驗2的參數作為隔離樁最優設計參數，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 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，根據正交試驗分析結果，建議本基坑工程隔離樁最優設計參數為：樁隧距離10 m、樁間距1.6 m、樁長21 m、樁頂埋深2 m。