歐陽鴻志 陳森 郝結(jié)平 羅如平

摘要：文章以南昌地鐵四號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間隧道側(cè)下穿鄰近既有建筑物樁基為研究對(duì)象，采用Plaxis 3D數(shù)值模擬方法研究了上軟下硬復(fù)合地層中隔離樁的變形防護(hù)效果，并對(duì)未設(shè)隔離樁及14種不同工況隔離樁進(jìn)行三維數(shù)值對(duì)比分析。結(jié)果表明：隔離樁與盾構(gòu)隧道水平距離越近，與鄰近建筑樁基水平距離越遠(yuǎn)，其對(duì)鄰近樁基變形的防護(hù)效果越為明顯；隔離樁底部最優(yōu)設(shè)置深度為隧道底部以下1/4隧道直徑與3/4隧道直徑之間；隔離樁底部深度確定時(shí)，其頂部插入地面以下7 m深度范圍均能起到較好的防護(hù)效果。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；隔離樁；復(fù)合地層；數(shù)值模擬；防護(hù)效果

中圖分類號(hào)：U455.43A411396

0引言

隨著我國地鐵建設(shè)快速發(fā)展，伴隨著地鐵建設(shè)出現(xiàn)的工程問題也層出不窮。例如，地鐵建設(shè)通常遍布于城市建筑物密集區(qū)，隧道掘進(jìn)過程中會(huì)不可避免地穿越隧道鄰近建筑物，對(duì)鄰近建筑物產(chǎn)生一定的影響［1-2］?；诖?，在隧道建設(shè)過程中如何確保鄰近建筑物的安全是需要重點(diǎn)考慮的問題之一。由于隔離樁具有形式多樣、強(qiáng)度較高、質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此在地鐵建設(shè)環(huán)境保護(hù)方面應(yīng)用較為廣泛，尤其是當(dāng)盾構(gòu)隧道近距離穿越鄰近建（構(gòu)）筑物時(shí)，隔離樁成為降低盾構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境影響的重要防護(hù)措施之一。

對(duì)于盾構(gòu)隧道下穿鄰近建（構(gòu)）筑物時(shí)隔離樁的防護(hù)效果，相關(guān)學(xué)者作了一定探討與分析［3-5］。史淵等［6］分析了隔離樁對(duì)雙線盾構(gòu)近距離側(cè)穿高鐵橋梁樁基的變形控制影響；紀(jì)茜堯等［7］對(duì)埋入式隔離樁力學(xué)性能和隔離效果進(jìn)行了分析研究；奎耀等［8］分析了隔離樁對(duì)隧道引起建筑物沉降的影響和隔離樁對(duì)控制建筑物變形的效果；馮國輝等［9］采用差分法，利用Maple數(shù)學(xué)運(yùn)算軟件進(jìn)行案例分析，表明當(dāng)隔離樁彈性模量較小時(shí)，Pasternak地基模型計(jì)算結(jié)果比Winkler地基模型更加精準(zhǔn)；陳發(fā)東［10］利用Midas GTS數(shù)值模擬方法對(duì)盾構(gòu)施工引起的鄰近樁基及土體變形響應(yīng)進(jìn)行了研究，分析了盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)既有樁基的影響機(jī)理，并對(duì)盾構(gòu)引起周圍土體變形破壞（塑性）區(qū)演變特征進(jìn)行了研究；吳鎮(zhèn)等［11］通過現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)結(jié)果的一致性，驗(yàn)證了數(shù)值模擬和室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性；Ledesma［12］等采用解析方法求解了隔離樁約束下土體的豎向變形，其解析模型較為簡化，也未能考慮土體泊松比、內(nèi)摩擦角對(duì)隔離樁發(fā)揮阻隔效應(yīng)的影響。

上述研究所針對(duì)的地層條件主要是單一均質(zhì)地層，關(guān)于復(fù)合地層中盾構(gòu)隧道側(cè)穿鄰近建筑樁基隔離樁防護(hù)效果研究較少。南昌地區(qū)具有典型的上軟下硬復(fù)合地層條件，上部一般為雜填土、黏土或砂土等較為軟弱土層，下部一般為較為堅(jiān)硬的泥巖或粉質(zhì)泥巖，其強(qiáng)度高，具有較好的嵌固作用。相對(duì)于均質(zhì)地層條件下設(shè)置的隔離樁深度，在滿足工程要求情況下，復(fù)合地層可減小隔離樁的設(shè)置深度。鑒于此，本文以南昌地鐵四號(hào)線人民公園站至上沙溝站區(qū)間盾構(gòu)隧道側(cè)下穿南昌市市容環(huán)境服務(wù)中心建筑樁基為研究對(duì)象，基于南昌地區(qū)特殊的上軟下硬復(fù)合地層，采用Plaxis 3D軟件建立地層-隧道-隔離樁-鄰近樁基相互作用三維模型，對(duì)未設(shè)置隔離樁與設(shè)置不同工況下的隔離樁進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析了其對(duì)鄰近樁基的變形防護(hù)效果，為相關(guān)類似工程提供參考。

1工程背景

南昌地鐵四號(hào)線人民公園站至上沙溝站區(qū)間線路出人民公園站后，沿賢士一路繼續(xù)北上，下穿南京西路及陽明東路，至賢士湖后線路下穿玉帶河北支及中糧糧庫，下穿二七北路后，接入上沙溝站。整個(gè)區(qū)間線路地層上部多為雜填土、粉質(zhì)黏土、粗砂、礫砂，下部多為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖；洞身穿越礫砂、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，為典型上軟下硬復(fù)合地層。

地鐵四號(hào)線盾構(gòu)左線側(cè)穿南昌市市容環(huán)境服務(wù)中心，其基礎(chǔ)采用人工挖孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑為1.0 m，樁長為10.1 m，隧道埋深為16.6 m，與結(jié)構(gòu)垂直距離為6.0 m，與結(jié)構(gòu)水平距離為3.97 m，鄰近建筑樁基與隧道的位置關(guān)系如圖1所示。為降低盾構(gòu)側(cè)穿引起的鄰近樁基附加變形量，在盾構(gòu)穿越時(shí)采用隔離樁對(duì)既有樁基進(jìn)行隔離防護(hù)。

2有限元模型的建立與計(jì)算

2.1有限元模型

為分析隔離樁的隔離防護(hù)效果，本文采用有限元分析軟件Plaxis 3D建立了地層-隧道-隔離樁-樁基相互作用三維模型，模型尺寸選為：40 m（X）×40 m（Z）×80 m（Y），模型尺寸大小可消除邊界效應(yīng)影響。為提高計(jì)算效率，取整個(gè)隧道的一半進(jìn)行建模計(jì)算。模型邊界采用位移控制邊界條件，其中，底部采用固定邊界，側(cè)面限制其水平位移，上部為自由邊界條件?？紤]實(shí)際工程中盾構(gòu)掘進(jìn)方向所穿越建筑樁基的工程及地質(zhì)條件基本相同，只是穿越先后順序有區(qū)別，為此簡化有限元模型以盾構(gòu)穿越單樁為研究對(duì)象。有限元模型中樁基與隔離樁均采用Plaxis 3D軟件的“Embeded beam”樁單元，其樁土相互作用包括側(cè)摩阻力和端阻力，側(cè)摩阻力和樁端力發(fā)揮大小由樁土相對(duì)位移決定。建立的三維有限元模型如圖2～3所示。

2.2模型參數(shù)取值

數(shù)值模型中，土體采用彈塑性模型，強(qiáng)度準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。土層中含部分夾層，計(jì)算時(shí)適當(dāng)進(jìn)行簡化，根據(jù)詳細(xì)勘察報(bào)告及土體室內(nèi)試驗(yàn)，各土層的土體物理力學(xué)參數(shù)及土層厚度如表1所示。盾構(gòu)、承臺(tái)、樁基、隔離樁及襯砌均采用線彈性本構(gòu)模型，數(shù)值計(jì)算中盾構(gòu)機(jī)采用板單元，承臺(tái)及襯砌均采用實(shí)體單元，樁基與隔離樁均采用Plaxis 3D軟件中的“Embededbeam”樁單元來模擬。主要結(jié)構(gòu)各部分參數(shù)取值如表2所示。

2.3計(jì)算過程及工況

根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究［13］，本文數(shù)值模擬主要研究盾構(gòu)從樁基前20 m至盾構(gòu)完全通過樁基后25 m這一區(qū)間。為確保數(shù)值模擬結(jié)果的精度并結(jié)合實(shí)際盾構(gòu)開挖情況，本文數(shù)值模擬盾構(gòu)每次開挖3 m，考慮盾身長度隧道需開挖54 m，共開挖18步。在簡化盾構(gòu)掘進(jìn)過程基礎(chǔ)上，通過凍結(jié)與激活每一單元及相關(guān)參數(shù)的方法來精細(xì)化模擬每一步開挖，使其更加真實(shí)地反映隧道開挖對(duì)樁基產(chǎn)生的影響。數(shù)值模擬主要步驟包括：對(duì)土體進(jìn)行地應(yīng)力平衡；激活樁基、承臺(tái)及隔離樁，并在樁基承臺(tái)頂部施加均布面荷載，其大小為1 500kPa，方向豎直向下；后續(xù)依次進(jìn)行模擬，盾構(gòu)每步開挖為3 m。

為更好地研究隔離樁在隧道開挖過程中對(duì)樁基不同的影響作用，本文有限元模型計(jì)算考慮隧道與樁基之間設(shè)置距隧道不同水平距離、不同頂部與底部深度的隔離樁及未設(shè)置隔離樁共15種工況條件。

隔離樁采用鉆孔灌注樁，設(shè)置隔離樁的所有工況均以樁基位置為中心向兩側(cè)均勻布置。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究［14］，并結(jié)合本文建筑樁基直徑為1.0 m，隔離樁樁徑取為0.4 m、樁間距取為0.5 m，隔離樁設(shè)置范圍在以樁基為中心位置向兩側(cè)約5倍建筑樁基直徑區(qū)間。因此，本文隔離樁總根數(shù)統(tǒng)一取為21根。隔離樁布置如圖4～5所示。

由于隧道外徑與建筑樁基水平距離為3.97 m，因此將隔離樁分別布置在與隧道水平距離為1.0 m、1.8 m、2.6 m處，考慮隧道底部距地面22.6 m、隧道直徑為6.0 m，取隔離樁底部深度分別為隧道底部深度和隧道底部深度加上1/4倍、1/2倍、3/4倍、1倍隧道直徑；同時(shí)為研究隔離樁頂部不同深度防護(hù)效果，在保持隔離樁其他條件相同時(shí)，依次分別取隔離樁頂部深度為距地面1 m、3 m、5 m、7 m、9 m。因此，結(jié)合隔離樁與隧道不同水平距離、隔離樁的不同頂部與底部深度及未設(shè)置隔離樁共計(jì)15種工況。設(shè)置隔離樁具體工況如表3所示。

3計(jì)算結(jié)果分析

為了研究隔離樁的防護(hù)效果，在其他條件相同時(shí)，分別對(duì)設(shè)置隔離樁（工況1～4）與未設(shè)置隔離樁進(jìn)行計(jì)算，分析設(shè)置隔離樁對(duì)建筑樁基的影響。

3.1樁基水平位移分析

通過對(duì)工況1～4與未設(shè)置隔離樁5種工況的計(jì)算，得到未設(shè)置隔離樁時(shí)盾構(gòu)開挖完成后樁基位置剖面的水平位移云圖如圖6所示；這5種工況下盾構(gòu)開挖完成后建筑樁基的水平位移沿樁身的分布情況如圖7所示。

由圖6～7可知，盾構(gòu)開挖完成后樁基位置剖面處的水平位移范圍為-1.292 mm～+8.408 mm，并且盾構(gòu)開挖完成后最大水平位移均發(fā)生在盾構(gòu)開挖面周圍土體，距離開挖面越遠(yuǎn)土體的位移越小；未設(shè)置隔離樁時(shí)盾構(gòu)開挖完成后建筑樁基的水平位移范圍為+1.425 mm～+2.446 mm，樁基的最大水平位移在樁頂處2.446 mm，最小水平位移在樁端處1.425 mm；工況1條件下樁基水平位移范圍為+1.152 mm～+1.196 mm，最大水平位移在樁頂處1.152 mm、最小水平位移在樁端處1.196 mm，相比未設(shè)置隔離樁時(shí)樁基的水平位移減少51.2%。其他幾種設(shè)置隔離樁工況下樁基的水平位移也均有不同程度的減小，說明設(shè)置隔離樁對(duì)控制樁基水平位移效果良好。

3.2樁基豎向位移分析

根據(jù)工況1～4與未設(shè)置隔離樁這5種工況的計(jì)算結(jié)果，得到未設(shè)置隔離樁時(shí)盾構(gòu)開挖完成后樁基位置剖面的豎向位移情況如圖8所示，提取工況1～4與未設(shè)置隔離樁5種工況下盾構(gòu)開挖每一階段建筑樁基的最大豎向位移情況如圖9所示。

從圖8～9可知，盾構(gòu)開挖完成后樁基位置剖面豎向位移范圍為-16.990 mm～+0.990 mm，與水平位移相同，盾構(gòu)開挖完成后最大豎向位移均發(fā)生在盾構(gòu)開挖面周圍土體，距離開挖面越遠(yuǎn)土體的位移越小；未設(shè)置隔離樁時(shí)隨著開挖的進(jìn)行建筑樁基的豎向位移由開始階段的-0.047 mm至完成階段的-5.744 mm，而工況1條件下由開始階段的-0.041 mm至完成階段的-1.197 mm。相對(duì)于未設(shè)置隔離樁時(shí)樁基豎向位移減小79.2%，工況2～4分別減小76.7%、70.4%、64.7%。很顯然，設(shè)置隔離樁對(duì)控制樁基豎向位移同樣具有較好的效果。

3.3隔離樁設(shè)置的合理性分析

前文已進(jìn)行建筑樁基在未設(shè)置隔離樁與設(shè)置隔離樁（工況1～4）條件下的簡單對(duì)比分析，為更加深入地研究隔離樁在隧道不同水平距離、不同底部與頂部深度所起到的防護(hù)作用，以優(yōu)化設(shè)計(jì)施工，達(dá)到安全且相對(duì)經(jīng)濟(jì)的效果，現(xiàn)對(duì)設(shè)置隔離樁在不同工況下的效果分別進(jìn)行分析。

3.3.1隔離樁與隧道不同水平距離影響分析

為研究隔離樁與隧道不同水平距離影響，通過2組不同底部深度的隔離樁與隧道不同水平距離進(jìn)行對(duì)比研究。根據(jù)本文的工況設(shè)置情況，選取工況1～3、工況6～8共6種工況分別進(jìn)行計(jì)算并提取各施工階段樁頂?shù)乃脚c豎向位移，結(jié)果分別如圖10～11所示。

由圖10～11可知，未設(shè)置隔離樁時(shí)，盾構(gòu)隧道開挖過程中對(duì)樁基產(chǎn)生的最大水平和豎向位移分別為2.453 mm、-5.744 mm；設(shè)置隔離樁后，在工況2條件下樁基產(chǎn)生的最大水平和豎向位移分別為1.278 mm、-1.338 mm，位移分別減少47.9%、76.7%。同時(shí)，隔離樁設(shè)置與隧道水平距離越小，與建筑樁基水平距離越大，盾構(gòu)隧道開挖對(duì)建筑樁基產(chǎn)生的位移就越小。因此，從設(shè)置隔離樁減小建筑樁基的位移方面考慮，在滿足實(shí)際工程需求時(shí)，應(yīng)盡可能地靠近隧道設(shè)置隔離樁以更好發(fā)揮其防護(hù)作用。

3.3.2隔離樁底部不同深度影響分析

為確定隔離樁底部的合理深度，通過對(duì)與隧道水平距離相同的5種不同底部深度的隔離樁進(jìn)行對(duì)比研究，選取工況1、工況4、工況5、工況6、工況9共5種工況及未設(shè)置隔離樁工況分別進(jìn)行計(jì)算并提取各施工階段樁頂?shù)乃脚c豎向位移，結(jié)果分別如圖12～13所示。

由圖12～13可知，當(dāng)隔離樁底部深度達(dá)到隧道底端，與未設(shè)置隔離樁相比，樁基最大水平和豎向位移分別減小10.8%、22.2%，此時(shí)設(shè)置隔離樁對(duì)樁基的防護(hù)作用十分有限，說明隔離樁的底部深度不足，未起到有效的防護(hù)作用。當(dāng)?shù)撞可疃冗_(dá)到隧道底端加上1/4隧道直徑時(shí)，樁基的最大水平和豎向位移分別為1.702 mm、-2.639 mm，與未設(shè)置隔離樁時(shí)相比分別減小30.6%、54.1%，此時(shí)隔離樁的防護(hù)作用開始顯現(xiàn)。當(dāng)?shù)撞可疃冗_(dá)到隧道底端加上3/4隧道直徑時(shí)，樁基的最大水平和豎向位移進(jìn)一步減小，與未設(shè)置隔離樁時(shí)相比分別減小了50.7%、64.7%，隔離樁的防護(hù)效果較為明顯。隔離樁底部深度繼續(xù)增加至隧道底端加上1倍隧道直徑時(shí)，與底部深度在隧道底端加上3/4隧道直徑時(shí)相比樁基的水平位移幾乎沒有減小，樁基的豎向位移雖有進(jìn)一步減小的趨勢(shì)，但此時(shí)其豎向位移也已控制良好。因此，在滿足實(shí)際工程前提下，從產(chǎn)生的工程效果和經(jīng)濟(jì)性而言，隔離樁的底部深度適宜在隧道底端加上1/4倍與3/4倍隧道直徑深度之間。

3.3.3隔離樁頂部不同深度影響分析

為確定隔離樁頂部的合理深度，通過對(duì)與隧道水平距離相同的5種不同頂部深度的隔離樁進(jìn)行對(duì)比研究，選取工況10～14共5種工況及未設(shè)置隔離樁工況分別進(jìn)行計(jì)算并提取各施工階段樁頂?shù)乃脚c豎向位移，結(jié)果分別如圖14～15所示。

由圖14～15可知，隨著隔離樁距地面頂部深度依次增加，樁基的水平與豎向位移呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，隔離樁頂部深度的增加其防護(hù)效果也逐漸減弱。與工況1設(shè)置隔離樁相比，工況10～13設(shè)置隔離樁后樁基的水平位移呈現(xiàn)出小幅增加趨勢(shì)，豎向位移雖有一定程度增加，但其與工況1相比，沒有特別顯著增加的趨勢(shì)，隔離樁的防護(hù)效果略有一定程度的減弱，但仍具有較好的防護(hù)效果；工況14設(shè)置隔離樁后樁基的水平與豎向位移分別達(dá)到1.438 mm、-2.141 mm，樁基的水平與豎向位移減小趨勢(shì)與工況1相比較為顯著，說明此時(shí)隔離樁的頂部深度過小，已達(dá)不到底部深度隔離樁的防護(hù)效果。因此，在隔離樁的底部深度達(dá)到一定深度時(shí)，隔離樁的頂部深度在距地面以下7 m的范圍內(nèi)均有較好的防護(hù)效果。

4結(jié)語

本文以南昌地鐵四號(hào)線人民公園站至上沙溝站區(qū)間某一實(shí)際工程為例，采用三維數(shù)值模擬軟件Plaxis 3D對(duì)上軟下硬復(fù)合地層中地鐵盾構(gòu)隧道開挖側(cè)下穿鄰近建筑物樁基進(jìn)行分析，并對(duì)隔離樁的防護(hù)效果進(jìn)行了對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

（1）隔離樁設(shè)置與隧道的水平距離越近，與鄰近建筑樁基水平距離越遠(yuǎn)，其對(duì)鄰近樁基的變形防護(hù)效果越為明顯。工程條件允許情況下，隔離樁應(yīng)盡量靠近隧道設(shè)置。

（2）隔離樁的底部最優(yōu)設(shè)置深度為隧道底端以下1/4倍隧道直徑與3/4倍隧道直徑之間。設(shè)置深度小于隧道底端以下1/4倍隧道直徑與超過隧道底端以下3/4倍隧道直徑，其對(duì)鄰近樁基的變形防護(hù)效果并不顯著。

（3）在隔離樁的底部深度達(dá)到一定深度時(shí)，隔離樁的頂部深度在距地面以下7 m的范圍內(nèi)同樣能起到較好的防護(hù)效果。

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基金項(xiàng)目：江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目“高承壓水復(fù)雜地層地鐵盾構(gòu)關(guān)鍵施工技術(shù)及變形微擾動(dòng)控制研究”（編號(hào)：GJJ200637）

作者簡介：歐陽鴻志（1989—），碩士，工程師，研究方向：涉鐵工程管理。