隔离桩对PBA暗挖车站邻近建筑物沉降控制效果研究

张 伟

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

1 引言

随着我国城市基础建设的快速发展，土地开发强度日益增加，在集约节约利用有限空间的背景下也带来了项目周边环境日趋复杂、项目建设条件日趋紧张、项目实施风险逐步加剧等问题。

在城市成熟建成区，大量的拟建地下工程邻近既有建筑物、大直径管线、已运营的地铁及市政桥隧设施等［1］，且距离关系也越来越小。在以往的近接施工案例中，建（构）筑物沉降、变形超限，产生结构裂缝，后期修补的案例常有发生，较大的工程事故也偶有所闻。结合以往的案例分析，对周边既有建（构）筑物保护的通用措施主要有明挖结构加强支护体系，暗挖结构加强初支、二衬背后注浆，施工期间加密监测频率等；专用措施主要有在拟建工程与既有建（构）筑物间设置隔离桩，暗挖结构辅以深孔注浆加固开挖面周边土体。其中隔离桩措施作为控制建筑物沉降与变形最常用的方法之一，广泛应用于各工法的近接施工保护中［2］。

隔离桩的作用是隔断开挖施工引起的附加应力传播路径，并承受附加应力及地基差异产生的摩阻力，限制桩后土体变形发展；隔断开挖面与建筑物间的土体滑移面，减小隔离桩后建筑物的变形［3－5］，其作用机理见图 1。

图1 隔离桩作用机理

本文以北京地铁某线暗挖车站（PBA工法）邻近既有5层建筑物为例，建立洞外不设置隔离桩、洞外设置隔离桩、洞外不设置隔离桩（洞内增加土体超前加固范围）三种工况，并通过有限元差分软件对三种工况进行数值模拟，分析既有建筑物在不同工况下受影响程度，评估隔离桩在邻近建筑物施工过程中的隔离防沉效果，为后续类似工程提供参考。

2 工程概况

2.1 结构形式

车站主体为地下两层双柱三跨直墙三连拱结构，采用PBA工法施工，顶拱覆土约12.4 m。

既有建筑物为地上五层框架结构。结构东西长约13.8 m，柱距3.9 m；南北长约10.1 m，柱距3.1～3.7 m。其中局部一层为机房，为后加附属结构。基础采用柱下独立基础，底部标高为地面下约2.5 m。车站与建筑物平面位置见图2。

图2 车站与建筑物平面（单位：mm）

车站边导洞外皮距离建筑物基础最小水平距离为2.746 m，基本满足施工一排隔离桩空间需求；车站拱顶距离建筑物基础底竖向净距约9.9 m，既有建筑物所处位置位于车站开挖施工强烈影响区内。车站与建筑物剖面位置见图3。

图3 车站与建筑物剖面（单位：mm）

2.2 地质概况

场区地表为人工堆积层，其下为一般第四纪冲洪积层，自上而下粒度变粗。上部岩性主要以粉土、黏性土与砂类土互层为主，下部以砂类土、碎石类土为主。土层物理力学参数见表1。

表1 土层物理力学参数

3 数值分析

3.1 模型构建与工况设置

车站施工采用分步开挖，围岩作用于结构的压力随开挖不断变化，其受力多次重新分配，最后由初支与二衬共同承担，因此结构分析采用“地层－结构”模型，按实际施工过程进行模拟计算，以确定施工全过程对周边环境的影响。采用有限元差分软件建立三维计算模型，见图4。模型大小为120 m（东西向）×110 m（南北向）×60 m（深度），对模型四周及底部施加法向约束，顶部采用自由边界，土体采用摩尔－库仑本构模型，既有建筑物、隔离桩及暗挖车站结构采用线弹性本构模型［6－8］。

图4 结构模型

结合周边环境对本工程可能产生的限制条件，分别对三种不同工况进行建模计算分析。

工况一：不设置隔离桩。导洞及扣拱拱顶采用超前深孔注浆，加固范围为初支外1.5 m。

工况二：在暗挖车站与既有建筑物间设置一排隔离桩，隔离桩为φ800＠1 200 mm钻孔灌注桩，桩底至边导洞底以下4 m，地面打设。

工况三：不设置隔离桩，洞内加大土体超前加固范围。具体增加范围为边导洞、邻近建筑物的边拱外轮廓3 m及掌子面采用超前深孔注浆加固，见图5［9］。施工步设置见表2。

图5 结构模型（不设置隔离桩，洞内加大超前加固范围）

表2 主要施工分步

3.2 计算结果与分析

根据建筑物检测评估报告，建筑物沉降变形绝对值不大于20 mm，柱间基础差异沉降不超过5 mm（柱间距为4 m），即换算后的建筑物倾斜率不大于1.25‰。

（1）地层沉降。

车站施工完成后，最终地层沉降曲线见图6。在车站中拱附近，地层沉降达到最大值，向车站两侧呈递减趋势，形成标准抛物线式沉降槽。

图6 地面沉降变化曲线

工况一在不设置隔离桩条件下，沉降曲线基本呈对称分布。

工况二在设置隔离桩后，阻断了隔离桩外建筑物侧的土体向车站施工开挖处的滑动趋势，隔断车站开挖施工引起的附加应力传播路径，地层沉降在隔离桩内、外侧有明显的突变，隔离桩外侧的地层沉降相比未设置隔离桩时减少14.17～15.08 mm，减少约48.8%，对控制周边地层及邻近建筑物沉降作用明显。

工况三不设置隔离桩，但在洞内对边导洞及边拱开挖外轮廓及掌子面加大土体超前加固范围，通过改良土体、提高地层参数来控制地层沉降，加固后的土体沉降相比不设置隔离桩时减少约23.1%，对控制周边地层及邻近的建筑物沉降也起到一定的做用。

（2）建筑物南侧墙沉降

建筑物南侧墙与车站主体施工开挖方向平行，因此三个工况中的南侧墙整体沉降曲线趋于平稳，南4、南5两个测点之间由于部分墙体脱离施工开挖强烈影响区，沉降值有减小趋势。建筑物南侧墙最终沉降曲线见图7。

图7 建筑物南侧墙沉降变化曲线

工况一在不设置隔离桩条件下，南侧墙沉降值在20.11～29.21 mm，南3、南4、南5三个测点的差异沉降分别为5.57 mm、3.87 mm。总沉降值及柱间差异沉降值多处超过评估限值。

工况二在设置隔离桩条件下，南侧墙沉降值在10.87～15.19 mm，南3、南4、南5三个测点的差异沉降分别为1.82 mm、1.92 mm，均小于评估限值。总沉降值相比工况一减少约47%，柱间差异沉降值相比工况一减少50.4%～67.3%。设置隔离桩后，有效控制了建筑物基础下方的土体位移，保证了建筑物总沉降与柱间差异沉降满足建筑受力要求。

工况三在不设置隔离桩、增加开挖外轮廓及掌子面土体超前加固范围的条件下，南侧墙沉降值在13.21～21.62 mm，南3、南4、南5三个测点的差异沉降分别为5.49 mm、2.85 mm，南3与南4测点差异沉降不满足评估限值。总沉降值相比工况一减少26%～47%，柱间差异沉降值相比工况一减少约26%。增加周边土体加固范围后，对控制周边地层及邻近建筑物沉降起到一定的作用。

（3）建筑物西侧墙沉降

建筑物西侧墙与车站主体施工开挖方向垂直，因此建筑物基础的差异沉降现象较为明显，建筑物基础变形指标受总沉降及差异沉降双控，基础距离车站开挖面越近，其差异沉降值越大。建筑物西侧墙最终沉降曲线见图8。

图8 建筑物西侧墙沉降变化曲线

工况一在不设置隔离桩条件下，西侧墙沉降值在12.21～29.21 mm，西A～西D四个测点的差异沉降分别为8.19 mm、4.57 mm、4.24 mm。距离车站开挖面越近，差异沉降值越大，总沉降值及柱间差异沉降值多处超过评估限值。

工况二在设置隔离桩条件下，西侧墙沉降值在7.01～15.19 mm，西A～西D四个测点的差异沉降分别为3.18 mm、2.19 mm、2.18 mm，均小于评估限值。总沉降值相比工况一减少40% ～48%，柱间差异沉降值相比工况一减少33% ～61%。设置隔离桩后，有效控制了建筑物基础下方的土体竖向位移及南北向的水平位移，保证了建筑物总沉降与柱间差异沉降满足建筑受力要求。

工况三在不设置隔离桩、增加开挖外轮廓及掌子面土体超前加固范围的条件下，西侧墙沉降值在10.21～21.62 mm，西A～西D四个测点的差异沉降分别为4.6 mm、3.57 mm、3.24 mm，均小于评估限值。总沉降值相比工况一减少16% ～26%，柱间差异沉降值相比工况一减少21%～43%。增加周边土体加固范围后，对控制周边地层及邻近建筑物沉降起到一定的作用。

4 结束语

本文以北京地铁某暗挖车站（PBA工法）邻近既有5层建筑物为例，采用有限元差分软件对三种工况进行数值模拟，分析三种不同工况对既有建筑物的影响程度，以评估隔离桩做为一种硬隔离措施在邻近建筑物施工过程中控制环境变形的效果，主要结论如下：

（1）隔离桩做为一种硬隔离措施，在刚度足够的条件下，可有效限制桩后的土体变形发展，隔断开挖面与建筑物间的土体滑移面，减小隔离桩后建筑物的沉降变形。在暗挖车站邻近建筑物施工时，隔离桩措施作为控制建筑物沉降与变形最常用的方法之一，其对建筑物沉降变形的控制效果较为明显［10－12］。

（2）当受管线、交通、占地等地面条件限制隔离桩无法实施时，可考虑增加超前注浆加固范围，控制建筑物沉降变形，但效果没有隔离桩措施明显。同时在增加超前注浆加固范围后，加固体随范围增大，施工质量也较难控制，需对注浆工艺深入研究。

（3）隔离桩的设置有效控制了建筑物的沉降变形，但隔离桩在施工过程中，受成孔及振动等影响，不可避免地会出现施工沉降，考虑其影响较小，属于非要因，本次分析不再赘述。

（4）类似地下工程可参考本工程分析结论，但对于邻近建（构）筑物的不同基础形式有待做针对性研究。