基坑外设隔离桩参数对近邻既有地铁隧道变形的影响

傅志峰，尹燕良，周伟生，潘红宝，罗学东*

(1.中诚锦建(湖北)工程技术有限公司，湖北 武汉 430081；2.中国地质大学(武汉)工程学院湖北 武汉 430074；3.湖北铁投开发集团，湖北 武汉 430077)

随着城市地下空间的不断发展，在既有地铁隧道周边进行深基坑开挖的情况屡见不鲜。基坑开挖卸荷会改变周围土体的应力状态，若控制不当，便会引起邻近既有地铁隧道产生较大的变形或破坏，影响其正常使用和运营安全。隔离桩在保护周围敏感和重要建(构)筑物等方面发挥了重要的作用，通过在基坑围护结构与既有地铁隧道之间布置隔离桩，利用桩身插入到滑动面下部的稳固土层中产生的抗力来平衡滑动体的推力，以达到稳定土体、减少对既有地铁隧道变形影响的目的。隔离桩的设计参数主要包括隔离桩的布置位置即桩隧距离、桩长、桩间距、桩顶埋深、桩径和桩身强度等。

国内外众多学者针对不同设计参数的隔离桩对周边重要建(构)物变形的影响进行了大量研究。如郑刚等利用考虑土体小应变特性的有限元方法，通过改变隔离桩的位置、桩顶埋深、桩底埋深等设计参数，对隔离桩的工作机制及隧道位移的控制效率进行了研究，结果发现隔离桩设置在靠近隧道处其控制效率优于远离隧道的情况，埋入式隔离桩对隧道水平位移的控制效果优于非埋入式隔离桩；姚爱军等采用相似物理模型试验与数值模拟相结合的方法，分别对隔离桩的不同影响因素进行了研究，结果发现隔离桩在影响区以下稳定土体内具有一定长度时，适当增大桩间距和桩顶埋入深度仍可取得较好的隔离效果；曾晓鑫等采用ABAQUS有限元软件，分析了隔离桩不同设计参数对隧道变形的影响，结果发现隔离桩距离隧道越近、桩间距越小、桩径越大，基坑开挖引起的邻近既有地铁隧道的变形越小；王祖贤等采用数值模拟方法，对隔离桩桩长、桩隧距离、桩径和桩弹性模量4个因素进行了正交试验，结果表明桩长是影响隔离桩隔离效果最主要的因素；赵景阳等以隔离桩桩长、桩径、桩间距3个因素进行了三因素三水平正交试验，结果表明桩间距对建筑物变形的影响最显著。

尽管隔离桩已经在工程实践中得到了广泛应用，但目前的标准规范并未对隔离桩的设计参数进行规定，主要依据工程经验设计，而且隔离桩不同设计参数对其隔离效果的影响机理研究依然处于模糊状态。因此，本文以武汉市华中科创产业园基坑工程为研究背景，采用正交试验设计方法，考虑多因素多指标进行极差分析和方差分析，研究基坑外设隔离桩的不同设计参数对邻近既有地铁隧道变形以及周边环境的影响，并针对本基坑工程的隔离桩设计参数进行了优化分析，确定了隔离桩的最佳设计方案。

1 工程概况

武汉市华中科创产业园一期工程基坑位于武汉市武昌区徐东大街与中北路交汇西北侧。该深基坑形状呈不规则多边形，周长为564 m，开口面积为16 390 m，开挖深度为10 m，基坑平面位置关系示意图如图1所示。

图1 基坑平面位置关系示意图

靠近地铁隧道一侧基坑围护结构采用直径为1 000 mm、间距为1 400 mm的钻孔灌注桩，外侧采用直径为850 mm、间距为600 mm的三轴搅拌桩进行止水止淤。该工程场地周边环境复杂，基坑东北侧邻近既有武汉市轨道交通8号线汪家墩站—岳家嘴站区间隧道，管片结构外径为6.2 m，衬砌厚度为0.35 m，环宽为1.5 m，隧道外衬距离基坑围护结构仅12 m。为了减少基坑开挖对既有地铁隧道变形的影响，拟在基坑围护结构与右线隧道之间提前打设一排隔离桩，见图2。

图2 基坑A-A1剖面位置关系示意图

本工程场地属长江一级阶地全新统冲积平原区和三级阶地剥蚀堆积垅岗区的过渡区域，场区内地层自上而下分别为1杂填土、2-1淤泥质粉质黏土、2-2粉质黏土、2-3粉质黏土、3-1黏土、3-2卵石、3-3粉质黏土、4-1强风化泥质粉砂岩、4-2中风化泥质粉砂岩。

2 隔离桩参数正交试验设计

本工程拟采用直径为1 000 mm的钻孔灌注桩作为隔离桩，隔离桩设计参数不考虑桩径和桩身强度。正交试验设计选取隔离桩与隧道之间的距离(即桩隧距离)、桩间距、桩长和桩顶埋深作为影响因素，并将各影响因素划分为4个水平，选用

L

(4)正交表进行四因素四水平的正交试验。正交试验设计因素及水平见表1，试验设计方案见表2。

表1 正交试验设计因素及水平

表2 正交试验设计方案

3 近邻地铁隧道基坑外设隔离桩的数值模拟

3.1 数值模型建立

在隔离桩施工前，采用FLAC3D软件进行数值模拟分析。考虑到基坑尺寸及计算能力，数值模型按局部空间问题建模，选取基坑中典型A-A1剖面进行建模。模型尺寸为120 m×50 m×40 m，坑底以下深度为4倍开挖深度，左线隧道外边缘距离模型边界为4.7倍开挖深度，满足减小边界效应影响的要求。模型底面为固定约束面，外边界4个垂直面约束法向位移，计算模型见图3。

图3 近邻地铁隧道基坑外设隔离桩数值模型图

土体和管片采用实体单元模拟，基坑围护桩和隔离桩采用桩结构单元模拟。基坑支护结构与既有地铁隧道的位置关系，见图4。

图4 基坑支护结构与隧道的位置关系示意图

模型中基坑支护结构及隧道和岩土体的物理力学参数，见表3和表4。土体采用摩尔-库伦模型，考虑土体小应变的特性，将表4中土体的弹性模量提高3.5倍。

表3 基坑支护结构及隧道的物理力学参数

表4 岩土体的物理力学参数

3.2 数值模拟的施工步骤

采用正交试验设计方法，模拟在不同隔离桩设计参数下基坑开挖对邻近既有地铁隧道变形以及周边环境的影响。基坑开挖共分为5层，每层开挖深度为2 m。本次数值模拟的施工步骤见表5。

表5 数值模拟的施工步骤

3.3 模型监测点位布置

为了研究隔离桩对邻近地铁隧道水平位移、地表沉降和基坑围护桩后深层土体水平位移的控制效果，在模型上布置隧道水平位移监测点、地表沉降监测点和基坑围护桩后深层土体水平位移监测点，监测点位选择布置在模型的中部，以减小模型边界效应对变形产生的影响。模型监测点位布置示意图，见图5。

图5 模型监测点位布置示意图

4 正交试验结果的极差和方差分析

数值模拟试验结果表明，基坑开挖完毕后邻近地铁隧道水平位移远大于其竖向位移，故选取隧道最大水平位移作为主要参考指标。同时，为了分析隔离桩对基坑围护桩后深层土体变形的控制效果以及对周边环境的影响，选取地表最大沉降量和基坑围护桩后深层土体最大水平位移作为辅助参考指标。正交试验结果见表6。

表6 正交试验结果

4.1 正交试验结果的极差分析

对正交试验中影响隧道最大水平位移、地表最大沉降量和基坑围护桩后深层土体最大水平位移的各因素的每种水平求取平均值和极差，并对正交试验结果各因素进行了极差分析，其结果见表7。

4.1.1 隧道最大水平位移的敏感性分析

由表7可知，桩隧距离对隧道最大水平位移的影响最大，4个因素的影响程度大小顺序为

A

>

D

>

B

>

C

。

表7 正交试验结果各因素的极差分析

隧道最大水平位移敏感性因素的影响趋势分析，见图6。

由图6可见，隔离桩在靠近隧道或者靠近基坑时均能减少隧道的最大水平位移。这是因为当隔离桩与基坑围护结构距离减小时，隔离桩与基坑围护结构及其中间的土体形成类似“复合围护结构”，增强了基坑围护的强度，降低了对周围土体的扰动，从而减小了邻近隧道的变形。

图6 隧道最大水平位移敏感性因素的影响趋势分析

由图6还可以看出，当隔离桩的桩间距为1.6 m、桩长为21 m、桩顶埋深为4 m时，隧道的最大水平位移最小，且随着隔离桩桩间距再密集、桩长再增加、桩顶埋深再增大，隧道最大水平位移不仅未减小，反而加大。这是由于基坑开挖完毕后，基坑围护结构的变形会导致坑外土体向坑内滑移，隔离桩也会向基坑方向产生一定的变形，因其桩身重度大于周边土体，处于滑移区内的隔离桩对周边土体的变形不仅有阻隔作用，还存在牵引作用。当隔离桩桩间距由1.3 m增大到1.6 m时，隔离桩由密变疏，其对周边土体的牵引作用减小明显，隧道最大水平位移减小，而桩间距再增大时，隔离桩对周边土体的阻隔作用减小明显，隧道最大水平位移增大。同理，隔离桩桩顶埋深由0 m增大到4 m的过程中，滑移区内的隔离桩桩长不断减小，隔离桩对周边土体的牵引作用减小明显，而隔离桩桩顶埋深由4 m变为6 m时，隔离桩对周边土体的阻隔作用减小明显。隔离桩桩长包含滑移区的桩长和嵌固区的桩长两部分，当滑移区的桩长和嵌固区的桩长各自达到一定长度时，隔离桩才能有效发挥其阻隔作用。因此，只有选择合适的隔离桩桩间距、桩顶埋深和桩长，才能减小隔离桩对周边土体的牵引作用，降低隧道最大水平位移。

4.1.2 地表最大沉降量的敏感性分析

由表7可知，隔离桩与既有地铁隧道之间的距离即桩隧距离对地表最大沉降量的影响程度最大，而桩间距、桩长和桩顶埋深对其影响程度均较小。

地表最大沉降量敏感性因素的影响趋势分析，见图7。

图7 地表最大沉降量敏感性因素的影响趋势分析

由图7可见，隔离桩距离隧道越近，地表最大沉降量越小。

图8为基坑开挖完成后基坑围护桩后地表沉降曲线，试验2和试验16中隔离桩与隧道之间的距离分别为10 m和1 m(见表2)。

图8 基坑开挖完成后基坑围护桩后地表沉降曲线图

由图8可见，试验16的地表最大沉降量小于试验2，这是因为隔离桩的存在会改变其周围土体的竖向应力分布，隔离桩越靠近隧道，其与基坑围护结构之间夹持的土体越多，导致基坑围护桩后地表沉降曲线形成两个Peck沉降槽曲线，地表最大沉降量越小。

4.1.3 基坑围护桩后深层土体最大水平位移的敏感性分析

由表7可知，隔离桩与既有地铁隧道之间的距离即桩隧距离对基坑围护桩后深层土体最大水平位移的影响最大，而桩间距、桩长和桩顶埋深对其影响均较小。

基坑围护桩后深层土体最大水平位移敏感性因素的影响趋势分析，见图9。

图9 基坑围护桩后深层土体最大水平位移敏感性因素的影响趋势分析

由图9可见，随着隔离桩与隧道之间距离的增大，即隔离桩越靠近基坑，基坑围护桩后深层土体的最大水平位移越小。这是因为隔离桩距离基坑越近，隔离桩与基坑围护桩之间夹持的土体就越少，直接作用在基坑围护桩上的土压力越小，隔离桩与基坑围护桩形成的“复合排桩效应”越明显，基坑围护的强度越大，基坑围护桩后深层土体所产生的水平位移越小。

4.2 正交试验结果的方差分析

为了进一步分析各因素对隔离桩隔离效果的影响程度，根据正交试验结果，将4个因素进行单因素方差分析，探讨各因素影响的显著性水平。在置信水平为0.01、0.05和0.10条件下，查得因素显著性临界值为

F

001(3,3)=29

.

46，

F

005(3,3)=9

.

28，

F

(3,3)=5.36。为了方便描述，本文将

F

检验显著性进行了分级，见表8。

表8 F检验显著性分级

隧道最大水平位移、地表最大沉降量和基坑围护桩后深层土体最大水平位移的方差分析结果，见表9、表10和表11。

表9 隧道最大水平位移的方差分析

表10 地表最大沉降量的方差分析

表11 基坑围护桩后深层土体最大水平位移的方差分析

由表9、表10和表11可知：4个因素对隧道最大水平位移的影响均不显著，但4个因素中，

A

因素即桩隧距离的

F

值计算结果最大，表明对隧道最大水平位移影响最大的因素依然是隔离桩的布置位置即桩隧距离；对于地表最大沉降量和基坑围护桩后深层土体最大水平位移，桩隧距离对其影响程度分别为Ⅰ级显著和Ⅱ级显著，其他因素的影响均不显著，这与前述的极差分析结果相一致。

4.3 隔离桩设计参数优化

根据上述正交试验结果可知，隔离桩的布置位置即桩隧距离对隧道最大水平位移、地表最大沉降量和基坑围护桩后深层土体最大水平位移的影响程度最大。隔离桩靠近隧道或者基坑布置都会减小隧道的水平位移。由于隔离桩的施工会对既有地铁隧道产生一定的影响，隔离桩宜远离隧道布置。同时，选择合适的隔离桩桩长、桩间距和桩顶埋深，可减小隔离桩对周边土体的牵引作用，提高隔离桩的隔离效果。将隧道最大水平位移作为主要参考指标，地表最大沉降量和基坑围护桩后深层土体最大水平位移作为辅助参考指标，综合考虑正交试验结果，建议选择试验2的参数作为隔离桩最优设计参数，即桩隧距离为10 m、桩间距为1.6 m、桩长为21 m、桩顶埋深为2 m。

5 结 论

(1) 当隔离桩靠近隧道或者靠近基坑布置时均能减小隧道的水平位移。由于隔离桩的施工会对既有地铁隧道产生一定的影响，为保护既有地铁隧道的运营安全，隔离桩宜靠近基坑的位置布置。

(2) 正交试验结果的极差和方差分析表明，隔离桩的布置位置即桩隧距离对邻近既有地铁隧道水平位移、地表沉降和基坑围护桩后深层土体水平位移的影响程度最大，而隔离桩的桩间距、桩长、桩顶埋深对其影响不显著。

(3) 将隧道最大水平位移作为主要参考指标，地表最大沉降量和基坑围护桩后深层土体最大水平位移作为辅助参考指标，根据正交试验分析结果，建议本基坑工程隔离桩最优设计参数为：桩隧距离10 m、桩间距1.6 m、桩长21 m、桩顶埋深2 m。