基坑開(kāi)挖對(duì)旁側(cè)既有隧道影響的模型試驗(yàn)研究

魏煥衛(wèi)楊帆羅威奎耀盧卓

(1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南250000)

0 引言

近期隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，其用地的供應(yīng)日漸緊張，使得基坑在既有隧道附近開(kāi)挖施工的情況越來(lái)越多?；娱_(kāi)挖會(huì)改變?cè)淼赖膽?yīng)力場(chǎng)及變形場(chǎng)，破壞其原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致隧道發(fā)生變形、開(kāi)裂，甚至引發(fā)嚴(yán)重事故。因此，研究基坑開(kāi)挖對(duì)既有隧道的影響成為一個(gè)非常重要的課題。

左殿軍等[1]通過(guò)數(shù)值計(jì)算研究了深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵隧道的影響，認(rèn)為在分析大直徑管道時(shí)，應(yīng)考慮管—土的相互作用。劉偉等[2]使用邁達(dá)斯分析軟件，研究了堆載狀態(tài)公路隧道所受的沉降及偏移的影響。林杭等[3]通過(guò)有限差分的方法，認(rèn)為隧道的位置會(huì)影響其豎向與橫向位移的關(guān)系，指數(shù)函數(shù)能較好的擬合出隧道影響的臨界線。汪小兵等[4]使用三維有限元軟件Z-Soil預(yù)估了上海某基坑項(xiàng)目對(duì)隧道的影響，并將結(jié)果與最終實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得到的結(jié)果類(lèi)似。段紹偉等[5]分析了深基坑開(kāi)挖引起的鄰近管線破壞，認(rèn)為可通過(guò)加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的方法減少對(duì)既有管線的影響。姜兆華等[6]研究了鄰近隧道的巖質(zhì)深基坑開(kāi)挖影響，認(rèn)為巖質(zhì)條件下隧道有明顯的偏壓效應(yīng)。陳仁朋等[7]進(jìn)行了單一土層下基坑開(kāi)挖對(duì)既有隧道及隔斷墻作用的模型試驗(yàn)研究，認(rèn)為隔斷墻的設(shè)置可明顯減小隧道的彎矩及土壓力。胡欣[8]采用小型室內(nèi)模型試驗(yàn)的方式，研究了3種不同試驗(yàn)方案下基坑開(kāi)挖對(duì)既有隧道的影響。鄭剛等[9]研究了隔離樁對(duì)基坑外既有隧道的變形控制，認(rèn)為隔離樁樁長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)反而會(huì)表現(xiàn)出牽引作用。紀(jì)茜堯等[10]通過(guò)模型試驗(yàn)，研究了地鐵盾構(gòu)隧道鄰域埋入式隔離樁的力學(xué)性能，認(rèn)為埋入式與非埋入式效果相同。喬南[11]探討了板凳法與管幕法對(duì)既有隧道的保護(hù)作用。KOJIMA等[12]采用模型試驗(yàn)的方法，研究了底面加卸載工況下的隧道變形，發(fā)現(xiàn)砂土卸荷引起的隧道非線性變形明顯。ZHANG等[13]以上海某地鐵盾構(gòu)隧道為例，比較了深基坑工程安全監(jiān)測(cè)中的測(cè)量結(jié)果。張書(shū)豐等[14]研究了長(zhǎng)江漫灘地區(qū)深基坑工程盾構(gòu)隧道應(yīng)急保護(hù)。吳才德等[15]通過(guò)巖土與隧道結(jié)構(gòu)有限元分析軟件MIDAS/GTS對(duì)不同開(kāi)挖面積和開(kāi)挖深度的18個(gè)三維基坑有限元模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

基于上述研究，文章通過(guò)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了旁側(cè)基坑開(kāi)挖作用下地鐵盾構(gòu)隧道的內(nèi)力、位移及隧道周?chē)翂毫Φ淖兓?guī)律，分析了隧道空間位置對(duì)隧道變形的影響規(guī)律及隔離樁支護(hù)體系對(duì)既有隧道的保護(hù)作用。

1 試驗(yàn)方案

室內(nèi)模型試驗(yàn)在尺寸為1 100 mm×900 mm×1 200 mm(長(zhǎng)×寬×高)的鋼架模型箱內(nèi)進(jìn)行，為保證模型箱整體的剛度及強(qiáng)度，除正面外均采用厚度為10 mm的鋼板，模型箱右立面上部采用開(kāi)放設(shè)計(jì)，以方便基坑卸載的進(jìn)行，模型箱正立面采用厚度為19 mm的透明鋼化玻璃，以便于觀察模型試件的安裝及試驗(yàn)進(jìn)程，模型箱示意圖如圖1所示。

圖1 模型箱示意圖

試驗(yàn)采用福建標(biāo)準(zhǔn)砂模擬基坑土體。將細(xì)砂分為數(shù)層均勻的放入模型箱中，并將每層細(xì)砂充分壓實(shí)，以確保土體的密實(shí)性與均勻性，砂體的中值粒徑D50為0.17 mm、土粒比重GS為2.62，最大孔隙比emax為0.952、最小孔隙比emin為0.607。

1.1 模型構(gòu)件布置及開(kāi)挖方案

各構(gòu)件布置剖面圖和平面圖如圖2所示，基坑平面形狀為矩形，采用墻錨支護(hù)形式；圍護(hù)墻采用厚度為8 mm的均質(zhì)聚氯乙烯PVC(Polyvinyl Chloride)板；錨桿采用外徑為15 mm、壁厚為1 mm、長(zhǎng)為400 mm的細(xì)無(wú)規(guī)共聚聚丙烯PP-R(Polypropylene Random)管。基 坑 開(kāi) 挖 深 度 為400 mm、嵌入深度為600 mm，分4層開(kāi)挖，每層開(kāi)挖深度為100 mm。

模型隧道縱向與基坑長(zhǎng)邊方向平行，隧道結(jié)構(gòu)采用外徑為200 mm、壁厚為4 mm、長(zhǎng)度為900 mm的硬聚氯乙烯PVC-U(Unplasticized Polyvinyl Chloride)管進(jìn)行模擬，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)定其彈性模量為3.94 GPa，隧道拱頂埋深d分別為250、350 mm；隧道與基坑距離b分別為100、150 mm。

隔離樁采用外徑為25 mm、內(nèi)徑為21.5 mm的粗PP-R管進(jìn)行模擬，隔離樁樁頂埋深為50 mm，樁長(zhǎng)分別為400、600 mm，樁間距為90 mm，布置于隧道距離基坑為100 mm工況下與基坑中間位置處。

圖2 模型剖面及平面圖/mm

1.2 傳感器布置

(1)隧道周?chē)翂毫y(cè)點(diǎn)布置

在隧道縱向中間位置處布置一個(gè)土壓力監(jiān)測(cè)截面，如圖2(a)所示，從隧道拱頂開(kāi)始每隔30°布設(shè)一個(gè)土壓力盒，共有12個(gè)，以測(cè)量基坑開(kāi)挖過(guò)程中隧道模型的土壓力變化數(shù)據(jù)。

(2)隧道變形測(cè)點(diǎn)布置

為減少密封應(yīng)變片的膠體對(duì)隧道截面剛度的影響，在土壓力監(jiān)測(cè)面前后各4 cm處設(shè)置兩個(gè)變形監(jiān)測(cè)截面，監(jiān)測(cè)截面從隧道拱頂開(kāi)始每隔22.5°漸次布設(shè)應(yīng)變片，共有16個(gè)，以測(cè)量基坑開(kāi)挖過(guò)程中距離土壓力監(jiān)測(cè)截面4 cm處隧道模型彎矩的變化數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置實(shí)際情況如圖3所示，應(yīng)變數(shù)據(jù)和土壓力盒數(shù)據(jù)均通過(guò)靜態(tài)應(yīng)變采集儀進(jìn)行記錄收集。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)際情況布置圖

(3)位移測(cè)點(diǎn)布置

隧道位移變化采用拉線位移計(jì)進(jìn)行量測(cè)，為使其不與土壓力及應(yīng)變測(cè)點(diǎn)相互干擾，將測(cè)點(diǎn)選定在距離應(yīng)變測(cè)點(diǎn)10 cm處，共設(shè)置上部及側(cè)向兩個(gè)點(diǎn)，以分別獲得隧道的縱向及側(cè)向位移變化值。

在圍護(hù)墻兩側(cè)(靠窗、非靠窗側(cè))設(shè)置兩個(gè)百分表，其起到監(jiān)測(cè)土體穩(wěn)定的作用。同時(shí)，通過(guò)對(duì)土體穩(wěn)定(試驗(yàn)用時(shí))總時(shí)間及墻體位移量的觀測(cè)，也可從另一方面得出隔離樁的控制效果。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

模型試驗(yàn)步驟如下:

(1)將帶編號(hào)的應(yīng)變片及土壓力盒安裝到模型上，對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行密封處理，確保其不被損壞。

(2)在模型箱內(nèi)均勻的填入標(biāo)準(zhǔn)砂，并根據(jù)工況要求將拉線位移計(jì)、隧道、支護(hù)結(jié)構(gòu)及隔離樁模型安置于模型箱對(duì)應(yīng)位置，并在墻上部設(shè)置兩個(gè)百分表，對(duì)模型進(jìn)行靜置，對(duì)主要儀器設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。

(3)分4層進(jìn)行基坑開(kāi)挖卸載，每層開(kāi)挖深度為10 cm作為卸載厚度。為保證基坑每級(jí)卸載是在土體穩(wěn)定的情況下進(jìn)行，基坑待前一級(jí)卸載完成后百分表讀數(shù)穩(wěn)定后，再進(jìn)行下一級(jí)的卸載。

模型試驗(yàn)流程如圖4所示。

圖4 模型試驗(yàn)流程圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將不同空間位置隧道的彎矩變化值、同樣埋深及距離的不同隔離樁樁長(zhǎng)方案下的隧道的彎矩變化值、土壓力變化值及位移進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 基坑開(kāi)挖對(duì)不同空間位置隧道彎矩的影響

隧道與基坑距離b為150 mm、埋深d為250 mm。方案的各個(gè)卸載段(每個(gè)卸載段卸載10 cm的土)隧道各點(diǎn)彎矩變化值如圖5(a)所示，上、左、下、右(U、L、D、R)四點(diǎn)的彎矩變化值如圖5(b)所示，隧道不同空間位置隧道工況下各點(diǎn)隧道彎矩變化對(duì)比如圖6(a)所示，U、L、D、R四點(diǎn)彎矩變化對(duì)如圖6(b)所示。

圖5 隧道埋深250 mm基坑各卸載段隧道各點(diǎn)及四周點(diǎn)彎矩變化值圖

圖6 不同空間位置隧道各點(diǎn)及四周點(diǎn)卸載完成后彎矩變化對(duì)比圖

在第一次開(kāi)挖基坑時(shí)，由于土體靜置后的應(yīng)力平衡遭到破壞，隧道各點(diǎn)發(fā)生輕微的向外拉伸，致使絕大部分點(diǎn)的彎矩值＞0，但因?yàn)樾逗闪窟^(guò)小，所以彎矩值也很小，絕大部分點(diǎn)的彎矩值在0～2 N·m范圍內(nèi)?；娱_(kāi)挖兩層后，與第1級(jí)卸載相比，各點(diǎn)的彎矩隨卸荷量的增加略有增大，由于土體開(kāi)始發(fā)生朝向基坑側(cè)的移動(dòng)，隧道開(kāi)始受壓，部分點(diǎn)由起初的向外拉伸轉(zhuǎn)變?yōu)橄騼?nèi)壓縮，彎矩值由正變負(fù)，但從整體上來(lái)看變化依舊不明顯，各點(diǎn)的彎矩變化值大都在±2～6 N·m范圍內(nèi)。綜合前兩次基坑開(kāi)挖卸荷可以得出，基坑開(kāi)挖初期，開(kāi)挖對(duì)隧道情況的彎矩的影響很小。

第3級(jí)卸載完成后，隧道各點(diǎn)的彎矩值進(jìn)一步增大，且開(kāi)始呈現(xiàn)初步的規(guī)律性，隧道左、右兩端的彎矩值增大，上、下兩端的彎矩值減小，隧道的橫向直徑增大，縱向直徑減小，隧道初步呈現(xiàn)兩端拉伸，上、下壓縮的變化趨勢(shì)，U、L、D、R四點(diǎn)及靠近與此四點(diǎn)相鄰的點(diǎn)彎矩值較大，大多數(shù)約為±20 N·m，其余各點(diǎn)的彎矩值較小?；娱_(kāi)挖完成后，隧道各點(diǎn)的彎矩進(jìn)一步增大，隧道兩端拉伸、上、下壓縮的變化趨勢(shì)更加明顯，隧道U、L、D、R四點(diǎn)的彎矩均達(dá)到100 N·m。

對(duì)圖5(b)的U、L、D、R四點(diǎn)各階段的彎矩進(jìn)行分析可知，隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，各點(diǎn)彎矩的增加速率逐漸加快，L、R兩點(diǎn)逐漸增大，U、D兩點(diǎn)逐漸減小，基坑開(kāi)挖對(duì)隧道彎矩的影響主要來(lái)自于后期的第3、4級(jí)卸載，前期的第1、2級(jí)對(duì)隧道影響很小。

其對(duì)圖6中不同空間位置的隧道進(jìn)行分析，各點(diǎn)雖然存在細(xì)微的差異，但呈現(xiàn)的規(guī)律相似，即隧道埋深越淺、距離基坑越近，受基坑開(kāi)挖的影響越大，表現(xiàn)為大部分點(diǎn)彎矩變化絕對(duì)值較大，基坑兩端拉伸、上、下壓縮的趨勢(shì)越明顯。

2.2 隔離樁對(duì)隧道彎矩的控制效果分析

試驗(yàn)在隧道埋深為250 mm、距離基坑為100 mm的工況下，分別采用無(wú)隔離樁，隔離樁樁長(zhǎng)為40、60 cm(兩者均為埋入式隔離樁，樁頂埋深為5 cm)三種不同工況下基坑開(kāi)挖完成后的各點(diǎn)、隧道四周點(diǎn)的彎矩變化對(duì)比如圖7所示。

對(duì)比無(wú)隔離樁與長(zhǎng)隔離樁兩種方案，在隔離樁樁長(zhǎng)較長(zhǎng)的情況下，有隔離樁的支護(hù)體系對(duì)于既有隧道變形的控制作用較好，橫向彎矩變化值較大的點(diǎn)13彎矩變化值減小了37%，縱向彎矩變化值較大的點(diǎn)1彎矩變化值減小了58%，其他點(diǎn)也有較大幅度的減小，隧道的彎矩變化得到有效控制。在隔離樁樁長(zhǎng)較短的方案下，隔離樁支護(hù)體系對(duì)于既有隧道的保護(hù)作用有限，同樣對(duì)比點(diǎn)1與點(diǎn)13，彎矩變化值僅減小了約10%，若是更短的隔離樁，作用將更為有限。因此采用越長(zhǎng)的隔離樁，效果越明顯。

圖7 隔離樁不同樁長(zhǎng)各點(diǎn)及四周點(diǎn)卸載完成后彎矩變化對(duì)比圖

2.3 隔離樁對(duì)隧道土壓力的控制效果分析

三種不同工況下基坑開(kāi)挖完成后的彎矩及周?chē)翂毫ψ兓瘜?duì)比如圖8所示?；娱_(kāi)挖完成后的各點(diǎn)的土壓力大體呈現(xiàn)左側(cè)增大，右側(cè)減小的趨勢(shì)，其中點(diǎn)1的增加最大，點(diǎn)4的增大趨勢(shì)最小，點(diǎn)10的減小值最大，這是由于基坑開(kāi)挖除了會(huì)引起隧道截面兩端拉伸、上、下壓縮的變形趨勢(shì)，還存在隧道朝向基坑一側(cè)扭轉(zhuǎn)的位移趨勢(shì)，土壓力、彎矩、位移三者相互聯(lián)系，土壓力變化較大的點(diǎn)1與點(diǎn)10的隧道變形與位移一致，土壓力變化較小的點(diǎn)4的隧道變形與位移不一致。

對(duì)比三種不同的試驗(yàn)方案，可以看出樁長(zhǎng)60 cm的隔離樁支護(hù)體系能夠較大程度的減小隧道圍土壓力的變化值，變化最大的U、R點(diǎn)分別減小了45%和33.3%；對(duì)隧道圍土壓力變化控制較好，樁長(zhǎng)40 cm的隔離樁支護(hù)體系對(duì)隧道的保護(hù)作用有限。因此，采用較長(zhǎng)的隔離樁支護(hù)體系，會(huì)較大程度的減小隧道的圍土壓力變化值，進(jìn)而對(duì)隧道起到保護(hù)作用。

圖8 隔離樁不同樁長(zhǎng)卸載完成后各點(diǎn)及四周點(diǎn)土壓力變化對(duì)比圖

2.4 隔離樁對(duì)隧道及圍護(hù)墻位移及試驗(yàn)用時(shí)的控制效果分析

3種不同工況下基坑開(kāi)挖完成后的橫向及豎向位移對(duì)比如圖9所示。對(duì)3種工況下的橫向及豎向位移進(jìn)行分析可知，隧道的橫向位移大于豎向位移，隧道發(fā)生朝向基坑一側(cè)的橫向位移與沉降，整體發(fā)生朝向基坑底面一側(cè)的位移；設(shè)置長(zhǎng)隔離樁能夠在基坑開(kāi)挖過(guò)程中及基坑開(kāi)挖完成后有效減小隧道的側(cè)移及沉降，第4級(jí)卸載的橫向與豎向位移分別減小了60.7%和58.4%；對(duì)位移的減小幅度較大，能夠?qū)λ淼榔鸬捷^好的保護(hù)作用，因此長(zhǎng)隔離樁適用于基坑工程與隧道距離較近，其他加強(qiáng)基坑的支護(hù)、控制隧道變形及位移的措施(如土釘墻、預(yù)應(yīng)力錨索等)無(wú)法施展的工況。

長(zhǎng)隔離樁與短隔離樁工況試驗(yàn)的位移趨勢(shì)一致，隧道均是發(fā)生朝向基坑底面一側(cè)的位移，雖然減小幅度較彎矩值減小幅度大，但是與長(zhǎng)隔離樁減小的幅度相比依舊有限，不能起到對(duì)隧道的保護(hù)作用。

圖9 隔離樁不同樁長(zhǎng)橫向及豎向位移對(duì)比圖

墻體位移及試驗(yàn)用時(shí)如圖10所示。隔離樁對(duì)隧道的控制作用不僅體現(xiàn)在能夠減少隧道的彎矩變化值、土壓力變化值及位移值上，還會(huì)使圍護(hù)墻兩側(cè)的位移值有所減小。但短隔離樁對(duì)圍護(hù)墻的位移值減小程度有限，埋設(shè)長(zhǎng)隔離樁方案下，圍護(hù)墻位移值有很大程度的減少。土體的穩(wěn)定時(shí)間也與隔離樁的設(shè)置有很大關(guān)系，其中埋設(shè)長(zhǎng)隔離樁能夠極大的減少土體的穩(wěn)定時(shí)間，穩(wěn)定時(shí)間短，則隧道受較大影響的時(shí)間也隨之變短，隧道能夠因此得到較好的保護(hù)。

圖10 墻體位移及試驗(yàn)用時(shí)對(duì)比圖

3 數(shù)值分析

3.1 數(shù)值建模

為了對(duì)實(shí)際環(huán)境中的基坑開(kāi)挖對(duì)隧道位移及變形規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步的研究，選用三維有限元軟件PLAXIS 3D對(duì)其開(kāi)展數(shù)值模擬研究。為消除模型范圍對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，計(jì)算邊界取2.5倍的開(kāi)挖深度，即模型尺寸為60 m×50 m×30 m(長(zhǎng)×寬×高)。

采用1∶30的幾何相似比對(duì)模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)，圍護(hù)墻墻厚為0.24 m、錨桿直徑為200 mm、長(zhǎng)為12 m、埋深為4.5 m；隧道外徑為6 m、內(nèi)徑為5.6 m，隧道拱頂埋深分別為7.5、10.5 m，距離基坑距離分別為3、4.5 m；隔離樁直徑為600 mm，樁頂埋深為1.5 m，樁長(zhǎng)分別為12、18 m，樁間距為2.7 m。模型頂面自由，側(cè)邊和底面分別設(shè)置水平和固定約束，數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分如圖11所示。

圖11 數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分圖

試驗(yàn)土體單元采用土體硬化模型HS(Hardening Soil Model)，HS具有處理加卸載特性，能更真實(shí)體現(xiàn)土體卸載對(duì)隧道的影響。模擬時(shí)墻體采用板單元，錨桿采用梁?jiǎn)卧?，隔離樁采用嵌巖樁embedded pile單元。土體的不飽和重度為17 kN/m3、飽和重度為20 kN/m3，固結(jié)儀加載剛度及三軸加/卸載剛度分別為28.6、22.8、103 MPa，系數(shù)m為0.74、泊松比為0.3、黏聚力為0、內(nèi)摩擦角為340。

根據(jù)實(shí)際施工順序及加載情況，分步模擬基坑開(kāi)挖對(duì)既有隧道影響試驗(yàn)，在PLAXIS 3D分布施工界面定義施工階段，具體步驟如下:

(1)重置位移為零，土方開(kāi)挖深度為-6 m；

(2)施工錨桿；

(3)土方開(kāi)挖至深度為-12 m。

3.2 不同空間位置隧道變形及位移數(shù)值分析

3種不同空間位置基坑卸載完成后的彎矩變化值如圖12(a)所示，總位移如圖12(b)所示，其中位移正值表示隧道朝向右側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)。

對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果，可以看出，隨著基坑的開(kāi)挖，隧道左、右兩端的彎矩增大，上、下兩端的彎矩減小，均呈現(xiàn)左、右兩端拉伸而上、下兩端壓縮的趨勢(shì)。對(duì)比三種工況下卸載完成后的彎矩大小，可知，隨著隧道埋深及與基坑距離的增大，基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的影響變大，這與模型試驗(yàn)所得出的結(jié)論一致。

隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，隧道整體表現(xiàn)朝向基坑一側(cè)的位移，并且盾構(gòu)隧道右上部分位移量遠(yuǎn)大于左下部分，最大位移量出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1位置，隧道有朝向基坑一側(cè)扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。對(duì)比3種不同工況，同隧道彎矩變化情況一樣，橫向與豎向位移都隨著隧道埋深及與基坑距離的增大而減小。

圖12 不同空間位置隧道卸載完成后彎矩變化及總位移對(duì)比圖

3.3 隔離樁對(duì)隧道彎矩及位移控制效果數(shù)值分析

隧道埋深為7.5 m、距離基坑3 m的工況下，無(wú)隔離樁、隔離樁樁長(zhǎng)為12、18 m(兩者均為埋入式隔離樁，樁頂埋深為1.5 m)三種不同工況下，基坑開(kāi)挖完成后的彎矩變化及隧道總位移對(duì)比如圖13所示，位移正值表示隧道發(fā)生朝向基坑一側(cè)的位移。

圖13 隔離樁不同樁長(zhǎng)隧道卸載完成后彎矩變化及總位移對(duì)比圖

在隔離樁較長(zhǎng)的情況下，隔離樁體系對(duì)隧道的彎矩變化及位移都有很好的控制作用，隧道各點(diǎn)均有較大幅度的減小，較短的隔離樁支護(hù)體系對(duì)隧道的保護(hù)作用有限，這與模型試驗(yàn)得出的結(jié)論一致。同時(shí)，分析3種工況下隧道的總位移，可以發(fā)現(xiàn)隧道右上部分遠(yuǎn)大于左下部分，隧道整體發(fā)生朝向基坑一側(cè)的位移。

選取基坑距離隧道3 m、隧道埋深為7.5 m工況下，隔離樁樁長(zhǎng)分別為6、8、10、12、14、16、18、20 m的隧道U、L、D、R四點(diǎn)基坑開(kāi)挖完成后的彎矩變化值及總位移值進(jìn)行分析，結(jié)果如圖14所示。

隔離樁體系對(duì)隧道的彎矩變化和總位移的控制效果類(lèi)似，長(zhǎng)度較短、嵌固深度未超過(guò)基坑開(kāi)挖深度的隔離樁體系對(duì)隧道的保護(hù)作用有限，長(zhǎng)度較長(zhǎng)、嵌固深度在基坑嵌固深度上下的隔離樁體系對(duì)隧道的保護(hù)作用最好，但超過(guò)此深度后，隔離樁體系對(duì)隧道的保護(hù)作用相對(duì)減弱，效費(fèi)比不高。

圖14 隧道四周點(diǎn)隔離樁不同樁長(zhǎng)彎矩變化及總位移對(duì)比曲線圖

4 結(jié)論

通過(guò)模型試驗(yàn)及PLAXIS 3D有限元軟件研究了基坑開(kāi)挖對(duì)不同空間位置既有隧道的影響規(guī)律及隔離樁對(duì)隧道的保護(hù)作用，主要結(jié)論如下:

(1)基坑開(kāi)挖初期對(duì)隧道的影響很小，開(kāi)挖引起既有隧道截面縱向彎矩變小，橫向彎矩變大，導(dǎo)致既有隧道的橫向直徑拉長(zhǎng)，縱向直徑壓短；基坑呈現(xiàn)兩端拉伸上、下壓縮的趨勢(shì)，隧道埋深越淺，距離基坑越近，變形趨勢(shì)越大。

(2)隧道的橫向位移大于豎向位移，隧道右上部分的位移均大于其他部分，隧道整體發(fā)生朝向基坑一側(cè)的位移，距離基坑越近，隧道埋深越淺，位移越大。

(3)隧道圍土壓力大體呈現(xiàn)左側(cè)增大，右側(cè)減小的趨勢(shì)，土壓力與彎矩、位移三者相互聯(lián)系，變化較大的頂部點(diǎn)與右部點(diǎn)隧道變形與位移一致，變化較小的左側(cè)點(diǎn)不一致。

(4)長(zhǎng)度在基坑嵌固深度上下的隔離樁支護(hù)體系明顯的減小了隧道的彎矩變化值、土壓力變化值及橫線與豎向位移，對(duì)隧道的保護(hù)作用較好，但長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致效費(fèi)比不高；長(zhǎng)度短于基坑開(kāi)挖深度的隔離樁體系對(duì)隧道的保護(hù)作用有限。同時(shí)，隔離樁對(duì)隧道的保護(hù)作用不止于此，還體現(xiàn)在其能夠同時(shí)減小維護(hù)墻的位移及土體的穩(wěn)定時(shí)間，隧道受基坑開(kāi)挖的影響時(shí)間小，最終所受影響就有所減小。