地铁隧道侧穿邻近建筑中隔离桩的应用研究

卢致强，曹 平，刘建伟，程 韬，李冀伟

(中铁隆工程集团有限公司，成都 610045)



地铁隧道侧穿邻近建筑中隔离桩的应用研究

卢致强，曹 平，刘建伟，程 韬，李冀伟

(中铁隆工程集团有限公司，成都 610045)

以某地铁隧道侧穿5层砖混结构房屋工程为背景，为研究隔离桩在隧道侧穿邻近建筑物工程中的隔离效果及影响因素，通过多组有限元数值模拟，并结合现场监测数据，分别研究隔离桩的桩长、位置，隧道埋深以及隧道与建筑物的距离等因素对隔离效果的影响。研究结果：隔离桩对因隧道开挖产生的滑动区土体有较好的隔断作用；隔离桩嵌入滑裂面以下的深度是隔离桩控制效果的重要影响因素，建议嵌入深度不小于4 m；隔离桩与隧道或建筑物距离的改变对隔离桩控制效果的影响较小；当建筑物与隧道的水平距离小于2倍隧道埋深或当隧道埋深小于2倍隧道洞径时，隔离桩的控制效果较为明显；对于工程地质条件较差或邻近建筑物沉降控制要求较为严格的工程中，当建筑物与隧道水平距离小于1.5倍隧道埋深，且隧道埋深小于2倍洞径时，建议设置隔离桩对邻近建筑进行保护。

地铁隧道；侧穿施工；邻近建筑；沉降；隔离桩

1 概述

随着轨道交通的快速发展，在城市繁华地区或一些特定地段，由于受邻近建(构)筑物或地质条件等限制，地铁隧道与其他结构物间的距离变得越来越小。隧道施工引起的地层移动一方面在地表引起不均匀沉降，另一方面直接引起邻近建(构)筑物的变位，当变位不均匀时还会产生附加应力[1]。当地层变形超过一定范围时，会严重危及临近建(构)筑物的安全。近年来，因隧道(或基坑)设计或施工不当造成邻近建(构)筑物受损的工程灾害时有所闻，小规模的邻近建(构)筑物开裂案例更是屡见不鲜。目前隧道工程实践中，对周边环境的保护主要措施有以下几种：加强支护结构，地层加固，建筑物原位加固，按照时空效应原理控制开挖支护施工以及设置隔离桩(隔断法)等。隔离桩作为控制基坑或隧道施工对邻近建构筑物影响的常用方法之一[2-9]，也常被用于隔离大面积堆载下软土地基的应力传播[10-13]从而减小对周边的影响。西安地铁2号线盾构隧道侧穿钟楼施工时，在钟楼周边打设139根隔离桩，达到了最大沉降量不超过5 mm，局部倾斜不超过0.000 5的安全评估控制要求。但在隔离桩的实际应用中，有些工程较为成功，有些工程则并未取得理想的效果。

本文利用Midas GTS数值分析软件，针对某地铁区间隧道侧穿5层砖混结构楼房进行数值模拟，结合现场实际监测数据及既有工程经验，分析隔离桩在隧道侧穿邻近建(构)筑物工程中的有效性，通过对隔离桩的桩长，隧道埋深、洞径，以及隧道与建筑物的距离等影响因素进行多组模型分析，研究隧道侧穿工程中隔离桩的合理设计参数，以期对工程设计的安全性和经济性提出合理化建议。

2 工程概况

邻近建筑为5层砖混结构，基础为筏板基础，基础埋深约2 m，建成于1992年。地铁区间隧道自该多层建筑南侧穿过，隧道与该楼最小水平距离约4.1 m，最小竖向距离约8.5 m。地铁区间为左右分建的两条单洞单线隧道，断面为马蹄形，内净空为8.3 m(宽)×8.45 m(高)，二衬采用C35混凝土，厚度0.5 m，左右线线间距约为15 m，隧道埋深约10.5 m。区间隧道距离该建筑较近，降水宜引起邻近建筑沉降，因此侧穿既有建筑段采用洞内全断面深孔帷幕注浆止水并加固地层，利用小导管进行超前支护。初期支护厚度0.3 m，格栅钢架间距0.5 m，双层钢筋网。为控制地层沉降，该施工区段未采用降水处理，隧道采用CRD法施工，利用WSS进行全断面注浆止水并加固地层，注浆范围为隧道开挖轮廓外3 m。施工前，在邻近建筑与左线隧道之间打设Φ800@1 200 mm的隔离桩，桩长24 m。区间隧道与该建筑位置关系见图1、图2。

图1 隧道与建筑水平位置关系(单位：m)

图2 隧道与建筑竖向位置关系(单位：mm)

区间隧道侧穿该楼房段，地表分布有厚薄不均的全新统人工填土(Q4ml)；其下为上更新统风积(Q3eol)新黄土及残积(Q3el)古土壤，再下为中更新统风积(Q2eol)老黄土及残积(Q2el)古土壤互层。隧道洞身主要位于老黄土层，该层具针状孔隙，含少量白色钙质条纹及结核，软塑状态，属中压缩性土。场地地下水属潜水类型，稳定水位埋深4.70～9.80 m。土层参数如表1所示。

表1 土层参数

3 数值模拟

3.1 模型的建立

本模型采用有限元软件Midas GTS进行施工过程模拟分析。根据其围岩性质和设计需要选取合理的区域及尺寸建立模型。所建立模型尺寸为长103.4 m，高56 m。模拟时，地层采用平面单元，邻近建筑按质量等效为线单元。模型地表面为自由面，周边采用法向变形约束条件，底部采用全约束条件。计算中土体采用摩尔-库仑模型，初始应力场仅考虑土体自重应力场，不考虑地层的构造应力。

针对3种工况进行了模拟分析研究，通过3种工况对比，分析隔离桩保护邻近建筑物的有效性及作用机理。

工况1：存在邻近建筑，未打设隔离桩；

工况2：存在邻近建筑，打设隔离桩(本工况与实际工程对应，隔离桩长24 m)；

工况3：无邻近建筑，未打设隔离桩。

3.2 数值模拟结果及分析(图3～图5)

图3 工况1围岩竖向位移云图

图4 工况2围岩竖向位移云图

图5 工况3围岩竖向位移云图

施工前，经对邻近建筑的安全评估，该建筑最大沉降量不得超过6 mm，差异沉降不超过3 mm。数值模拟结果与实际监测结果汇总见表2。

表2 数值模拟结果与实际监测结果汇总 mm

现场监测数据及工况2中模拟结果均满足评估要求。由表2可以看出，现场实际监测的隧道拱顶和地面最大沉降略大于工况2，而建筑物处的最大沉降却略小于工况2，但数值变化趋势较为接近，数值差别不大，说明数值模拟可以较好地应用于模拟隧道工程。

现场施工过程中，现场监测数据一直较为稳定，但有一区段拱顶及地面沉降变化速率较快，形成的沉降量也较大。经现场仔细核查，该区段全断面注浆未达到预期效果，导致拱顶及地面沉降产生局部突变，但隔离桩外侧的既有建筑周边的地面沉降一直较为稳定，并且建筑物周边的地面沉降明显小于隔离桩内侧(隧道正上方)的地面沉降。

通过工况1与工况3对比，由于隧道埋深较浅，地面建筑的存在增加了作用在地层上的荷载，引起了更大的地层沉降，并且右线隧道拱顶沉降增加较为明显。通过工况1与工况2对比可以看出，工况1中因隧道开挖卸载后周边地层的滑移发展导致了邻近建筑物产生了较大的沉降和差异沉降，并且受既有建筑的影响右线隧道的拱顶沉降要大于左侧隧道；而工况2中由于隔离桩的存在，较好的隔断了因隧道开挖卸载后引起的周边地层的滑移发展，桩后既有建筑虽然也产生了一定的沉降，但在允许沉降范围内。模拟结果与现场监测数据吻合。

综合上述计算并结合既有文献的研究成果，在隧道与保护建筑间设置隔离桩，桩体穿过土体滑动区嵌入下部土层，可以较好地隔断因隧道开挖卸载后周边地层产生滑移位移场的发展。隔离桩的机理是控制建筑物下方的土体位移，当土体产生滑移变形时，隔离桩通过提高滑移面的抗剪能力以及桩身提供的桩侧阻力以限制桩后土体的变形发展，减小桩后保护建筑的沉降[14-15]。隔离桩可以在隧道开挖时同时在水平和竖向起到变形隔断作用，隔离桩主要承受开挖施工引起的侧向土压力和地层差异沉降产生的摩阻力；另一方面，隔离桩在一定程度上可以减少作用在隧道结构上的土压力[16]。

4 隔离桩参数的优化研究

4.1 不同长度隔离桩的控制效果分析

在依托工程的基础上，分别取隔离桩长度为4～28 m(间隔增量为2 m)，共计13个模型工况，计算结果如图6所示。

由图6可以看出，随着隔离桩长度的增加，邻近建筑的最大沉降量逐渐减小。在隔离桩长度小于12 m时，曲线变化趋势较缓和，说明隔离桩在未嵌入滑裂面时对邻近建筑的沉降控制有一定作用，但效果不明显；隔离桩长度在12～18 m区段时，曲线下降趋势较快，此区段隔离桩长度逐渐插入滑裂面以下，说明当隔离桩嵌入滑裂面以后，对邻近建筑的沉降控制作用明显，并且随着隔离桩嵌入长度的增加，隔离桩对桩后建筑的沉降控制效果更为显著；当隔离桩长度大于18 m后，曲线变化趋势逐渐平缓，说明当隔离桩嵌入滑裂面以下足够长度后，随着隔离桩长度的增加，隔离桩对桩后建筑的沉降控制作用变化不明显。

图6 建筑物最大沉降随隔离桩长度变化曲线

结合上述计算结果，建议在类似工程中隔离桩嵌入滑裂面以下的长度不宜小于4 m，并根据具体的地质条件和邻近建筑物情况，在工程安全和经济性的框架下选取合理的隔离桩嵌入深度。

4.2 不同位置隔离桩的控制效果分析

为分析隔离桩设置于不同位置时，对桩后邻近建筑的沉降控制效果，在依托工程的基础上假定隧道与既有建筑的距离为6、10 m和14 m三种情况，隔离桩与隧道的距离由1 m递增至距离建筑物1 m，递增间隔增量为1 m，共计27个模型工况，为保证隔离桩的嵌入深度足够，各模型中隔离桩长度取值24 m(与依托工程一致)。建筑物最大沉降随隔离桩位置变化曲线见图7。

图7 建筑物最大沉降随隔离桩位置变化曲线

由图7可以看出，建筑物与隧道在3种不同距离的工况下，随着隔离桩与隧道距离的增加，桩后建筑的沉降略有增加，而后随着隔离桩逐渐向建筑物靠近，桩后建筑的沉降逐渐减小，但整体变化幅度不大。因此，当隔离桩具有足够嵌入深度时，随着隔离桩位置的调整，隔离桩对桩后邻近建筑的沉降控制作用变化不明显。

考虑到滑动区土体对隔离桩的作用，隔离桩靠近隧道设置时，桩体承受的剪切和摩擦作用较大，但隔离桩可以减小作用于隧道上的土压力；隔离桩靠近建筑物设置时桩体承受的剪切和摩擦作用较小，桩长也可以根据滑裂面位置相应减小。从经济性角度来看，隔离桩宜在靠近建筑物处设置，但需考虑施工操作空间和隔离桩本身施工对邻近建筑的影响；从隔离桩对控制作用在隧道上的土压力来看，隔离桩宜靠近隧道设置。因此，在隔离桩具有足够刚度和嵌入深度以保证邻近建筑的沉降在允许范围之内时，施工和设计时可根据上述分析，结合施工现场的场地条件和操作空间选取合理的隔离桩设置位置。

4.3 不同建筑物位置时隔离桩的控制效果分析

在依托工程的基础上，假定隧道与既有建筑的水平距离为4.1(与依托工程一致)、6、8、10、12、14、16、18、20、22 m和24 m，隔离桩距离建筑2 m。通过对以上11种不同距离时分别模拟是否采用隔离桩工况，共22个模型工况。计算结果如图8所示。

图8 建筑物最大沉降随建筑物位置变化曲线

无隔离桩时，建筑距离隧道在10～22 m范围，曲线下降较快；有隔离桩时，建筑距离隧道在12～20 m范围，曲线下降较快。因此，当隧道与邻近建筑的水平距离在1倍隧道埋深(10.5 m)至2倍隧道埋深(21 m)时，通过加大隧道与建筑物之间的距离，可以较好地控制邻近建筑物的沉降。

通过有无隔离桩工况的对比，建筑距离隧道小于22 m(约2倍隧道埋深)时，隔离桩对于控制桩后建筑物沉降的作用较为明显；建筑距离隧道大于22 m后，隔离桩对于控制桩后建筑沉降的效果不明显。并且当隧道与建筑之间距离大于18 m(约1.7倍隧道埋深)后，在无隔离桩情况下，建筑物的最大沉降值已能够较好地满足安全评估控制要求。

根据上述计算结果，为便于分析，选取现场两个地表沉降的标准监测断面，此两处标准监测断面周边无既有建筑，监测点布置较为完整，两处监测断面相距55 m。监测结果如图9所示。

注：图中水平轴0点处，为左右线隧道之间中点位置

根据监测结果(图9)，从±13.5 m(基本为隧道结构边缘处)处测点到±31.5 m(距离隧道约20 m)处测点范围，因隧道开挖引起的地面沉降衰减速率较快。在±26.5 m(距离隧道约15 m)两测点外侧的地面沉降已较小，均不大于2.2 mm。

综上，地铁线路设计时水平方向宜尽量远离沿线建(构)筑物，以减小因隧道开挖对邻近建(构)筑物的影响，可以较好地保护邻近建(构)筑物和减少邻近建构筑物的保护措施费用。类似工程中，当邻近建筑与隧道水平距离小于1.5倍隧道埋深时，建议结合隧道埋深情况，根据地质及邻近建(构)筑物情况采用隔离桩对邻近建筑进行保护；当邻近建筑与隧道水平距离大于2倍隧道埋深时，从经济性角度不建议采用隔离桩对建筑进行保护(特殊要求建筑除外)，可加强对邻近建筑的监控量测，必要时根据监测结果对建(构)筑物采取跟踪补偿注浆或打设石灰桩等措施。

4.4 不同隧道埋深时隔离桩的控制效果分析

在依托工程的基础上，假定隧道埋深为6、8、10.5(与依托工程一致)、12、14、16、18、20、22、24 m和26 m，既有建筑与隧道距离为4.1(与依托工程一致)、8 m和12 m，隔离桩距离既有建筑2 m。通过对以上11种不同埋深和3种不同建(构)筑物与隧道距离的情况，分别模拟是否采用隔离桩的66种工况进行模拟分析。计算结果如图10所示。

图10 建(构)筑物最大沉降随隧道埋深变化曲线

由图10可以看出，在有、无隔离桩两种情况下，随着隧道埋深的增加，邻近建筑的最大沉降量均在减小。

无隔离桩工况中，隧道埋深小于22 m时，曲线下降较快；有隔离桩工况中，隧道埋深在14～22 m范围时，曲线下降较快。因此，当隧道埋深小于2.5倍洞径(约21 m)时，通过加大隧道埋深，可以较好的控制邻近建(构)筑物的沉降。

通过有无隔离桩工况的对比，当隧道埋深小于18 m(约2.1倍洞径)，特别是隧道埋深较小的几个工况，隔离桩对于控制桩后建(构)筑物沉降的作用较为明显；当隧道埋深大于18 m后，隔离桩对于控制桩后建筑沉降的效果不明显。并且当隧道埋深大于18 m(约2.1倍洞径)后，在无隔离桩情况下，建(构)筑物的最大沉降值已能够较好满足安全评估控制要求。

结合数值模拟结果和既有工程经验，在满足地铁行车和车站埋深的条件下，地铁线路设计时竖直方向宜尽量远离沿线建(构)筑物，以减小因隧道开挖对邻近建(构)筑物的影响，可以较好保护邻近建(构)筑物和减少邻近建构筑物的保护措施费用。类似工程中，当隧道埋深小于2倍洞径时，建议结合建(构)筑物与隧道的水平距离，根据地质及邻近建(构)筑物情况采用隔离桩对邻近建筑进行保护；当隧道埋深大于2.5倍洞径时，从经济性角度不建议采用隔离桩对建筑进行保护(特殊要求建筑除外)，可加强对邻近建筑的监控量测，根据监测结果，必要时采取有效的邻近建(构)筑物保护措施。

5 结语

本文以依托工程为背景，通过大量的数值模拟分析，并结合现场监测结果，得到以下结论。

(1)隧道侧穿邻近建筑工程中，当隔离桩具有足够刚度和长度时，隔离桩对滑动区土体有较好的隔断作用，对控制桩后建筑沉降的作用较为明显，特别在隧道埋深浅或距离建筑较近时，隔离桩的作用更为突出。

(2)隔离桩应嵌入滑裂面以下足够深度，才可以较好地隔断因隧道开挖卸载后引起的周边地层的滑移发展。结合既有工程经验，建议隔离桩嵌入滑裂面以下的深度不小于4 m。

(3)当隔离桩具有足够刚度和嵌入深度时，隔离桩位置(隔离桩与隧道或建(构)筑物的距离)的改变对隔离桩控制作用的影响不明显。也就是说，隔离桩的位置不是影响隔离桩控制作用的重要因素。因此，隔离桩的设置位置可根据工程需要、场地条件、操作空间和工程经济性等因素进行综合比选确定。

(4)当建(构)筑物与隧道的水平距离小于2倍隧道埋深时，建(构)筑物与隧道之间的距离是影响建(构)筑物沉降重要因素；通过对比有无隔离桩作用的两类工况，当建(构)筑物与隧道的水平距离小于2倍隧道埋深时，隔离桩的控制效果更为明显。

(5)根据模拟分析结果，当隧道埋深小于2.5倍隧道洞径时，隧道埋深是影响建(构)筑物的沉降重要因素；通过对比有无隔离桩作用的两类工况，当隧道埋深小于2倍隧道洞径时，隔离桩的控制效果更为明显。

综合模拟分析结果，建议地铁线路设计时，在水平和竖直方向宜尽量远离沿线建(构)筑物。当建(构)筑物与隧道水平距离小于1.5倍隧道埋深，并且隧道埋深小于2倍洞径时，对工程地质条件较差或邻近建(构)筑物沉降要求较为严格的情况下，建议采用隔离桩对邻近建筑进行保护。其他工况，建议根据工程地质条件和邻近建(构)筑物的沉降变形控制要求，结合数值模拟计算和既有工程经验确定。

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Study on Application of Shelter Piles Where Subway Tunnel Passing Sideway Nearby Buildings

LU Zhi-qiang， CAO Ping， LIU Jian-wei， CHENG Tao， LI Ji-wei

(Ranken Railway Construction Group Co.， Ltd.， Chengdu 610045， China)

With reference to a subway tunnel passing sideway a five-story brick masonry building and based on groups of numerical simulations and in-situ monitoring data， this paper studies the isolation effect and influence factors of shelter piles in projects where tunnels passing sideway buildings， and in particular， analyzes the isolation effect of shelter piles with the influence of pile length and position， tunnel depth， distance between tunnel and building. The research results show that shelter piles have good effect to obstruct the soil in slide zone caused by the tunnel excavation; the depth of shelter piles imbedded in slip surface is an important factor to reflect the controlling effect of shelter piles， and it is advised that the embedding depth of the shelter piles should not less than 4m; the change of the distance between shelter piles and buildings has less influence on the controlling effect; when the horizontal distance between building and tunnel is less than twice of the burial depth of tunnel or the burial depth of tunnel is less than twice of the diameter of tunnel， the shelter piles have relatively good controlling effect; for projects with poor engineering geological condition and strict settlement control standard of adjacent buildings， shelter piles are recommended to protect the nearby buildings， where the horizontal distance between building and tunnel is less than 1.5 times of the burial depth and the burial depth of tunnel is less than twice of tunnel diameter．

Subway tunnel; Passing sideway construction; Nearby building; Settlement; Shelter pile

2016-04-21；

2016-05-19

卢致强(1974—)，男，高级工程师，2004年毕业于西南交通大学土木工程学院桥梁与隧道工程专业，工学硕士，主要从事地下和隧道工程设计与研究工作，E-mail：365603995@qq.com。

1004-2954(2016)12-0094-05

U455.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.12.021