拱形雙排隔離樁位置對(duì)既有隧道的影響分析

徐長(zhǎng)節(jié) ，曾曉鑫，戚曉鍇，趙秀紹

(1. 華東交通大學(xué) 江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；2. 浙江大學(xué) 濱海和城市巖土工程研究中心，浙江 杭州 310058；3. 杭州市城東新城建設(shè)投資有限公司，浙江 杭州 310021)

伴隨著地下軌道交通網(wǎng)絡(luò)逐漸成熟，鄰近既有地鐵隧道的工程屢見不鮮，典型的就有基坑工程。基坑開挖引起鄰近地鐵隧道附加應(yīng)力及位移[1?2]，嚴(yán)重時(shí)造成隧道結(jié)構(gòu)破壞。工程上常采用隔離樁來保護(hù)鄰近基坑的既有隧道[3?6]。理論研究方面，龔維明等[7]為分析堆載作用下被動(dòng)樁的受力特性，結(jié)合Boussinesq改進(jìn)解和Ito局部塑性變形理論，建立三參數(shù)非線性彈性地基梁模型，推導(dǎo)出考慮土拱效應(yīng)的被動(dòng)樁變形與內(nèi)力的半解析解。實(shí)驗(yàn)研究方面，竺明星等[8]進(jìn)行了8組室內(nèi)模型試驗(yàn)，分別研究隔離樁長(zhǎng)、樁徑和樁間距等因素對(duì)隔離效果的影響。數(shù)值模擬研究方面，應(yīng)宏偉等[9]以杭州市某深大基坑為背景，利用 ABAQUS有限元軟件建立三維分析模型對(duì)隔斷效果進(jìn)行研究，并通過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值的對(duì)比進(jìn)行驗(yàn)證。然而以上設(shè)置隔離樁保護(hù)的工程，樁的平面排列形式采用傳統(tǒng)的矩形和梅花形等，眾多學(xué)者按照直線形布置研究其隔斷效果[10?13]。目前，已有不少利用拱形樁墻結(jié)構(gòu)的案例。王輝[14]通過實(shí)驗(yàn)研究拱形抗滑樁墻結(jié)構(gòu)體系工作性能，得出拱形抗滑樁墻結(jié)構(gòu)的變形和破壞受到滑體、滑床和抗滑結(jié)構(gòu)本身的共同影響。耿大新等[15]依托南昌市某深基坑弧形地連墻工程，結(jié)合經(jīng)典薄殼理論推導(dǎo)出弧形地連墻側(cè)位移計(jì)算的新方法。王在軍[16]通過對(duì)郴州煤系土邊坡的總結(jié)，采用有限元軟件ANSYS對(duì)拱形雙排抗滑樁的受力特性進(jìn)行研究。然而，以上針對(duì)拱形雙排隔離樁對(duì)隧道的保護(hù)效果的研究多以定性研究居多。從定量角度上，拱形雙排隔離樁的位置對(duì)基坑開挖引起鄰近既有地鐵隧道的影響鮮有研究。依托杭州市某房建地下室深基坑工程，采用 ABAQUS有限元軟件建立三維數(shù)值模型，研究不同隔離樁位置下隧道的位移和受力以及拱形雙排隔離樁受力后的變形，并且與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比，分析方法和結(jié)論可為類似工程隔離樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出合理性建議。

1 工程背景

1.1 工程概況

該工程位于杭州市江干區(qū)，同協(xié)南路與滬杭高速交叉口西側(cè)。地下室深基坑形狀為不規(guī)則多邊形，周長(zhǎng)為185 m，面積約1 575 m2，如圖1所示。地面標(biāo)高±0.00 m，相當(dāng)于黃海高程9.80 m，場(chǎng)地相對(duì)標(biāo)高均以?0.50 m計(jì)?；娱_挖深度為5.7 m，分3層開挖，第1層向下開挖1.5 m，第2層繼續(xù)向下開挖2.2 m，最后第3層開挖至設(shè)計(jì)深度+基坑底板0.5 m。

圖1 基坑及地鐵隧道平面示意圖Fig. 1 Schematic layout of excavation and metro

基坑圍護(hù)采用鉆孔灌注樁結(jié)合三軸水泥攪拌樁作為止水帷幕，鄰近地鐵隧道一側(cè)采取加固措施，鉆孔灌注樁半徑R=450 mm，樁中心距D=1 500 mm，樁長(zhǎng)L=12 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。支撐采用2道C25混凝土內(nèi)支撐，截面為900 mm(B)×900 mm(H)，第1道支撐距地表1 m，第2道支撐距地表3.2 m。

基坑南面有一條已運(yùn)營(yíng)的地鐵1號(hào)線，地下室深基坑邊緣距離地鐵盾構(gòu)邊緣最小距離約為26 m，隧道襯砌外半徑Rt=3.1 m，襯砌厚Dt=0.35 m，隧道中心距地表14 m。隔離樁長(zhǎng)L0=18 m，樁半徑R0=400 mm，樁中心距D0=1 600 mm，排間距Bg=3.2 m，基坑及地鐵隧道位置關(guān)系見圖2。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察資料及室內(nèi)試驗(yàn)，場(chǎng)地地理位置屬于錢塘江沖海積地帶，地形較平坦，可將場(chǎng)地地基土劃分為3個(gè)工程地質(zhì)層，開挖深度影響范圍內(nèi)土層具體參數(shù)如表1所示。

圖2 基坑及地鐵隧道剖面示意圖Fig. 2 Schematic layout of excavation and metro

表1 土層參數(shù)Table 1 Soil parameters

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型簡(jiǎn)化

選取整個(gè)地下室深基坑和地鐵 1號(hào)線，利用ABAQUS有限元軟件建立三維模型進(jìn)行分析。為消除邊界效應(yīng)的影響，考慮基坑開挖對(duì)土體的影響寬度和深度約為基坑開挖深度的2～3倍[17?19]，整體模型尺寸取 120 m×50 m×70 m(X·Y·Z)，基坑大小取為50 m×5.7 m×30 m(X·Y·Z)?；觾蓚?cè)邊(Z方向)的剩余寬度均為20 m，約為基坑開挖深度5.7 m的3.5倍；基坑兩側(cè)邊(X方向)的剩余寬度分別為20 m和30 m，約為基坑開挖深度5.7 m的3.5倍和5.2倍，滿足分析精度要求，土體網(wǎng)格劃分如圖3所示。

由于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要承受彎矩，考慮建立模型簡(jiǎn)便，將基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)鉆孔灌注樁轉(zhuǎn)化為地下連續(xù)墻進(jìn)行分析，如圖 4所示。按照樁?墻抗彎剛度等效原則的原則[20]，等代關(guān)系式如下：

圖3 土體網(wǎng)格劃分Fig. 3 Model mesh of soil

圖4 鉆孔灌注樁剛度等效圖Fig. 4 Equivalent diagram of bored pile stiffness

聯(lián)合式(1)和(2)可得到等效地下連續(xù)墻厚度：

式中：D樁為等效后鉆孔灌注樁的直徑；D墻為等效后地下連續(xù)墻的直徑；E為彈性模量，鉆孔灌注樁和等效地下連續(xù)墻的楊氏模量相等；d為實(shí)際采用的鉆孔灌注樁的直徑；b為鉆孔灌注樁中心距；h為等效地下連續(xù)墻的厚度。

將d=2R=2×450=900 mm，b=D=1 500 mm代入得，模型中采用地下連續(xù)墻的等效厚度h=0.636 m。

2.2 模型參數(shù)選取

假設(shè)同一層的土體是均勻、連續(xù)和各向同性的，視其為理想彈塑性體，采用線性Drucker-Prager硬化的本構(gòu)模型優(yōu)化受力狀態(tài)模擬，單元類型為C3D8R。

隔離樁與周圍土體采用 embedded方式連接，其余接觸均采用 tie方式連接；模型在平衡計(jì)算分析步中施加重力荷載。

由室內(nèi)試驗(yàn)得到Mohr-Coulomb模型(簡(jiǎn)稱M-C模型)參數(shù)c，φ(見表1)轉(zhuǎn)化為線性D-P模型參數(shù)β，k 和 σc[21?23]，如表 2 所示。

表2 線性D-P硬化模型參數(shù)Table 2 Parameters of linear D-P hardening model

2.3 計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

為保證基坑施工整個(gè)過程中地鐵1號(hào)線運(yùn)營(yíng)的安全，對(duì)隧道內(nèi)部一系列斷面的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用里程K23+185.255隧道斷面(監(jiān)測(cè)點(diǎn)號(hào)1X980)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

基坑開挖完成后，隧道斷面1XCJ980豎向位移實(shí)測(cè)值和1XSP980水平位移實(shí)測(cè)值如圖5所示。隧道位移正負(fù)可根據(jù)圖3中坐標(biāo)系規(guī)定方向確定，即隧道豎向位移以沿地面向上為正，水平位移以背離基坑方向?yàn)檎?/p>

由圖5可知，隨著基坑不斷開挖，最終隧道沉降累計(jì)變化量實(shí)測(cè)值約為 3.1 mm，水平位移約為1.7 mm，總位移約3.5 mm。而工程實(shí)際方案的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果為4.1 mm，在誤差允許范圍內(nèi)，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果滿足精度要求。

圖5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)圖Fig. 5 Monitoring data charts

綜上，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比表明，采用Drucker-Prager硬化模型合理反映地鐵隧道實(shí)際位移，計(jì)算中所采用的參數(shù)及簡(jiǎn)化合理。

3 隔離樁位置的影響分析

3.1 分析參數(shù)設(shè)置

為確定拱形雙排隔離樁對(duì)基坑開挖引起既有地鐵隧道保護(hù)效果的合理位置，如圖6所示，分別設(shè)置8組模型依次調(diào)整拱形雙排隔離樁距基坑的水平距離S為3，6，9，12，15，18，21和24 m進(jìn)行分析。

圖6 隔離樁位置示意圖Fig. 6 Position schematic diagram of isolation pile

3.2 隧道位移分析

上述模型數(shù)值計(jì)算結(jié)果中隧道最大位移隨水平距離S變化如圖7所示。

圖7 隧道最大位移變化圖Fig. 7 Maximum displacement of tunnel

由圖7可知，隨著S逐漸增大，隧道最大位移先減小后增大，將拱形雙排隔離樁設(shè)在距基坑10 m附近(由擬合曲線可知)更合理?；⌒闻艠对O(shè)在隧道一側(cè)時(shí)，隧道最大位移小于弧形排樁設(shè)在基坑一側(cè)，因此將弧形排樁設(shè)在隧道一側(cè)更好。

3.3 隧道受力分析

從力學(xué)的角度，選取隧道中間里程截面的襯砌，進(jìn)一步對(duì)不同拱形雙排隔離樁距基坑的水平距離S情況下的隧道襯砌內(nèi)側(cè)應(yīng)力進(jìn)行分析，嘗試解釋上述現(xiàn)象的原因。

由圖8可知，同一距離S下，環(huán)形隧道襯砌不同度數(shù)對(duì)應(yīng)的襯砌應(yīng)力不同，最大應(yīng)力位于 225°處，即襯砌左拱腰和拱底之間。為簡(jiǎn)潔明了，作出不同拱形雙排隔離樁距基坑的水平距離S下襯砌應(yīng)力極坐標(biāo)圖，如圖9所示，襯砌拱頂和拱底所對(duì)應(yīng)的度數(shù)分別為0°和180°，襯砌左拱腰和右拱腰所對(duì)應(yīng)的度數(shù)分別為270°和90°。當(dāng)S=6，9和12 m時(shí)，襯砌應(yīng)力值小而且較為接近。進(jìn)一步比較可知，當(dāng)S=12 m時(shí)襯砌各個(gè)度數(shù)下的應(yīng)力值均比其他位置下的小。隨著S逐漸增大，隧道襯砌各個(gè)度數(shù)下的應(yīng)力值均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

圖8 隧道襯砌應(yīng)力變化圖Fig. 8 Stress variation diagram of tunnel lining

圖9 不同距離S下襯砌應(yīng)力極坐標(biāo)圖Fig. 9 Polar coordinates of lining stress at different distances S

3.4 隔離樁位移分析

圖10 基坑和隔離樁變形網(wǎng)格圖Fig. 10 Deformation mesh of foundation pit and isolation pile

圖11 隔離樁最大位移變化圖Fig. 11 Maximum displacement of isolation pile

基坑和隔離樁變形如圖 10所示。隔離樁最大位移隨水平距離S變化如圖11所示。對(duì)弧形排樁設(shè)置在隧道一側(cè)，拱形雙排隔離樁設(shè)在距基坑10 m附近時(shí)，弧形排樁和直線形排樁的水平位移分別進(jìn)行分析，如圖 12所示。深度從樁端開始計(jì)，水平位移以沿地面向上為正，水平位移以背離基坑方向?yàn)檎?/p>

圖12 隔離樁水平位移圖Fig. 12 Horizontal displacement of isolated pile

由圖11可知，隨著S逐漸增大，隔離樁最大位移先減小后增大。由擬合曲線可知，將拱形雙排隔離樁設(shè)在距基坑12 m時(shí)隔離樁最大位移最小?；⌒闻艠对O(shè)在隧道一側(cè)時(shí)，隔離樁最大位移小于弧形排樁設(shè)在基坑一側(cè)。隔離樁靠近基坑時(shí)，拱形排樁位移比直線形排樁大；隔離樁靠近隧道時(shí)，反之。

由圖12可知，直線形排樁最大位移位于樁底，最小位移位于地面以下5 m處；弧形排樁最大位移位于地面以下15 m處，最小位移位于樁端?；⌒闻艠兜孜灰菩∮谥本€形排樁，弧形排樁端位移大于直線形排樁。

4 結(jié)論

1) 基坑開挖最終引起隧道下沉約3.1 mm，隧道向靠近基坑方向水平位移約1.7 mm。將基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)鉆孔灌注樁轉(zhuǎn)化為地下連續(xù)墻進(jìn)行分析，采用Drucker-Prager硬化模型的數(shù)值計(jì)算結(jié)果滿足精度。

2) 隨著S逐漸增大，隧道最大位移先減小后增大，將拱形雙排隔離樁設(shè)在距基坑10 m處，并將弧形排樁設(shè)在隧道一側(cè)更合理。

3) 當(dāng)S=12 m時(shí)襯砌各個(gè)度數(shù)下的應(yīng)力值均比其他位置下的??；隨著S逐漸增大，隧道襯砌各個(gè)度數(shù)下的應(yīng)力值均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。

4) 隨著S逐漸增大，隔離樁最大位移先減小后增大。將拱形雙排隔離樁設(shè)在距基坑12 m時(shí)，隔離樁的位移最小?；⌒闻艠对O(shè)在隧道一側(cè)時(shí)，隔離樁最大位移小于弧形排樁設(shè)在基坑一側(cè)。

5) 隔離樁靠近基坑時(shí)，拱形排樁位移比直線形排樁大；隔離樁靠近隧道時(shí)，反之?；⌒闻艠段参灰菩∮谥本€形排樁，弧形排樁頭位移大于直線形排樁。

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