砂土基坑开挖下临近地铁隧道变形与保护措施研究

曹 洋，崔 洋

（1.中国建筑东北设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110055；2.中建东设岩土有限公司，辽宁沈阳 110055）

0 引言

城市商业街区发展建设受地铁线路的影响较大，地铁线路的建设为后续商业发展提供了客流保障，而后续进行的商业开发大多需要进行基坑工程施工，地铁线路必不可免地会遭受基坑开挖所产生的影响。魏纲等[1]分析了大型深基坑开挖对地铁隧道的影响规律以及加固措施的效果，提出预测隧道水平位移的经验公式。许四法等[2]对隧道变形从基坑开始施工至结束开挖的全过程进行了分析，建议缩短实际工程中各施工阶段的间隙。况龙川等[3-4]通过对上海某广场项目实测数据的分析，发现在隧道旁侧开挖深基坑，隧道会产生向基坑内的侧移，横截面产生变形。郑立常等[5]通过实时监测广州某基坑开挖对临近运营地铁隧道结构变形位移，利用动态监测数据科学指导基坑施工，保证了地铁运营安全。丁智等[6]将这些隧道保护技术归纳为主动控制（优化施工方案）和被动控制（防护加固）两大类。张连震[7]通过试验获得了砂层渗透注浆加固效果的主控因素及渗透注浆效果随时间的变化规律。郦亮等[8]开展了宁波轨道交通的注浆现场试验，揭示了注浆对隧道的保护机制。

本文共建立了39 组大型三维有限元模型，分别讨论了在不同基坑-地铁隧道水平距离下，不同施工参数的隔离桩及注浆加固的控制效果，分析了不同基坑与地铁隧道空间位置关系下两种保护措施的参数选取，本文研究结论为砂土地区工程实践提供了参考价值。

1 基坑支护设计及模型的建立

1.1 基坑支护设计

本文所研究基坑工程中，既有地铁隧道平行于拟建基坑，基坑长100.8 m，基坑开挖深度为20.0 m，基坑宽58.8 m；地铁隧道埋深固定为18.0 m，基坑与地铁隧道相对位置见图1。考虑到城市内地下管线情况复杂，且地表沉降控制标准高，基坑支护采用排桩结合内支撑的支护形式，共设置4 层内支撑，第1 层为混凝土支撑，第2、3、4 层为钢管内支撑。

图1 基坑与地铁隧道相对位置图（单位：m）

1.2 数值模型的建立

1.2.1 模型计算参数及评价指标的选取

为便于研究取半个基坑建立模型，即有限元模型中基坑长100.8 m，宽29.4 m；地铁隧道模拟地铁隧道，其外径为6.3 m，管片厚0.3 m 结构及材料参数见表1。地铁隧道所处地层选取沈阳地区具有代表性的中粗砂地层进行研究，模型土体分为2 层，土体本构模型采用修正摩尔-库伦模型，土层参数见表2，有限元模型结构示意见图2。相关规范中明确需控制的参数，包括地铁隧道近基坑侧拱腰水平位移y1及地铁隧道水平收敛量y2。

表1 隧道结构、基坑支护结构及隔离柱计算参数

表2 土层物理力学计算参数

图2 有限元模型结构示意图

1.2.2 深基坑开挖工况设置

有限元模型中深基坑开挖步序见表3。

表3 基坑开挖步序

1.2.3 隔离桩参数及工况设计

3 组研究参数分别为：基坑-地铁隧道水平距离Lt、隔离桩长h、隔离桩桩顶埋深ht，参数设计见表4，根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ∕T 202—2013）[9]中规定，地下结构外侧3 m 范围内不能进行工程桩的施工，因此隔离桩施工工况中与隧道的净距不设置3 m 的工况。

表4 隔离桩研究参数设计 单位：m

为研究不同参数组合下，地铁隧道的变形控制效果，在2 种基坑-地铁隧道水平距离Lt下各设置9 组不同工况，工况设计见表5。共设置20 组工况，其中当Lt为12 m 时，对照组为Q0-1，其他工况编号为W1-1 ～W1-9；当Lt为18 m 时，对照组为Q0-2，其他工况编号为W2-1 ～W2-9。

表5 不同基坑-地铁隧道水平距离下隔离桩工况 单位：m

1.2.4 注浆加固参数及工况设计

在地铁隧道与基坑临近的100.8 m 长度范围内模拟注浆加固，注浆区域为一环形柱体，注浆截面见图3（图中R为地铁隧道外径、B为注浆区域宽度）。

图3 注浆截面示意图

本文对比了3 种注浆体的保护效果，其计算参数见表6所示。

表6 注浆参数

研究变量为基坑-地铁隧道水平距离Lt、注浆加固区域宽度B及注浆体物理力学参数，研究参数设计见表7，工况设计见表8。共设置20组工况，其中当Lt为6 m，对照组为Q0-3，其他工况编号为S1-1 ～S1-9；当Lt为12 m，对照组为Q0-1，其他工况编号为S2-1 ～S2-9。

表7 注浆加固研究参数设计 单位：m

表8 不同基坑-地铁隧道水平距离下注浆加固工况

2 地铁隧道保护措施应用效果分析

2.1 隔离桩保护效果分析

2.1.1 Lt=12 m

基坑-地铁隧道水平距离为12 m，计算结果见表9（计算结果以远离基坑方向为正方向）。由表9，对比Q0-1、W1-1、W1-4、W1-7，不设置隔离桩时，地铁隧道近基坑侧拱腰水平位移y1最大为5.30 mm，W1-1 为6.33 mm（增大19.43%），W1-4 为6.07 mm（增大14.53%），W1-7 为5.89 mm（增大11.13%），地铁隧道水平收敛量y2的变化趋势与y1一致。

表9 Lt=12 m时隔离桩保护计算结果 单位：mm

图4 为各工况下地铁隧道左拱腰水平位移对比图，工况Q0-1 即不采取任何保护措施的情况下，地铁隧道左拱腰水平位移最大达-5.30 mm，超过了参考警戒值-5.00 mm 需要设置保护措施。在所设计的8 种不同隔离桩参数组合中，W1-3（桩长20 m，桩顶埋深10 m）、W1-5（桩长30 m，桩顶埋深5 m）、W1-8（桩长40 m，桩顶埋深5 m）能够有效减小地铁隧道左拱腰水平位移，使其能够小于参考警戒值-5.00 mm。

图4 Lt=12 m时隔离桩保护各工况下地铁隧道近基坑侧拱腰水平位移对比图

2.1.2 Lt=18 m

基坑-地铁隧道水平距离为18 m，计算结果见表10（计算结果以远离基坑方向为正方向）。基坑开挖对地铁隧道所造成的影响较小，其中在不施加任何保护措施的情况下（Q0-2）地铁隧道近基坑侧拱腰水平位移为1.51 mm。设置隔离桩后，地铁隧道近基坑侧拱腰水平位移最小降为1.23 mm（W2-7）。

表10 Lt=18 m时计算结果 单位：mm

2.2 注浆加固保护效果分析

2.2.1 Lt=6 m

首先针对基坑-地铁隧道水平距离为6 m 时的9 组有限元模型进行分析，计算结果见表11（计算结果以远离基坑方向为正方向）。由于此时地铁隧道中线与基坑支护结构边线距离仅6 m，地铁隧道受到基坑开挖的影响较大。当注浆区域宽度B为1 m 时，针对地铁隧道近基坑侧拱腰水平位移y1仅有S1-3（③号注浆体）为9.28 mm 小于规范中规定的位移预警值，相对于Q0-3 减小12.95%。

各工况下地铁隧道近基坑侧拱腰水平位移y1对比见图5。由于地铁隧道与基坑支护结构边线净距仅3 m，地铁隧道受到基坑开挖的影响较大，由图5 可看出，针对地铁隧道近基坑侧拱腰水平位移y1，当注浆区域宽度B为1 m 时，仅有S1-3（③号注浆体）为9.28 mm小于位移预警值，减小12.95%；采用②号注浆体的S1-2 仅减小0.94%，采用①号注浆体的S1-1，反而增大了14.92%；当注浆区域宽度B为2 m 时，S1-5（②号注浆体）及S1-6（③号注浆体）分别为8.40 mm 和7.25 mm，小于位移预警值，S1-5 与S1-6 分别减小21.93%、32.62%；当注浆区域宽度B为3 m 时，S1-8（②号注浆体）以及S1-9（③号注浆体）分别为8.01 mm 和6.90 mm，S1-8 及S1-9 分别减小25.56%、35.87%。

2.2.2 Lt=12 m

对基坑-地铁隧道水平距离为12 m 时的9 组有限元模型进行分析，计算结果见表12（计算结果以远离基坑方向为正方向）。

图6 为各工况下地铁隧道近基坑侧拱腰水平位移y1对比图，当基坑-隧道水平距离为12 m 时，采取注浆加固措施具有较为明显的效果，针对地铁隧道近基坑侧拱腰水平位移y1，当注浆区域宽度B为1 m 时，相对于对照组Q0-1，S2-1 降低42.08%，S2-2 降低62.28%，S2-3 则降低64.91%；当注浆区域宽度B为2 m 时，相对于对照组Q0-1，S2-4 降低8.49%，S2-5 降低26.79%，S2-6 则降低39.06%；当注浆区域宽度B为3 m 时，相对于对照组Q0-1，S2-7 降低25.85%，S2-8 降低46.23%，S2-9 则降低56.79%。

图6 Lt=12 m时注浆加固保护各工况下地铁隧道近基坑侧拱腰水平位移对比图

3 结论

a）隔离桩桩顶埋深对其保护效果具有较大影响，当地铁隧道与基坑水平距离为12 m 时，对地铁隧道保护效率最佳的隔离桩桩长为20 m，桩顶埋深为10 m，如果隔离桩桩顶埋深过浅，将会产生“牵引效应”，带动地铁隧道产生位移，反而不利于变形控制。

b）对比不同基坑-地铁隧道水平距离下各工况，隔离桩对地铁隧道的变形改善均不足1 mm，考虑实际工程中工期成本以及施工场地紧张等因素，不建议在基坑开挖的弱影响区域设置隔离桩。

c）当地铁隧道与基坑水平距离较近时，随着注浆体的黏聚力及变形模量的增加，地铁隧道保护效果也逐渐增强，但随着水平距离的增加，增大注浆区域宽度并不能很好地起到降低地铁隧道变形的作用，当两者相距12 m 时，注浆区域宽度B为1 m 情况下，地铁隧道保护效果整体较好。