坑内加固体对基坑及邻近地铁隧道的影响分析

肖信霈 周灿朗 张国学

(1.佛山科学技术学院土木工程系，广东佛山 528000； 2.佛山轨道交通设计研究院有限公司， 广东佛山 510010)

随着人们对城市空间需求的不断增加，各种基坑工程日益增多。基坑开挖的工况也越来越复杂：地质条件差、基坑开挖深、周边建构筑物密集等，在保证基坑开挖安全的同时，还需考虑对周边建构筑物的影响。由于基坑开挖的卸载作用，基坑周边土体向基坑内移动，使周边建构筑物发生相应的变形，结构可能被破坏。为了减小围护结构变形，提高基坑的整体稳定性，可选择在坑内进行加固。坑内加固对周边建构筑物的影响不容忽视，有些学者针对具体问题做了相关研究：吴才德[1-4]等分析了软土地区地基开挖引起的邻近隧道变形，得到不同基坑尺寸、隧道与基坑的相对位置对邻近隧道的变形影响规律；郑刚[5]等研究了不同围护结构变形模式对坑外既有隧道变形的影响，认为在围护结构最大变形相同而变形模式不同的情况下，悬臂型模式对坑外隧道位移影响最小，踢脚型模式最大，内凸型与复合型居中；高鹏[6]研究了不同加固方式对深基坑的影响，认为满堂、格栅、抽条、裙边这四种加固方式对抑制坑底隆起作用依次减小，对减小围护结构变形的效果差别不大；曹力桥[7]对软土地区基底隆起进行有限元分析，结果表明：降水开挖时基坑会出现塑性隆起，不降水开挖时基底中部隆起位移最大；张陈蓉[10-12]等研究了基坑开挖对附近地下管线的影响，分析了基坑开挖过程中地下管线、桩基的变形规律；魏祥[13-14]等研究了基坑加固对桩基侧向位移的影响，分析了淤泥质土的压缩模量随压力、时间的变化规律以及不同加固体尺寸对桩基变形的影响规律。但坑内加固体对邻近隧道的影响研究鲜有报道。结合具体实际工程，探讨不同加固宽度、深度对基坑变形和邻近隧道变形的影响，以得到最优的加固尺寸参数。

1 工程概况和加固方案

佛山地铁三号线美旗站-水口站区间位于佛山金辉悠步熙园B区南侧，采用土压平衡盾构法施工。区间顶部覆土约22.00 m，底部埋深28.20 m，管片外径为6.2 m，厚度为380 mm。

悠步熙园项目基坑为不规则几何形状，平行于隧道最长为90 m，垂直于隧道最长为120 m，放坡高度为2.6 m，坡度为1∶1.5，平均深度为5 m。

基坑和隧道最小净距为15 m， 隧道受影响长度约185 m，主要土层为：①素填土、②粉细砂、③淤泥质土和④强风化泥质粉砂岩。素填土层比较薄，计算时按粉细砂考虑，两层土共厚7.5 m，淤泥质土层厚27.8 m，强风化泥质粉砂岩厚12.5 m，地层条件较差，易产生压缩变形。

表1 土层物理力学参数

临近地铁区间的一侧采用放坡开挖和φ800@1 000灌注桩(包括1根长桩，3根短桩，长桩长42 m，短桩长25 m支护)，其它的边采用放坡开挖和φ850@1 550三轴搅拌桩内插钢管的支护形式，围护结构外围采用φ850@1 550三轴搅拌桩的止水帷幕，基底采用φ600@450×450三轴搅拌桩裙边加固。土层物理力学参数如表1。隧道与基坑关系如图1、图2。

图1 基坑与隧道平面关系(单位：m)

图2 基坑与隧道剖面关系(单位：m)

2 数值计算结果分析

2.1 计算步骤与模型

在数值模拟分析时，根据基坑施工工况、隧道与基坑的结构关系以及围护结构建立二维平面模型。模型宽度为250 m，高度为50 m，土层单元尺寸约为0.5 m×0.5 m。

土体采用摩尔库伦屈服准则、平面应变单元模拟(受拉为正)，屈服函数为

F=(δ1-δ3)+(δ1+δ3)sinφ-2ccosφ

(1)

式中c——土体屈服时的黏聚力；

φ——土体屈服时的内摩擦角。

盾构管片和围护结构采用梁单元模拟。盾构管片厚0.3 m(材料为C50)；围护结构材料为C30。

建模分两种思路。

思路一：加固宽度取3 m，加固深度分别取0 m、5 m、10 m、15 m、20 m，计算基坑隆起高度与隧道变形。

思路二：加固深度取10 m，加固宽度分别取0 m、3 m、6 m、9 m、15 m，计算基坑隆起高度与隧道变形。

施工步骤如表2，网格模型如图3。

表2 施工步骤

图3 基坑与隧道的网格模型

2.2 加固体对基坑的影响分析

在上述地质状况、围护结构和施工工况下进行模拟计算，得到基坑的塑性隆起及最大位移位置(如图4)。

图4 基坑土体变形云图

分别按思路一和思路二模拟计算，得到的基坑变形曲线如图5、图6。

图5 不同加固深度基坑最大位移的改变

图6 不同加固宽度基坑最大位移的改变

由图5、图6可知，在软土基坑没有加固的情况下，计算模型无法收敛。

基坑加固宽度取3 m，随着加固深度的增加，基坑隆起高度减小，在加固深度5～15 m范围内，基坑隆起高度下降缓慢，当加固深度大于15 m，基坑隆起高度大幅度降低。随着加固深度的增加，基坑在X方向的位移和总位移的变化趋势和基坑隆起变化趋势基本一致。

基坑加固深度取10 m，随着加固宽度增加，基坑隆起高度降低，加固宽度在3～6 m范围内，基坑隆起高度下降较快；加固宽度大于6 m时，基坑隆起高度下降缓慢。X方向位移与总位移变化趋势与基坑隆起基本一致；即随着加固尺寸的增加，基坑各方向位移同等程度缩小。

综上所述，增大加固宽度比增加加固深度对基坑隆起抑制效果更显著。经计算，加固宽度大约取6 m，加固深度大约取15 m，加固效果最佳。

2.3 加固体对隧道变形的影响分析

基坑开挖对邻近隧道的影响可用隧道位移指标来分析。根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T202—2013)，坑外既有隧道水平位移和竖向位移的预警值定为±10 mm，控制值定为±20 mm。隧道的变形形状及最大位移位置如图7，隧道产生的变形结果如图8、图9。

图7 盾构管片变形云图

图8 不同加固深度隧道最大位移的改变

图9 不同加固宽度隧道最大位移的改变

由图8、图9可知，加固宽度取3 m，随着加固深度的增加，Z方向的位移在3.1 mm左右波动，X方向位移在6.3 mm左右波动，隧道整体向右移动2.5 mm。加固深度取10 m，随着加固宽度的增加，Z方向位移在3.5 mm左右波动，X方向位移增加至7.6 mm，隧道整体向上移动0.4 mm，向右移动4 mm。

由以上分析可知，在没有进行基坑加固的情况下，隧道总位移相对较小，但是基坑位移无法收敛；基坑加固后，隧道总位移增大。加固宽度取3 m时，随着加固深度的增加，隧道管片位移在6.5 mm左右波动。加固深度取10 m时，随着加固宽度的增加，隧道总位移小幅度上升至8.03 m。因此，在实际工程中，应重点考虑加固体对邻近建构筑物的影响。

3 加固过程分析

为了减小围护结构变形，提高基坑的整体稳定性，本项目采用三轴搅拌桩裙边加固。隧道位移的变化过程可通过模型中土层位移等值线云图进行分析(如图10～图13)。

图10 未加固土体位移等值云图

图11 加固体宽3 m，深10 m;土体等值云图

图12 加固体宽3 m，深20 m;土体等值云图

图13 加固体宽15 m，深10 m;土体等值云图

由图10～图13可知，没有进行加固时，土层位移等值云图呈两个“V字形”，影响范围小；土体加固后，土体位移云图变为“U字形”，影响范围变大。

加固宽度取3 m，随着加固深度变化到20 m。 “U字形”范围扩大，但与隧道仍有距离；加固深度取10 m，随着加固宽度的增加，“U字形”范围扩大至穿过隧道，对隧道的影响明显变大。隧道总位移随加固体深度变化在6.5 mm左右波动，而随着加固宽度的增加，位移小幅度增大后维持在8.03 mm。

4 结论

以悠步熙园基坑项目为依托，分析不同加固体尺寸对基坑本身以及邻近隧道的影响，得到如下结论：

(1)在软土地基中地基加固效果明显。当加固宽度取3 m时，加固深度从5 m增加到20 m，基坑隆起高度从174 mm下降至110 mm。加固深度取10 m时，加固宽度从3 m增加到15 m，基坑隆起高度从165 mm下降至40 mm。加固宽度对基底隆起的抑制效果为加固深度的2.5倍。基坑加固过程中，基坑各方向位移同等程度缩小。

(2)加固宽度取3 m，加固深度在5～15 m范围时基坑隆起高度下降缓慢，大于15 m时下降较快。加固深度取10 m，加固宽度在小于6 m的范围内基坑隆起高度下降较快，大于6 m时下降缓慢。

(3)基底加固后，加固体改变了基坑外侧荷载的应力释放路径，土层影响范围增大，隧道位移增加，在加固宽度保持3 m时增加加固深度，隧道总位移比未加固状态增大68.7%，在6.5 mm左右波动，隧道整体向右移动2.5 mm。在加固深度保持10 m时增大加固宽度，隧道总位移比未加固状态增大93.5%，达到8.03 mm，隧道整体向上移动0.4 mm，向右移动4 mm。隧道位移变化处在安全范围。

(4)综合考虑基坑隆起高度和邻近隧道的变形，加固宽度取6 m，加固深度取15 m。