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(shè)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430023； 2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

本文依托武漢市某道路工程項(xiàng)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(zhǎng)情況下鄰近基坑開挖對(duì)既有隧道的不同影響。

1 工程概況

該項(xiàng)目為城市主干路，位于軌道交通5號(hào)線東側(cè)，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(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)由地下連續(xù)墻及內(nèi)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(hào)線建設(shè)，隧道外徑6.2m、內(nèi)徑5.7m。基坑與隧道間凈距1.4～4.0m，隔離樁距地下連續(xù)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(duì)位置(單位：m)

場(chǎng)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(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土、強(qiáng)風(fēng)化含粉砂泥巖及中風(fēng)化含粉砂泥巖。部分土層物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2 有限元模型

2.1 模型及網(wǎng)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(zhǎng)度對(duì)地下連續(xù)墻及隧道的變形影響，采用PLAXIS 2D建立如圖2所示模型進(jìn)行模擬分析，模型尺寸為100m×40m，模型單元3 126個(gè)，結(jié)點(diǎn)26 044個(gè)。

圖2 有限元網(wǎng)格(單位：m)

2.2 土體及結(jié)構(gòu)參數(shù)

模型采用小應(yīng)變土體硬化模型(hardening soil with small strain)進(jìn)行模擬，相關(guān)土體參數(shù)取自該場(chǎng)地地質(zhì)勘察資料，各層土體計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 土層計(jì)算參數(shù)

模型中包括隧道襯砌、鋼支撐、混凝土支撐、圍護(hù)樁4種結(jié)構(gòu)體，其具體計(jì)算參數(shù)如表3所示。

表3 隧道襯砌、隔離樁、地下連續(xù)墻樁和支撐計(jì)算參數(shù)

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(zhǎng)度(L/H)情況下基坑開挖對(duì)既有隧道的變形影響。其中，L為隔離樁長(zhǎng)度，H為基坑開挖深度。在下一節(jié)中重點(diǎn)對(duì)L/H=0(即無隔離樁)及L/H=1.5 2種情況進(jìn)行對(duì)比分析。施工步驟依次為建立隧道、隔離樁及地下連續(xù)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(shù)值模擬結(jié)果與分析

隔離樁樁長(zhǎng)L/H=0，0.5，1.5時(shí)，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(cè)土體變形值較不加隔離樁明顯減小，且L/H=1.5時(shí)減小程度最大，隔離樁對(duì)左側(cè)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(xù)墻的水平變形發(fā)展如圖4所示。由圖4可知，在無隔離樁情況下，地下連續(xù)墻水平變形在開挖至基底時(shí)發(fā)展到最大，為32.6mm，位于第3道支撐附近。其較大變形將會(huì)對(duì)基坑安全產(chǎn)生影響，必須采取相關(guān)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(xù)墻的變形發(fā)展，在開挖至基底后，地下連續(xù)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(duì)基坑有良好的變形控制效果。

圖4 地下連續(xù)墻水平變形

L/H=0及1.5情況下，臨近隧道的水平變形發(fā)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(diǎn)水平變形最大，最大值為23.6mm；P1點(diǎn)水平變形也較大，達(dá)19.8mm，在實(shí)際工程中可能會(huì)導(dǎo)致變形敏感的隧道管片產(chǎn)生開裂、滲漏水甚至結(jié)構(gòu)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(diǎn))，相較于不設(shè)隔離樁工況最大變形降低66.9%，對(duì)既有隧道起到良好的變形控制作用，可防止既有隧道出現(xiàn)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(fā)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(diǎn)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(diǎn))，相較于不設(shè)隔離樁工況最大變形降低72.5%。所以，隔離樁同樣對(duì)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(duì)隧道及地下連續(xù)墻產(chǎn)生良好的變形控制作用，可作為城市密集區(qū)域施工結(jié)構(gòu)變形控制的良好措施。

不同隔離樁長(zhǎng)度下地下連續(xù)墻及隧道的最大變形值如圖6所示。由圖6可知，結(jié)構(gòu)最大變形值總體上隨樁長(zhǎng)增大而減小。在L/H=0.5～1.0情況下，結(jié)構(gòu)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(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)的變形控制效果較好。考慮安全性及經(jīng)濟(jì)性因素，建議進(jìn)行實(shí)際施工時(shí)，基坑開挖前施工隔離樁，隔離樁樁長(zhǎng)取(1.4～1.8)H。

圖6 不同樁長(zhǎng)情況下結(jié)構(gòu)最大變形值

不同隔離樁長(zhǎng)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(zhǎng)取值范圍標(biāo)記到圖中可發(fā)現(xiàn)，隧道收斂變形較小，且既考慮了安全性又考慮了經(jīng)濟(jì)性，取值較為合理。

圖7 不同樁長(zhǎng)情況下隧道收斂變形值

4 結(jié)語

1)臨近既有隧道的基坑開挖會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生影響，若不采取相應(yīng)加固措施，既有隧道及地下連續(xù)墻均會(huì)出現(xiàn)很大變形，影響結(jié)構(gòu)安全。

2)隔離樁可對(duì)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(shù)分析，考慮安全性及經(jīng)濟(jì)性，隔離樁樁長(zhǎng)取(1.4～1.8)H較合理。