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

0 引言

城市商業街區發展建設受地鐵線路的影響較大，地鐵線路的建設為后續商業發展提供了客流保障，而后續進行的商業開發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律以及加固措施的效果，提出預測隧道水平位移的經驗公式。許四法等[2]對隧道變形從基坑開始施工至結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據的分析，發現在隧道旁側開挖深基坑，隧道會產生向基坑內的側移，橫截面產生變形。鄭立常等[5]通過實時監測廣州某基坑開挖對臨近運營地鐵隧道結構變形位移，利用動態監測數據科學指導基坑施工，保證了地鐵運營安全。丁智等[6]將這些隧道保護技術歸納為主動控制（優化施工方案）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律。酈亮等[8]開展了寧波軌道交通的注漿現場試驗，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系下兩種保護措施的參數選取，本文研究結論為砂土地區工程實踐提供了參考價值。

1 基坑支護設計及模型的建立

1.1 基坑支護設計

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合內支撐的支護形式，共設置4 層內支撐，第1 層為混凝土支撐，第2、3、4 層為鋼管內支撐。

圖1 基坑與地鐵隧道相對位置圖（單位：m）

1.2 數值模型的建立

1.2.1 模型計算參數及評價指標的選取

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 結構及材料參數見表1。地鐵隧道所處地層選取沈陽地區具有代表性的中粗砂地層進行研究，模型土體分為2 層，土體本構模型采用修正摩爾-庫倫模型，土層參數見表2，有限元模型結構示意見圖2。相關規范中明確需控制的參數，包括地鐵隧道近基坑側拱腰水平位移y1及地鐵隧道水平收斂量y2。

表1 隧道結構、基坑支護結構及隔離柱計算參數

表2 土層物理力學計算參數

圖2 有限元模型結構示意圖

1.2.2 深基坑開挖工況設置

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 隔離樁參數及工況設計

3 組研究參數分別為：基坑-地鐵隧道水平距離Lt、隔離樁長h、隔離樁樁頂埋深ht，參數設計見表4，根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ∕T 202—2013）[9]中規定，地下結構外側3 m 范圍內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置3 m 的工況。

表4 隔離樁研究參數設計 單位：m

為研究不同參數組合下，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下各設置9 組不同工況，工況設計見表5。共設置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 注漿加固參數及工況設計

在地鐵隧道與基坑臨近的100.8 m 長度范圍內模擬注漿加固，注漿區域為一環形柱體，注漿截面見圖3（圖中R為地鐵隧道外徑、B為注漿區域寬度）。

圖3 注漿截面示意圖

本文對比了3 種注漿體的保護效果，其計算參數見表6所示。

表6 注漿參數

研究變量為基坑-地鐵隧道水平距離Lt、注漿加固區域寬度B及注漿體物理力學參數，研究參數設計見表7，工況設計見表8。共設置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 注漿加固研究參數設計 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，計算結果見表9（計算結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，不設置隔離樁時，地鐵隧道近基坑側拱腰水平位移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 需要設置保護措施。在所設計的8 種不同隔離樁參數組合中，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，計算結果見表10（計算結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）地鐵隧道近基坑側拱腰水平位移為1.51 mm。設置隔離樁后，地鐵隧道近基坑側拱腰水平位移最小降為1.23 mm（W2-7）。

表10 Lt=18 m時計算結果 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，計算結果見表11（計算結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構邊線距離僅6 m，地鐵隧道受到基坑開挖的影響較大。當注漿區域寬度B為1 m 時，針對地鐵隧道近基坑側拱腰水平位移y1僅有S1-3（③號注漿體）為9.28 mm 小于規范中規定的位移預警值，相對于Q0-3 減小12.95%。

各工況下地鐵隧道近基坑側拱腰水平位移y1對比見圖5。由于地鐵隧道與基坑支護結構邊線凈距僅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拱腰水平位移y1，當注漿區域寬度B為1 m 時，僅有S1-3（③號注漿體）為9.28 mm小于位移預警值，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%；當注漿區域寬度B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，小于位移預警值，S1-5 與S1-6 分別減小21.93%、32.62%；當注漿區域寬度B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，計算結果見表12（計算結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拱腰水平位移y1，當注漿區域寬度B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%；當注漿區域寬度B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%；當注漿區域寬度B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拱腰水平位移對比圖

3 結論

a）隔離樁樁頂埋深對其保護效果具有較大影響，當地鐵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，將會產生“牽引效應”，帶動地鐵隧道產生位移，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域設置隔離樁。

c）當地鐵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，增大注漿區域寬度并不能很好地起到降低地鐵隧道變形的作用，當兩者相距12 m 時，注漿區域寬度B為1 m 情況下，地鐵隧道保護效果整體較好。