王祖賢，施成華，陳剛

基于正交試驗的隧道近接施工隔離樁優(yōu)化設(shè)計

王祖賢1，施成華1，陳剛2

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 中交一公局集團有限公司，北京 100024)

隔離樁作為一種主要的施工控制措施廣泛應(yīng)用于隧道近接敏感建(構(gòu))筑物施工中，但目前尚未有規(guī)范對隔離樁的設(shè)計做出規(guī)定，現(xiàn)行隔離樁設(shè)計主要依據(jù)經(jīng)驗進行。針對這一現(xiàn)狀，采用數(shù)值方法對影響隔離樁隔離效果的樁長、距隧道距離、樁徑和樁彈模等4個主要因素進行正交試驗，定義隔離系數(shù)并以此作為試驗指標表征隔離樁隔離效果，分析評價各因素對隔離樁隔離效果的影響程度。研究結(jié)果表明：樁長是影響隔離樁隔離效果的最主要因素。進一步基于隔離樁影響因素評價對隔離樁合理樁長的確定進行設(shè)計優(yōu)化，建議隔離樁樁長取1.2倍的隧底埋深時，能取得較好的隔離效果。

隔離樁；正交設(shè)計；優(yōu)化設(shè)計；合理樁長

隨著我國城市軌道交通建設(shè)的迅速發(fā)展，修建的軌道交通線路越來越多，所面臨的施工環(huán)境也日益復(fù)雜，有更多的地鐵線路敷設(shè)在老城區(qū)地下空間。由于修建年代較為久遠，老城區(qū)建筑類型以淺基礎(chǔ)砌體結(jié)構(gòu)或淺基礎(chǔ)低層框架結(jié)構(gòu)為主，對地鐵隧道施工引起的地層響應(yīng)極為敏感，施工風險較高。因此，在鄰近這些敏感建(構(gòu))筑物進行地下工程施工時，為確保施工安全，減小隧道或基坑施工引起的建筑物變形，極有必要采取一定的施工控制措施。針對地下工程施工引起的建筑物響應(yīng)問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進行了廣泛研究[1?6]。在目前的工程實踐中，通常采用“變形源頭控制、路徑隔斷及對象加固保護”[7]3種思路進行鄰近敏感建(構(gòu))筑施工時的施工控制。其中隔離樁(墻)作為一種有效的地層變形路徑隔斷措施被廣泛應(yīng)用于工程實踐中[8?18]，并取得了良好的施工效果。如上海外灘隧道在側(cè)穿浦江酒店時，采用隔離樁作為保護措施后鄰近隧道側(cè)基礎(chǔ)最大不均勻沉降由23 mm減小至7 mm[10]；濟南軌道交通R1線小半徑盾構(gòu)隧道下穿京滬高鐵橋時，采用隔離樁后橋樁沉降最大減幅達41.8%[13]。目前也有一些學(xué)者對隔離樁的作用機理及作用效果進行了研究[15?18]，紀新博等[8]針對某地鐵新建隧道側(cè)穿鄰近淺基建筑采用隔離樁隔離的工程為依托，對隔離樁的樁長、樁間距和距隧道距離3個參數(shù)進行了敏感性分析，但在結(jié)果分析中采用極差作為因子敏感性評價指標缺乏一定的合理性。隔離樁作為地下構(gòu)筑物，由于其隱蔽性，目前的研究主要是對現(xiàn)場施工措施的計算論證以及現(xiàn)場監(jiān)測。對隔離樁的控制機理及計算模型的研究較為欠缺。此外，影響隔離樁控制效果的主要因素尚不明確，處于模糊的狀態(tài)。盡管隔離樁在工程實踐中得到了廣泛應(yīng)用，但在現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范中并未對隔離樁的設(shè)計做出相關(guān)規(guī)定，目前隔離樁的設(shè)計主要依據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，因此其設(shè)計參數(shù)具有較大的不確定性。因此，有必要對隔離樁的設(shè)計參數(shù)進行研究，為之后的隔離樁設(shè)計提供依據(jù)。為此，本文基于隧道開挖對鄰近建筑影響的某經(jīng)典案例，采用數(shù)值方法建立計算模型，首先明確了影響隔離樁作用效果的主要因素并進行正交試驗，定義了隔離系數(shù)并以此作為試驗指標對隔離樁隔離效果進行分析評價，然后依據(jù)統(tǒng)計學(xué)中的方差分析對隔離樁主要參數(shù)進行了顯著性檢驗。在此基礎(chǔ)上對隔離樁合理樁長的確定進行設(shè)計優(yōu)化。

1 數(shù)值模型

1.1 模型概況

Daniela等[4]采用有限元方法對一條形基礎(chǔ)混凝土框架結(jié)構(gòu)在鄰近隧道開挖時的響應(yīng)進行了研究，其所建立的隧道?建筑物分析模型具有一定的典型性。本文基于Daniela的研究，采用通用有限元軟件Abaqus建立隧道?建筑物?隔離樁平面有限元模型，進行鄰近敏感建筑物隧道開挖時隔離樁隔離效果分析及評價研究。計算模型中的巖土工程性質(zhì)和隧道結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)Fargnoli等[5, 19]的研究，參考意大利米蘭地鐵5號線確定。

圖1 有限元計算模型

為完全消除邊界效應(yīng)的影響，模型在水平方向(方向)和深度方向(方向)分別取130 m和60 m。模型中隧道開挖直徑為=6.7 m，埋深=15 m。地表建筑物為5層混凝土框架結(jié)構(gòu)，層高3.2 m；柱截面尺寸為400 mm×400 mm，采用C35混凝土澆筑；梁截面尺寸為250 mm×250 mm，采用C30混凝土澆筑；基礎(chǔ)為混凝土條形基礎(chǔ)，混凝土強度等級為C35，基礎(chǔ)長13.2 m，埋深1 m，基礎(chǔ)距隧道中心線10 m。計算模型如圖1所示。

1.2 模型邊界及計算參數(shù)

模型邊界采用位移邊界，即分別約束模型水平方向和豎直方向的法向位移，地表為自由邊界。計算時建筑物的梁和柱均采用梁單元(B21)模擬，其余部件均采用平面應(yīng)變單元(CPE4)單元模擬。在材料本構(gòu)關(guān)系的選擇上，隔離樁及建筑物基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)均采用線彈性本構(gòu)模型，土體采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構(gòu)模型。模型計算參數(shù)如表1和表2所示。其中土體楊氏模量的取值參考米蘭地鐵5號線鄰近工程土體小應(yīng)變剪切剛度實測曲線確定，Daniela等根據(jù)實測曲線將地層分為6層，每層土體楊氏模量隨深度非均勻增加，Daniela和Fargonli所采用的地層參數(shù)如圖2所示。本文為便于計算，模型中取土體彈性模量隨深度線性變化，這與Daniela等采用的值基本相符，其余土體參數(shù)的選取同Daniela的計算模型。

表 1 土體計算參數(shù)

1.3 接觸關(guān)系及隧道開挖模擬

建筑物基礎(chǔ)與土體以及隔離樁與土體之間的接觸關(guān)系采用經(jīng)典的Coulomb摩擦接觸，摩擦因數(shù)根據(jù)界面摩擦角確定。對于樁土界面摩擦角的確定，一些學(xué)者，如Potyondy等[20?21]給出了估算公式，本文根據(jù)Daniela等[4]建議取混凝土?土界面摩擦角為=2/3。

表2 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

圖2 土體小應(yīng)變剪切模量隨深度變化曲線

隧道開挖模擬，其實質(zhì)為地層應(yīng)力釋放。Abaqus提供了2種隧道開挖模擬方法，本文采用物理意義更為明確的收斂?約束法進行隧道開挖模擬。收斂?約束法實現(xiàn)隧道開挖引起的地層應(yīng)力釋放模擬原理為：在分析步中折減隧道周邊單元的節(jié)點反力，該折減系數(shù)即為隧道開挖引起的應(yīng)力釋放系數(shù)。由于本文重點討論隔離樁對隧道開挖引起的地層位移的隔離效應(yīng)，因此隧道采用全斷面一次性開挖。

1.4 模型驗證

隧道開挖會引起地層損失，進而引起地層位移。在隧道開挖引起的地層位移預(yù)測方面，Peck[22]基于高斯分布函數(shù)建立的Peck公式廣為應(yīng)用。本文通過對比采用Peck公式和本文數(shù)值模型所得隧道開挖引起的地表橫向沉降曲線的一致性來驗證本文計算模型。圖3所示為2種方法下所得地表橫向沉降曲線。

由圖3可知，采用本文數(shù)值模型所得的地表沉降曲線與采用Peck公式獲得的地表沉降曲線具有較好的一致性。因此，在后續(xù)的計算分析中可采用本文所標定的數(shù)值模型。

圖 3 地表橫向沉降曲線

2 隔離樁參數(shù)正交試驗設(shè)計

2.1 隔離樁關(guān)鍵參數(shù)及試驗指標確定

盡管隔離樁在實際工程中廣泛應(yīng)用，但在目前的規(guī)范中對隔離樁的設(shè)計無明確規(guī)定。根據(jù)紀新博等[8, 17]的研究工作，可見隔離樁樁長及隔離樁距隧道或邊載作用距離是影響隔離樁隔離效應(yīng)的主要參數(shù)。此外，翟杰群等[15]基于對隔離樁作用機理的研究，指出隔離樁“主要承受開挖施工引起的側(cè)向土壓力和地基差異沉降產(chǎn)生的摩阻力”?？梢?，在水平方向上在側(cè)向土壓力作用下，隔離樁的變形形式主要表現(xiàn)為彎曲變形，在荷載一定時樁的彎曲變形程度取決于樁的抗彎剛度(EI)，進而會影響到樁后地層的變形，因此樁的抗彎剛度也是隔離樁設(shè)計的主要參數(shù)之一。綜上，本文以隔離樁樁長、隔離樁距隧道距離、樁身彈性模量以及樁直徑作為隔離樁設(shè)計的主要參數(shù)進行正交試驗設(shè)計。

盡管目前對于開挖引起的鄰近建筑物響應(yīng)問題已經(jīng)有大量的研究，但還沒有統(tǒng)一的評價指標去評定建筑物受影響程度?！冻鞘熊壍澜煌üこ瘫O(jiān)測技術(shù)規(guī)范》將建筑物豎向位移和裂縫列為鄰近地下工程施工時周邊建筑物的應(yīng)測項目，將傾斜和水平位移列為選測項目[23]，但在數(shù)值計算中因隧道施工引起的建筑物裂縫不易體現(xiàn)。另一方面，建筑物對地面均勻沉降并不敏感，造成建筑物破壞的主要原因是差異沉降，尤其砌體結(jié)構(gòu)和低層框架結(jié)構(gòu)對沉降差值更為敏感[24]，在實際施工中通常根據(jù)建筑物的差異沉降量推算出建筑物的傾斜值，并將建筑物傾斜列為應(yīng)測項目。丁勇春[7]根據(jù)常見建筑的上部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)形式，將建筑劃分為以多層框架結(jié)構(gòu)及高層結(jié)構(gòu)為代表的剛性建筑和以磚混結(jié)構(gòu)為代表的柔性建筑，并以建筑物傾斜值作為剛性建筑變形控制標準，對建筑的傾斜做了相關(guān)規(guī)定。本文研究的建筑物為低層框架結(jié)構(gòu)，因此可將其劃分為剛性建筑，以建筑的傾斜值作為隧道開挖下建筑物受影響程度的評價指標，可以綜合反映隧道施工引起的建筑物響應(yīng)特性。此外，由圖3可知有淺基礎(chǔ)時，地表沉降曲線在淺基礎(chǔ)段也呈現(xiàn)出傾斜變形特性。另外，為評價隔離樁的隔離效果，定義隔離樁隔離系數(shù)為：

2.2 隔離樁參數(shù)正交試驗設(shè)計

為保證樣本具有較好的說服力，在進行數(shù)值試驗時每個因素安排4個水平，因素水平的選擇依據(jù)工程實際確定，選用L16(45)正交表安排數(shù)值試驗。試驗設(shè)計如表3和表4所示。

表3 試驗因素及水平

表4 正交試驗方案

3 隔離樁隔離效果評價

試驗結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在這16組試驗中，隔離樁隔離效果最為明顯的是第15組試驗，隔離系數(shù)=0.99，隔離效果最不理想的是第1組試驗，隔離系數(shù)=0.24。此外，由圖4可見，每4組試驗之間的試驗指標差異是較為明顯的，但在每4組之內(nèi)的差異不是特別顯著。

圖4 試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果，采用統(tǒng)計學(xué)中的方差分析方法對16組試驗結(jié)果進行分析，鑒別各因素對試驗結(jié)果的影響程度。方差分析表如表5所示，將各因子的值繪制在如圖5所示的直方圖中，進行各因子對試驗結(jié)果影響水平顯著性檢驗。

由圖5可知，樁長的值遠大于顯著性水平=0.1時的臨界值，而其余3個因子的值均小于臨界值，因此可以認為對于隔離樁隔離效果影響最大的因素為隔離樁樁長，相對而言其他參數(shù)對隔離樁的隔離效果影響不明顯，因此在進行隔離樁設(shè)計時應(yīng)注重隔離樁樁長這一關(guān)鍵參數(shù)的確定。

表5 方差分析

圖5 各因子F值直方圖

4 隔離樁設(shè)計優(yōu)化

根據(jù)各因子顯著性檢驗結(jié)果可知，樁長對隔離效果的影響是最為顯著的，是隔離樁設(shè)計時的關(guān)鍵參數(shù)。但由圖4可知，在樁長分別為22.5 m和30 m的這8組試驗所得的隔離系數(shù)差異并不十分明顯，相反，當樁長為22.5 m時所得的一些試驗結(jié)果要優(yōu)于樁長為30 m時的試驗結(jié)果?？梢姰敇堕L達到一定長度之后隔離樁的隔離效應(yīng)不會再有明顯提升，同時，考慮樁的工程造價問題，樁長越長意味著更高的造價。因此在隔離樁設(shè)計時應(yīng)使得隔離樁具有合理的樁長，這一長度應(yīng)使得其能很好的起到隔離防護作用同時又不至于造成浪費，能夠兼顧工程安全與經(jīng)濟。

翟杰群等[15]基于隔離樁控制基坑變形的機理分析，指出隔離樁的設(shè)置應(yīng)穿過土體滑移面并具有一定的插入深度。盧致強等[12]建議隔離樁的嵌入深度應(yīng)不小于4 m。然而在工程實踐中，對于設(shè)計及施工人員而言，確定隧道開挖引起的土體潛在滑移面是一項較為繁雜的工作，他們更愿意接受更直觀的設(shè)計方案。顯然，相比于確定滑移面位置，隧道深度和洞徑是更為直觀的參數(shù)，同時根據(jù)工程經(jīng)驗，在進行隔離樁設(shè)計時，也會參考隧道的埋深進行相應(yīng)的設(shè)計。

基于此，為確定隔離樁的合理樁長，本文定義隔離樁埋深比為：

式中：L為隔離樁樁長，m；為隧道覆土厚度，m；為隧道直徑，m。

本文基于前述數(shù)值模型，分別計算了隧道不同覆跨比(/)下采用不同長度隔離樁時的隔離效果，計算結(jié)果如圖6所示。計算時隧道直徑根據(jù)常見城市地鐵隧道取=6.0 m。

圖6 不同覆跨比及不同樁長下的隔離效果

由圖6可見，為使隔離樁具有一定的隔離效果應(yīng)至少取隔離樁埋深比≥1，即隔離樁應(yīng)至少埋入至隧道底部。但隨著隧道埋深的進一步增加，這一長度下的隔離樁并不能取得良好的隔離效果(＜0.8)?？傮w來看，當隔離樁埋深比達到1.2以上時，就能達到理想的隔離效果(>0.8)，能明顯降低隧道開挖對鄰近敏感建(構(gòu))筑物的影響，能有效保護鄰近建(構(gòu))筑物。因此，本文基于大量的數(shù)值計算，建議在設(shè)計及施工時取隔離樁樁長為L=1.2(+)。

5 結(jié)論

1) 通過正交設(shè)計，對隔離樁樁長、距隧道距離、樁徑及樁彈模4個主要的設(shè)計參數(shù)進行了4因素4水平的數(shù)值試驗，對試驗結(jié)果進行了方差分析和顯著性檢驗，結(jié)果表明樁長是隔離樁最關(guān)鍵的參數(shù)，對隔離樁的隔離效果影響最為顯著，相對而言其余3個參數(shù)對隔離效果的影響并不明顯。

2) 根據(jù)因子影響水平的顯著性檢驗結(jié)果對隔離樁的樁長設(shè)計進行了優(yōu)化。計算了隧道不同覆跨比(/)下采用不同長度的隔離樁所得到的隔離系數(shù)，結(jié)果表明當隔離樁樁長取1.2倍的隧底埋深時，隔離系數(shù)>0.8，能達到良好的隔離效果，建議取隔離樁合理樁長為L=1.2(+)，其中為隧道覆土厚度，為隧道直徑。

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Optimum design of isolation pile in tunnel close-spaced construction based on orthogonal test

WANG Zuxian1, SHI Chenghua1, CHEN Gang2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. China First Highway Engineering Company Ltd, Beijing 100024, China)

As a main construction control measure, isolation piles are widely used in the construction of tunnel adjacent sensitive buildings. However, there is no specification for the design of isolation piles. The current design of isolation piles is mainly based on experience. In view of this situation, the orthogonal test was carried out for the four main factors affecting the isolation effect of isolation piles, which were the length of piles, the distance from tunnels, the diameter of piles and the elastic modulus of piles. The isolation coefficient was defined as an experimental index to characterize the isolation effect of isolation piles, and the influence degree of each factor on the isolation effect of isolation piles was analyzed and evaluated. The test results were analyzed by variance analysis and significance test. The results show that the length of the pile is the most important factor affecting the isolation effect of the isolation pile, while the other three factors have no significant impact on the isolation effect of the isolation pile. Based on the evaluation of the influencing factors of isolation piles, the reasonable length of isolation piles is optimized. It is suggested that the isolation effect is better when the length of isolation piles is 1.2 times of the depth of tunnel bottom.

isolation pile; orthogonal design; optimum design; reasonable pile length

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190807

TU473

A

1672 ? 7029(2020)07 ? 1785 ? 07

2019?09?10

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFB1201204)

施成華(1973?)，男，安徽黃山人，教授，博士，從事隧道與地下工程方面的教學(xué)與科研工作；E?mail：csusch@163.com

(編輯 陽麗霞)