砂土基坑開挖下臨近地鐵隧道變形與保護措施研究

曹 洋，崔 洋

（1.中國建筑東北設(shè)計研究院有限公司，遼寧沈陽 110055；2.中建東設(shè)巖土有限公司，遼寧沈陽 110055）

0 引言

城市商業(yè)街區(qū)發(fā)展建設(shè)受地鐵線路的影響較大，地鐵線路的建設(shè)為后續(xù)商業(yè)發(fā)展提供了客流保障，而后續(xù)進行的商業(yè)開發(fā)大多需要進行基坑工程施工，地鐵線路必不可免地會遭受基坑開挖所產(chǎn)生的影響。魏綱等[1]分析了大型深基坑開挖對地鐵隧道的影響規(guī)律以及加固措施的效果，提出預(yù)測隧道水平位移的經(jīng)驗公式。許四法等[2]對隧道變形從基坑開始施工至結(jié)束開挖的全過程進行了分析，建議縮短實際工程中各施工階段的間隙。況龍川等[3-4]通過對上海某廣場項目實測數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)在隧道旁側(cè)開挖深基坑，隧道會產(chǎn)生向基坑內(nèi)的側(cè)移，橫截面產(chǎn)生變形。鄭立常等[5]通過實時監(jiān)測廣州某基坑開挖對臨近運營地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形位移，利用動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)科學指導基坑施工，保證了地鐵運營安全。丁智等[6]將這些隧道保護技術(shù)歸納為主動控制（優(yōu)化施工方案）和被動控制（防護加固）兩大類。張連震[7]通過試驗獲得了砂層滲透注漿加固效果的主控因素及滲透注漿效果隨時間的變化規(guī)律。酈亮等[8]開展了寧波軌道交通的注漿現(xiàn)場試驗，揭示了注漿對隧道的保護機制。

本文共建立了39 組大型三維有限元模型，分別討論了在不同基坑-地鐵隧道水平距離下，不同施工參數(shù)的隔離樁及注漿加固的控制效果，分析了不同基坑與地鐵隧道空間位置關(guān)系下兩種保護措施的參數(shù)選取，本文研究結(jié)論為砂土地區(qū)工程實踐提供了參考價值。

1 基坑支護設(shè)計及模型的建立

1.1 基坑支護設(shè)計

本文所研究基坑工程中，既有地鐵隧道平行于擬建基坑，基坑長100.8 m，基坑開挖深度為20.0 m，基坑寬58.8 m；地鐵隧道埋深固定為18.0 m，基坑與地鐵隧道相對位置見圖1?？紤]到城市內(nèi)地下管線情況復雜，且地表沉降控制標準高，基坑支護采用排樁結(jié)合內(nèi)支撐的支護形式，共設(shè)置4 層內(nèi)支撐，第1 層為混凝土支撐，第2、3、4 層為鋼管內(nèi)支撐。

圖1 基坑與地鐵隧道相對位置圖（單位：m）

1.2 數(shù)值模型的建立

1.2.1 模型計算參數(shù)及評價指標的選取

為便于研究取半個基坑建立模型，即有限元模型中基坑長100.8 m，寬29.4 m；地鐵隧道模擬地鐵隧道，其外徑為6.3 m，管片厚0.3 m 結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)見表1。地鐵隧道所處地層選取沈陽地區(qū)具有代表性的中粗砂地層進行研究，模型土體分為2 層，土體本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫倫模型，土層參數(shù)見表2，有限元模型結(jié)構(gòu)示意見圖2。相關(guān)規(guī)范中明確需控制的參數(shù)，包括地鐵隧道近基坑側(cè)拱腰水平位移y1及地鐵隧道水平收斂量y2。

表1 隧道結(jié)構(gòu)、基坑支護結(jié)構(gòu)及隔離柱計算參數(shù)

表2 土層物理力學計算參數(shù)

圖2 有限元模型結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 深基坑開挖工況設(shè)置

有限元模型中深基坑開挖步序見表3。

表3 基坑開挖步序

1.2.3 隔離樁參數(shù)及工況設(shè)計

3 組研究參數(shù)分別為：基坑-地鐵隧道水平距離Lt、隔離樁長h、隔離樁樁頂埋深ht，參數(shù)設(shè)計見表4，根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》（CJJ∕T 202—2013）[9]中規(guī)定，地下結(jié)構(gòu)外側(cè)3 m 范圍內(nèi)不能進行工程樁的施工，因此隔離樁施工工況中與隧道的凈距不設(shè)置3 m 的工況。

表4 隔離樁研究參數(shù)設(shè)計 單位：m

為研究不同參數(shù)組合下，地鐵隧道的變形控制效果，在2 種基坑-地鐵隧道水平距離Lt下各設(shè)置9 組不同工況，工況設(shè)計見表5。共設(shè)置20 組工況，其中當Lt為12 m 時，對照組為Q0-1，其他工況編號為W1-1 ～W1-9；當Lt為18 m 時，對照組為Q0-2，其他工況編號為W2-1 ～W2-9。

表5 不同基坑-地鐵隧道水平距離下隔離樁工況 單位：m

1.2.4 注漿加固參數(shù)及工況設(shè)計

在地鐵隧道與基坑臨近的100.8 m 長度范圍內(nèi)模擬注漿加固，注漿區(qū)域為一環(huán)形柱體，注漿截面見圖3（圖中R為地鐵隧道外徑、B為注漿區(qū)域?qū)挾龋?/p>

圖3 注漿截面示意圖

本文對比了3 種注漿體的保護效果，其計算參數(shù)見表6所示。

表6 注漿參數(shù)

研究變量為基坑-地鐵隧道水平距離Lt、注漿加固區(qū)域?qū)挾菳及注漿體物理力學參數(shù)，研究參數(shù)設(shè)計見表7，工況設(shè)計見表8。共設(shè)置20組工況，其中當Lt為6 m，對照組為Q0-3，其他工況編號為S1-1 ～S1-9；當Lt為12 m，對照組為Q0-1，其他工況編號為S2-1 ～S2-9。

表7 注漿加固研究參數(shù)設(shè)計 單位：m

表8 不同基坑-地鐵隧道水平距離下注漿加固工況

2 地鐵隧道保護措施應(yīng)用效果分析

2.1 隔離樁保護效果分析

2.1.1 Lt=12 m

基坑-地鐵隧道水平距離為12 m，計算結(jié)果見表9（計算結(jié)果以遠離基坑方向為正方向）。由表9，對比Q0-1、W1-1、W1-4、W1-7，不設(shè)置隔離樁時，地鐵隧道近基坑側(cè)拱腰水平位移y1最大為5.30 mm，W1-1 為6.33 mm（增大19.43%），W1-4 為6.07 mm（增大14.53%），W1-7 為5.89 mm（增大11.13%），地鐵隧道水平收斂量y2的變化趨勢與y1一致。

表9 Lt=12 m時隔離樁保護計算結(jié)果 單位：mm

圖4 為各工況下地鐵隧道左拱腰水平位移對比圖，工況Q0-1 即不采取任何保護措施的情況下，地鐵隧道左拱腰水平位移最大達-5.30 mm，超過了參考警戒值-5.00 mm 需要設(shè)置保護措施。在所設(shè)計的8 種不同隔離樁參數(shù)組合中，W1-3（樁長20 m，樁頂埋深10 m）、W1-5（樁長30 m，樁頂埋深5 m）、W1-8（樁長40 m，樁頂埋深5 m）能夠有效減小地鐵隧道左拱腰水平位移，使其能夠小于參考警戒值-5.00 mm。

圖4 Lt=12 m時隔離樁保護各工況下地鐵隧道近基坑側(cè)拱腰水平位移對比圖

2.1.2 Lt=18 m

基坑-地鐵隧道水平距離為18 m，計算結(jié)果見表10（計算結(jié)果以遠離基坑方向為正方向）?；娱_挖對地鐵隧道所造成的影響較小，其中在不施加任何保護措施的情況下（Q0-2）地鐵隧道近基坑側(cè)拱腰水平位移為1.51 mm。設(shè)置隔離樁后，地鐵隧道近基坑側(cè)拱腰水平位移最小降為1.23 mm（W2-7）。

表10 Lt=18 m時計算結(jié)果 單位：mm

2.2 注漿加固保護效果分析

2.2.1 Lt=6 m

首先針對基坑-地鐵隧道水平距離為6 m 時的9 組有限元模型進行分析，計算結(jié)果見表11（計算結(jié)果以遠離基坑方向為正方向）。由于此時地鐵隧道中線與基坑支護結(jié)構(gòu)邊線距離僅6 m，地鐵隧道受到基坑開挖的影響較大。當注漿區(qū)域?qū)挾菳為1 m 時，針對地鐵隧道近基坑側(cè)拱腰水平位移y1僅有S1-3（③號注漿體）為9.28 mm 小于規(guī)范中規(guī)定的位移預(yù)警值，相對于Q0-3 減小12.95%。

各工況下地鐵隧道近基坑側(cè)拱腰水平位移y1對比見圖5。由于地鐵隧道與基坑支護結(jié)構(gòu)邊線凈距僅3 m，地鐵隧道受到基坑開挖的影響較大，由圖5 可看出，針對地鐵隧道近基坑側(cè)拱腰水平位移y1，當注漿區(qū)域?qū)挾菳為1 m 時，僅有S1-3（③號注漿體）為9.28 mm小于位移預(yù)警值，減小12.95%；采用②號注漿體的S1-2 僅減小0.94%，采用①號注漿體的S1-1，反而增大了14.92%；當注漿區(qū)域?qū)挾菳為2 m 時，S1-5（②號注漿體）及S1-6（③號注漿體）分別為8.40 mm 和7.25 mm，小于位移預(yù)警值，S1-5 與S1-6 分別減小21.93%、32.62%；當注漿區(qū)域?qū)挾菳為3 m 時，S1-8（②號注漿體）以及S1-9（③號注漿體）分別為8.01 mm 和6.90 mm，S1-8 及S1-9 分別減小25.56%、35.87%。

2.2.2 Lt=12 m

對基坑-地鐵隧道水平距離為12 m 時的9 組有限元模型進行分析，計算結(jié)果見表12（計算結(jié)果以遠離基坑方向為正方向）。

圖6 為各工況下地鐵隧道近基坑側(cè)拱腰水平位移y1對比圖，當基坑-隧道水平距離為12 m 時，采取注漿加固措施具有較為明顯的效果，針對地鐵隧道近基坑側(cè)拱腰水平位移y1，當注漿區(qū)域?qū)挾菳為1 m 時，相對于對照組Q0-1，S2-1 降低42.08%，S2-2 降低62.28%，S2-3 則降低64.91%；當注漿區(qū)域?qū)挾菳為2 m 時，相對于對照組Q0-1，S2-4 降低8.49%，S2-5 降低26.79%，S2-6 則降低39.06%；當注漿區(qū)域?qū)挾菳為3 m 時，相對于對照組Q0-1，S2-7 降低25.85%，S2-8 降低46.23%，S2-9 則降低56.79%。

圖6 Lt=12 m時注漿加固保護各工況下地鐵隧道近基坑側(cè)拱腰水平位移對比圖

3 結(jié)論

a）隔離樁樁頂埋深對其保護效果具有較大影響，當?shù)罔F隧道與基坑水平距離為12 m 時，對地鐵隧道保護效率最佳的隔離樁樁長為20 m，樁頂埋深為10 m，如果隔離樁樁頂埋深過淺，將會產(chǎn)生“牽引效應(yīng)”，帶動地鐵隧道產(chǎn)生位移，反而不利于變形控制。

b）對比不同基坑-地鐵隧道水平距離下各工況，隔離樁對地鐵隧道的變形改善均不足1 mm，考慮實際工程中工期成本以及施工場地緊張等因素，不建議在基坑開挖的弱影響區(qū)域設(shè)置隔離樁。

c）當?shù)罔F隧道與基坑水平距離較近時，隨著注漿體的黏聚力及變形模量的增加，地鐵隧道保護效果也逐漸增強，但隨著水平距離的增加，增大注漿區(qū)域?qū)挾炔⒉荒芎芎玫仄鸬浇档偷罔F隧道變形的作用，當兩者相距12 m 時，注漿區(qū)域?qū)挾菳為1 m 情況下，地鐵隧道保護效果整體較好。