曹 洋，崔 洋

（1.中國(guó)建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110055；2.中建東設(shè)巖土有限公司，遼寧沈陽(yáng) 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(jìn)行的商業(yè)開(kāi)發(fā)大多需要進(jìn)行基坑工程施工，地鐵線路必不可免地會(huì)遭受基坑開(kāi)挖所產(chǎn)生的影響。魏綱等[1]分析了大型深基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵隧道的影響規(guī)律以及加固措施的效果，提出預(yù)測(cè)隧道水平位移的經(jīng)驗(yàn)公式。許四法等[2]對(duì)隧道變形從基坑開(kāi)始施工至結(jié)束開(kāi)挖的全過(guò)程進(jìn)行了分析，建議縮短實(shí)際工程中各施工階段的間隙。況龍川等[3-4]通過(guò)對(duì)上海某廣場(chǎng)項(xiàng)目實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)在隧道旁側(cè)開(kāi)挖深基坑，隧道會(huì)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(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)廣州某基坑開(kāi)挖對(duì)臨近運(yùn)營(yíng)地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形位移，利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)科學(xué)指導(dǎo)基坑施工，保證了地鐵運(yùn)營(yíng)安全。丁智等[6]將這些隧道保護(hù)技術(shù)歸納為主動(dòng)控制（優(yōu)化施工方案）和被動(dòng)控制（防護(hù)加固）兩大類。張連震[7]通過(guò)試驗(yàn)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(shí)間的變化規(guī)律。酈亮等[8]開(kāi)展了寧波軌道交通的注漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，揭示了注漿對(duì)隧道的保護(hù)機(jī)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(hù)措施的參數(shù)選取，本文研究結(jié)論為砂土地區(qū)工程實(shí)踐提供了參考價(jià)值。

1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及模型的建立

1.1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

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(zhǎng)100.8 m，基坑開(kāi)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(duì)位置見(jiàn)圖1?？紤]到城市內(nèi)地下管線情況復(fù)雜，且地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)高，基坑支護(hù)采用排樁結(jié)合內(nèi)支撐的支護(hù)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(duì)位置圖（單位：m）

1.2 數(shù)值模型的建立

1.2.1 模型計(jì)算參數(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

為便于研究取半個(gè)基坑建立模型，即有限元模型中基坑長(zhǎng)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(jiàn)表1。地鐵隧道所處地層選取沈陽(yáng)地區(qū)具有代表性的中粗砂地層進(jìn)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(kù)倫模型，土層參數(shù)見(jiàn)表2，有限元模型結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)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(hù)結(jié)構(gòu)及隔離柱計(jì)算參數(shù)

表2 土層物理力學(xué)計(jì)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(kāi)挖工況設(shè)置

有限元模型中深基坑開(kāi)挖步序見(jiàn)表3。

表3 基坑開(kāi)挖步序

1.2.3 隔離樁參數(shù)及工況設(shè)計(jì)

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(zhǎng)h、隔離樁樁頂埋深ht，參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表4，根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)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(jìn)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(jì) 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(jì)見(jiàn)表5。共設(shè)置20 組工況，其中當(dāng)Lt為12 m 時(shí)，對(duì)照組為Q0-1，其他工況編號(hào)為W1-1 ～W1-9；當(dāng)Lt為18 m 時(shí)，對(duì)照組為Q0-2，其他工況編號(hào)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(jì)

在地鐵隧道與基坑臨近的100.8 m 長(zhǎng)度范圍內(nèi)模擬注漿加固，注漿區(qū)域?yàn)橐画h(huán)形柱體，注漿截面見(jiàn)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(duì)比了3 種注漿體的保護(hù)效果，其計(jì)算參數(shù)見(jiàn)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(xué)參數(shù)，研究參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表7，工況設(shè)計(jì)見(jiàn)表8。共設(shè)置20組工況，其中當(dāng)Lt為6 m，對(duì)照組為Q0-3，其他工況編號(hào)為S1-1 ～S1-9；當(dāng)Lt為12 m，對(duì)照組為Q0-1，其他工況編號(hào)為S2-1 ～S2-9。

表7 注漿加固研究參數(shù)設(shè)計(jì) 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(hù)措施應(yīng)用效果分析

2.1 隔離樁保護(hù)效果分析

2.1.1 Lt=12 m

基坑-地鐵隧道水平距離為12 m，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9（計(jì)算結(jié)果以遠(yuǎn)離基坑方向?yàn)檎较颍?。由?，對(duì)比Q0-1、W1-1、W1-4、W1-7，不設(shè)置隔離樁時(shí)，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(shì)與y1一致。

表9 Lt=12 m時(shí)隔離樁保護(hù)計(jì)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(duì)比圖，工況Q0-1 即不采取任何保護(hù)措施的情況下，地鐵隧道左拱腰水平位移最大達(dá)-5.30 mm，超過(guò)了參考警戒值-5.00 mm 需要設(shè)置保護(hù)措施。在所設(shè)計(jì)的8 種不同隔離樁參數(shù)組合中，W1-3（樁長(zhǎng)20 m，樁頂埋深10 m）、W1-5（樁長(zhǎng)30 m，樁頂埋深5 m）、W1-8（樁長(zhǎng)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(shí)隔離樁保護(hù)各工況下地鐵隧道近基坑側(cè)拱腰水平位移對(duì)比圖

2.1.2 Lt=18 m

基坑-地鐵隧道水平距離為18 m，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表10（計(jì)算結(jié)果以遠(yuǎn)離基坑方向?yàn)檎较颍??；娱_(kāi)挖對(duì)地鐵隧道所造成的影響較小，其中在不施加任何保護(hù)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(shí)計(jì)算結(jié)果 單位：mm

2.2 注漿加固保護(hù)效果分析

2.2.1 Lt=6 m

首先針對(duì)基坑-地鐵隧道水平距離為6 m 時(shí)的9 組有限元模型進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表11（計(jì)算結(jié)果以遠(yuǎn)離基坑方向?yàn)檎较颍Ｓ捎诖藭r(shí)地鐵隧道中線與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)邊線距離僅6 m，地鐵隧道受到基坑開(kāi)挖的影響較大。當(dāng)注漿區(qū)域?qū)挾菳為1 m 時(shí)，針對(duì)地鐵隧道近基坑側(cè)拱腰水平位移y1僅有S1-3（③號(hào)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(duì)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(duì)比見(jiàn)圖5。由于地鐵隧道與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)邊線凈距僅3 m，地鐵隧道受到基坑開(kāi)挖的影響較大，由圖5 可看出，針對(duì)地鐵隧道近基坑側(cè)拱腰水平位移y1，當(dāng)注漿區(qū)域?qū)挾菳為1 m 時(shí)，僅有S1-3（③號(hào)注漿體）為9.28 mm小于位移預(yù)警值，減小12.95%；采用②號(hào)注漿體的S1-2 僅減小0.94%，采用①號(hào)注漿體的S1-1，反而增大了14.92%；當(dāng)注漿區(qū)域?qū)挾菳為2 m 時(shí)，S1-5（②號(hào)注漿體）及S1-6（③號(hào)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(dāng)注漿區(qū)域?qū)挾菳為3 m 時(shí)，S1-8（②號(hào)注漿體）以及S1-9（③號(hào)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(duì)基坑-地鐵隧道水平距離為12 m 時(shí)的9 組有限元模型進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表12（計(jì)算結(jié)果以遠(yuǎn)離基坑方向?yàn)檎较颍?/p>

圖6 為各工況下地鐵隧道近基坑側(cè)拱腰水平位移y1對(duì)比圖，當(dāng)基坑-隧道水平距離為12 m 時(shí)，采取注漿加固措施具有較為明顯的效果，針對(duì)地鐵隧道近基坑側(cè)拱腰水平位移y1，當(dāng)注漿區(qū)域?qū)挾菳為1 m 時(shí)，相對(duì)于對(duì)照組Q0-1，S2-1 降低42.08%，S2-2 降低62.28%，S2-3 則降低64.91%；當(dāng)注漿區(qū)域?qū)挾菳為2 m 時(shí)，相對(duì)于對(duì)照組Q0-1，S2-4 降低8.49%，S2-5 降低26.79%，S2-6 則降低39.06%；當(dāng)注漿區(qū)域?qū)挾菳為3 m 時(shí)，相對(duì)于對(duì)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(shí)注漿加固保護(hù)各工況下地鐵隧道近基坑側(cè)拱腰水平位移對(duì)比圖

3 結(jié)論

a）隔離樁樁頂埋深對(duì)其保護(hù)效果具有較大影響，當(dāng)?shù)罔F隧道與基坑水平距離為12 m 時(shí)，對(duì)地鐵隧道保護(hù)效率最佳的隔離樁樁長(zhǎng)為20 m，樁頂埋深為10 m，如果隔離樁樁頂埋深過(guò)淺，將會(huì)產(chǎn)生“牽引效應(yīng)”，帶動(dòng)地鐵隧道產(chǎn)生位移，反而不利于變形控制。

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

c）當(dāng)?shù)罔F隧道與基坑水平距離較近時(shí)，隨著注漿體的黏聚力及變形模量的增加，地鐵隧道保護(hù)效果也逐漸增強(qiáng)，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(dāng)兩者相距12 m 時(shí)，注漿區(qū)域?qū)挾菳為1 m 情況下，地鐵隧道保護(hù)效果整體較好。