隔離樁對隧道開挖引起沉降的控制效能分析

鄭鎮(zhèn)跡，曹利強，2，3，蘇棟，2，3，陳湘生，2，3

1）深圳大學土木與交通工程學院，廣東深圳 518060；2）深圳大學濱海城市韌性基礎設施教育部重點實驗室，廣東深圳 518060；3）深圳市地鐵地下車站綠色高效智能建造重點實驗室，廣東深圳 518060

當前中國地鐵建設飛速發(fā)展，隧道開挖會對鄰近建筑物造成威脅，必要時需采取措施進行保護．近年來隔離樁作為隔斷結構越來越多被運用于實際工程中，對地層變形控制效能的分析評估也變得必要．

此前，不少學者針對隔離樁控制隧道、基坑施工對鄰近建（構）筑物影響進行了研究［1-6］．然因隔離樁多用于隔斷建筑物淺基礎及地表沉降，前人研究重點多集中在隔離樁對地表土體位移場的影響［7-8］．隨著雙線并行深埋隧道施工，隧道側穿橋梁和建筑深基礎等工程實例的日益增多，對隔離樁對地表及地層深層土體位移整體控制效果的研究就顯得非常必要，且目前隔離樁的設計施工仍主要依賴工程經驗，缺乏明確的規(guī)范規(guī)定．

本研究通過有限元軟件Plaxis2d，建立“隧道-隔離樁”相互作用分析模型，通過改變樁長、樁徑、樁頂埋深以及隧道埋深等參數(shù)，研究隔離樁對地表及地層深層土體沉降的控制效率，以期為隔離樁的設計施工提供參考.

1 隔離樁二維數(shù)值模擬方法分析與驗證

1.1 隔離樁二維數(shù)值模擬方法

Plaxis2d中隔離樁的模擬主要有3種實現(xiàn)方法：①方法1：利用板單元加界面單元模擬；②方法2：利用點間錨桿單元模擬；③方法3：利用Embdeded樁單元模擬．方法1利用板單元加界面單元模擬平面問題中的隔離樁，可定義材料軸向剛度和抗彎剛度，得到隔離樁內力，使用界面單元可以模擬樁與土之間相互作用，但現(xiàn)實排樁存在一定間距，方法1無法模擬這點，會產生與現(xiàn)實不符的連續(xù)剪切面．方法2中雖可模擬樁間距，但點間錨桿單元本質上是一個具有軸向剛度的彈簧單元，無法定義抗彎剛度，因而不能得到隔離樁彎矩和剪力等內力結果，且錨桿單元只在端點處與土體接觸，無法模擬樁土相互作用．方法3綜合前兩種方法的優(yōu)勢，Embedded樁單元由樁單元與特殊界面單元構成，既能模擬排樁間距不產生連續(xù)剪切面，又能得到樁身內力，因此本研究主要使用方法3．

1.2 隔離樁數(shù)值模擬方法驗證

為驗證本研究隔離樁模擬方法及參數(shù)正確性，選取文獻［9］中研究案例作為對比．采用Embedded樁單元模擬隔離樁，建立有限元分析模型，并將計算所得結果與文獻［9］進行對比.隔離樁驗證模型如圖1，模型尺寸取125.0 m×60.0 m，足以消除邊界對計算結果的影響．隧道埋深為22.0 m，盾構外徑Dt=6400 mm，管片厚度t=300 mm；高架橋承臺下樁基礎樁長為45.0 m，樁直徑為1500 mm；隧道兩側隔離樁采用鉆孔灌注樁，樁長為37 m，樁身直徑為800 mm，樁間距為900 mm，隔離樁與既有橋樁基礎之間的最小樁間距為9.1 m．地層為均質黏土層，土體本構采用土體硬化模型，土體建模相關物理力學參數(shù)見表1．其中，Eref50為三軸固結排水剪切試驗的參考割線模量；Erefoed為固結試驗參考切線模量；Erefur為三軸固結排水卸載-再加載試驗參考模量.

表1 土體主要參數(shù)Table 1 Main soil parameters of soil mass

圖1 隔離樁數(shù)值模擬驗證模型Fig.1 Isolation pile simulation verification mode.

模型中隔離樁、既有橋樁和隧道襯砌均采用線彈性混凝土材料模擬，密度ρ=2.55×103kg/m3，泊松比為0.15，彈性模量取30 GPa．開挖所引起的地層損失由隧道均勻徑向體積收縮模擬，體積收縮率取0.8%.

樁身水平位移曲線如圖2．由圖2可見，隔離樁的設置對新建隧道周邊建筑物起隔離保護作用．本研究雖采取與文獻［9］不同的模擬方法，但從所得結果的吻合程度來看，可以認為本研究建模方法以及參數(shù)選取合理可用．

圖2 既有橋樁樁身水平位移曲線Fig.2 Pile horizontal displacement curve of existing bridge piles without isolation piles in Ref.[9](solid black line)and this paper(dotted red line)as well as with isolation piles in Ref.[9](bule solid line)and this paper(double dotted perpul line)

1.3 不同模擬方法結果分析

模型計算尺寸為120 m×50 m，Dt為6000 mm，t=300 mm，中心埋深為15 m．在圖3所示位置布置樁長L=21 m、樁直徑為Dp=800 mm、樁間距Lsp=900 mm的隔離樁．采用單一土層進行計算，土體采用1.2節(jié)中的黏土．計算模型中，隧道襯砌和隔離樁均采用線彈性混凝土材料模型．按等剛度原則分別采用1.1節(jié)中的3種方法建立“隧道-隔離樁”相互作用的有限元模型，分析不同建模方法下所得結果的異同．

圖3 不同模擬工況下的地層沉降云圖（a）原隧道；（b）方法1；（c）方法2；（d）方法3Fig.3 Vertical settlement cloud maps of stratum under(a)original tunnel,(b)method 1,(c)method 2,and(d)method 3.

由圖4不同模擬工況下的地表沉降結果可知，方法2無法模擬樁土相互作用，除錨桿端點處其余數(shù)據(jù)點均與原隧道結果重合．方法3隔離樁后地表沉降值略小于方法1．方法1中土體被界面單元分割，不能表現(xiàn)出隔離樁處土體豎向位移的突變，但二者曲線其余部分趨勢、規(guī)律基本吻合．

從地層沉降云圖（圖4）可看出，方法2僅在錨桿端點處模擬出沉降控制作用，方法1和方法3在隔離樁右端模擬控制效果呈相似規(guī)律，但在左端方法3對隧道上方控制效果的模擬更為合理．綜上，本研究認為方法3最優(yōu)，將使用方法3進行建模分析．

圖4 不同模擬工況下的地表沉降Fig.4 Surface settlement under different simulation conditions.

2 隔離樁變形控制效率因素分析

為評價隔離樁對隧道開挖引起地層變形控制的控制效能，本研究采取鄭剛等［10］提出的對于隔離樁控制效率η的定義，即

其中，Sref為不設隔離樁下的變形指標；Ssp為有隔離樁時對應的變形指標.

以1.3節(jié)模型為基礎，進行不同隧道埋深及設計參數(shù)下隔離樁地層變形控制效能的研究分析．取距隧道中心水平距離X=15 m處地表以及埋深15 m處兩點分別為地表和地層深層土體的參考評價點．保持盾構外直徑Dt=6000 mm與隔離樁樁間距Lsp=900 mm不變，對隔離樁樁長L、樁頂埋深h、樁徑Dp、隔離樁與隧道中線水平距離S以及隧道埋深等5個因素進行研究，每個因素設5個水平．取其中1組參數(shù)為標準參數(shù)，當研究某參數(shù)變化時，其余參數(shù)保持標準參數(shù)組水平，參數(shù)水平如表2．

表2 研究因素及水平表1）Table 2 Factors and horizontal table m

2.1 隔離樁參數(shù)對控制效能的影響分析

2.1.1 樁長對控制效率的影響

選取L分別為12、15、18、21和24 m的情況，分析樁長變化對地表沉降和控制效率的影響，結果如圖5和圖6．對地表而言，當L分別為12 m和15 m時，控制效率分別為-17.04%和-10.25%，說明設置隔離樁反而加大了地表沉降；當L為18 m時（樁底位于隧道底部深度），控制效率僅為9.68%，設置隔離樁對于減小地面沉降有效但效果有限；當L由18 m分別增加到21 m和24 m時，控制效率分別增加了25.6%和48.1%，說明此時樁長的增加對減少地面沉降的效果比較明顯，因此實際工程中隔離樁樁長至少應深入隧道底部1倍隧道半徑.

圖5 樁長變化對地表沉降的影響Fig.5 Influence of length of isolation pile on surface settlement.

圖6 樁長變化對控制效率的影響Fig.6 Impact of pile length on control efficiency.

對地層深層土體來說，隔離樁的控制效率基本為負值，說明隔離樁的設置反而加大了深層土體的沉降，且控制效率隨樁長增大出現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，定義控制效率最小時的樁長為最不利樁長，即此時對深層土體的最不利樁長為18 m.

2.1.2 水平距離對控制效率的影響

取S分別為6.0、7.5、9.0、10.5和12.0 m進行研究，并提取出地表沉降值．從圖7水平距離變化對地表沉降的影響結果可見，當隔離樁與隧道中線的水平距離逐漸減小時，地表沉降槽曲線有向上偏移的趨勢，d=6.0 m組的最大地表沉降值為19.13 mm，而d=12.0 m組的最大地表沉降值為22.60 mm，說明在一定范圍內，隔離樁布置得離隧道越近隔斷效果越好.水平距離變化對控制效率的影響如圖8．從圖8可見，無論是地表還是地層深層土體，樁的控制效率隨著水平距離的增大而下降，且深層土體下降的趨勢更為明顯，直接從18.34%下降至-72.76%.

圖7 水平距離變化對地表沉降的影響Fig.7 Influence of horizontal distance between isolation pile and tunnel on surface settlement.

圖8 水平距離變化對控制效率的影響Fig.8 Impact of horizontal distance between isolation pile and tunnel on control efficiency.

2.1.3 樁徑對控制效率的影響

樁徑變化對地表沉降的影響見圖9.由圖9可見，在隔離樁距隧道中線水平距離為9 m、樁長L為21 m、樁間距Lsp=900 mm、樁頂埋深為0 m時，樁直徑Dp在0.6～1.4 m之間變化對隔斷效果影響并不明顯.

圖9 樁徑變化對地表沉降的影響Fig.9 Influence of diameter of isolation pile on surface settlement.

2.1.4 樁頂埋深對控制效率的影響

鄭剛等［10］指出埋入式隔離樁對坑外隧道水平位移的控制效率優(yōu)于傳統(tǒng)非埋入式隔離樁．為研究該情況對地表和地層深層土體沉降方面是否適用，將隔離樁埋深h作為研究因素，對其就沉降的控制效率進行分析．需要注意的是，為研究隔離樁上部樁體影響，分析時保持樁底位置在埋深21 m處，即隨樁頂埋深增大，樁長也逐步減小.樁頂埋深變化對地表沉降的影響見圖10．從圖10可見，隨著樁頂埋深逐步增加，地表沉降槽曲線有向下偏移的趨勢，表明豎向沉降有所增大．但整體來看，增加的幅值并沒有很大，不同樁頂埋深組曲線最大差值出現(xiàn)在隔離樁位置，為3.9 mm.

圖10 樁頂埋深變化對地表沉降的影響Fig.10 Influence of pile top buried depth on surface settlemet.

樁頂埋深變化對控制效率的影響見圖11．由圖11可見，對于地表的控制效率隨樁埋深增大先增大后減小，但整體變化幅值不大，最優(yōu)樁頂埋深為4 m，最差為8 m，二者相差僅5.91%．而對于地層深層土體的控制效率變化規(guī)律明顯不同，隨樁頂埋深增大，深層土的控制效率提高了39%，說明對于深層土體而言，埋入式隔離樁對土體豎向沉降的控制效率明顯優(yōu)于非埋入式．綜上，當實際工程需要兼顧地表土以及深層土的沉降控制時，可采用埋入式隔離樁，這樣也更為經濟.

圖11 樁頂埋深變化對控制效率的影響Fig.11 Impact of the depth of the top of the pileon the control efficiency.

2.2 不同隧道埋深對控制效率的影響分析

為研究隧道埋深對隔離樁變形控制效率影響，建立以隧道埋深為唯一變量的二維有限元模型，隧道埋深從6 m至18 m線性內插取5個水平．隔離樁相關參數(shù)均按標準參數(shù)組取值，以X=15 m處為評價參考平面，作出該平面處地層豎向位移隨深度變化的曲線（圖12）．除去埋深18 m組，由于隔離樁長只取21 m，不能提供較好的控制效果外，設置隔離樁均能有效減小地表沉降，控制效率依次為92.07%、62.89%、35.38%和12.30%．即在相同隔離樁條件下，隧道埋深越深，隔離樁對地表沉降的控制效率會隨之下降.

圖12 豎向位移隨深度變化曲線（X=15 m為參考平面）Fig.12 Vertical displacement versus depth for different tunnel depth(using X=15 m as reference surface).

雷永生［11］指出，隔離樁側摩阻對地表建筑物沉降有很好的控制作用，該結果與圖13一致．深層土體沉降值隨隧道埋深變化曲線見圖14．但從圖14可以看出，對于地層深層土體而言，隔離樁的設置均加大了原有土體沉降．這是因為地表土體的沉降顯著大于隔離樁樁身以及地層深層土體的沉降，因而地表土體在向下位移時會受到隔離樁對其向上的側摩阻力，從而產生減小地表沉降的作用；但對于地層深層土體而言，隔離樁由于自身剛度較大以及在上層土體的帶動下，沉降值將大于相同埋深處的深層土體，因而會對深層土體產生向下的側摩阻力，從而增大了地層深層土體的沉降值，最終出現(xiàn)負面沉降控制效果.

圖13 地表沉降值隨隧道埋深變化曲線Fig.13 Surface settlement versus tunnel depth.

圖14 深層土體沉降值隨隧道埋深變化曲線Fig.14 Isolation pile and deep soil settlement as function of tunnel depth.

3 結語

對Plaxis2d中隔離樁的（利用板單元加界面單元模擬、利用點間錨桿單元模擬和利用Embdeded樁單元模擬等3種平面模擬方法進行評價分析，在此基礎上通過改變樁長、樁徑、樁頂埋深、樁水平位置以及隧道埋深等參數(shù)，研究隔離樁對地表及地層深層土體沉降的控制效率，可知：

1）3種模擬隔離樁的方法中，使用Embedded樁單元的模擬方法既能模擬排樁之間的間距又能得到樁身內力結果，綜合了另外兩種方法的優(yōu)勢，相較之下為最優(yōu)的模擬方法.

2）樁長對地表沉降的影響最為明顯，工程中至少應深入隧道底部達隧道半徑，以保證對地表沉降的控制效果；隔離樁設置得離隧道越近，控制效能越好，尤其是對深層土體沉降的控制；樁徑在0.6～1.4 m變化對控制效能影響不明顯.

3）在相同隧道條件下，埋入式隔離樁對地表沉降的控制效能與非埋入式相比差別不大，但對地層深層土體的沉降控制效能明顯優(yōu)于非埋入式.

4）對于相同的隔離樁，隧道埋深越深，隔離樁對地表沉降的控制效率越低．而對地層深層土體而言，由于樁身側摩阻力，隔離樁的設置反而加大了原有沉降，出現(xiàn)負面效果.