深基坑开挖时隔离桩位置对邻近既有地铁隧道的变形分析_曾晓鑫_丁文湘_彭玲_徐长节

第 17 卷 第 14 期 2017 年 5 月 1671 — 1815 （ 2017 ） 14-0296-06
科学技Fra bibliotek术与
工
程
Science Technology and Engineering
Vol. 17 No. 14 May 2017 2017 Sci. Tech. Engrg.
交通运输
深基坑开挖时隔离桩位置对邻近 既有地铁隧道的变形分析
地铁隧道的建设有效解决了城市中心地带交通 邻近既 拥堵问题。随着我国城市建设的不断发展， 有地铁隧道的基坑开挖工程屡见不鲜 。如果基坑开 挖引起环境效应控制不当， 很可能造成隧道破坏， 酿 成工程事故。 基坑开挖过程中周围土体的卸荷作用， 将打破 ， ， 原有应力平衡 引起周围应力重分布 导致围护结构 产生变形， 进而使邻近地铁隧道也产生相应的变形 。 因此， 要将地铁隧道变形控制在安全范围之内 ， 必须 采取有效的保护措施。 隔断法指在邻近既有建筑物的地下工程施工 时， 为减少土体位移与沉降对其影响而在建筑物与 施工面间设置隔断墙进行保护的方法 。隔离桩是控 制基坑或隧道施工对邻近建筑物影响的常用方法之 ［1 —4 ］ ， 但系统的理论分析较为匮乏。 目前， 对隔离 一 桩的工作机制研究主要集中在隔离桩对基坑施工时 ［5 ， 6 ］ 和对盾 邻近地面和建筑物的沉降控制机制研究
图 3 模型尺寸示意图 Fig. 3 Plan sketch of model dimension
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程 表3 Table 3 有限元分析步
工况
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2. 3 模型参数 2. 3. 1 本构关系 Prager 假设土体为理想弹塑性体， 采用 Drucker硬化模型， 单元类型为 CPE4Ｒ， 暂不考虑地下水位 的影响； 隧道衬砌为二维平面可变形壳， 并将其视为 ； 、 、 、 弹性体 隔离桩 搅拌桩 松木桩 钢管土钉和喷射混 凝土内配钢筋网等结构视为理想线弹性体 ， 分别采 用壳单元和梁单元。 2. 3. 2 材料物理参数 根据地质勘察资料及室内试验， 可将场地地基 土划分为 6 个工程地质层， 并简化为 3 个等效土层。 根据工程勘察报告， 土层具体参数和相关材料物理 参数见表 1 和表 2 。
2. 4
模拟工况 结合本工程现场施工情况， 有限元模拟的施工 步如表 3 所示。运用分步开挖功能模拟基坑动态连 续开挖全过程， 以此分析基坑开挖对邻近既有地铁 隧道变形的影响。
Fig. 4
图 4 隧道变形测点图 Measurement points drawing of tunnel deformation
2017 年 1 月 20 日收到 “973 ” 国家 计划（ 2015CB057801 ） 和
构掘进时 周 围 环 境 的 变 形 控 制 机 制 研 究 两方 。 面 隔离桩常用于控制地表和浅基础建筑物的变 形， 且研究焦点为隔离桩对地表土体水平位移和沉 ［5 ， 6， 9 ］ ， 降的影响 而深基坑开挖时隔离桩的位置对邻 近既有地铁隧道变形的影响鲜有研究 。 以杭州市某房建地下室基坑工程为背景， 利用 ABAQUS 有限元软件采用 DruckerPrager 硬化模型 对其进行数值模拟， 并与现场实测值进行比较， 验证 了数值分析的有效性， 对隔离桩在不同位置条件下 隧道变形进行了分析， 得到相关结论， 以期对类似工 程隔离桩优化设计提出合理性建议 。
Fig. 2
6 剖面设计图 图 2 南侧基坑 6Design chart of 66 section plane of south excavation
模型建立 模型中基坑开挖深度为 5. 7 m， 基坑围护采用 放坡开挖 + 钢管土钉 + 喷射混凝土内配钢筋网， 并 ， 0. 5 在淤填土范围内设置松木桩 选取 倍基坑宽度 53. 8 m。地下室基坑分两级放坡， 坡度分别为 1 ∶ 1. 0 和 1∶ 0. 8 ， 坡高均为 2. 4 m。 基坑开挖分析为二 维平面应变问题， 为消除边界条件的影响， 整体模型 尺寸取 100 m × 40 m。 隧道中心距离基坑 30 m， 埋 深 23. 1 m， 衬砌外直径 6. 2 m， 厚度 0. 35 m。 模型 尺寸示意图如图 3 所示。 2. 2
［7 ， 8 ］
1
1. 1
工程背景
51238009 ， 51338009 ） 资助 国家自然科学基金 （ 51278449 ， 第一作者简介： 曾晓鑫 （ 1993 —） ， 男， 硕士研究生。 研究方向： 岩土 mail： 770393192@ qq． com。 工程。E引用格式： 曾晓鑫，丁文湘，彭 （ 14 ） ： 296 —301 Zeng Xiaoxin，Ding Wenxiang，Peng Ling，et al． Analysis of position of isolation pile on deformation of existing metro tunnel adjacent to deep excavation［ J］ ． Science Technology and Engineering， 2017， 17（ 14） ： 296—301 玲，等． 深基坑开挖时隔离桩位置 对邻近既有地铁隧道的变形分析［J］． 科学技术与工程，2017 ，17
表 1 土层等效简化 Equivalent simplification of soil layer
内摩 擦角 φ / （ °） 26 10 35 黏聚力 c/ kPa 4 18 5 压缩 模量 E s / MPa 7 3 12 泊松 比 μ 0. 31 0. 25 0. 22 分析步 Step 1 Step2 Step3 Step4 Step5 Step6 Step7 Step8 Step9 Step10
图 1 基坑平面示意图 Fig. 1 Schematic layout of excavation
隧道边线两 土内支撑等形式。 根据地铁公司要求， 侧各 50 m 范围内为地铁保护区， 凡在该区进行的基 坑施工项目均应对隧道进行保护性监测 。 1. 2 工程地质条件 1. 2. 1 场地地层结构 根据工程地质勘察报告， 场地地理位置属于钱 塘江冲海积地带， 地形较平坦。 地下室基坑开挖深 度影响范围内的土层分布大致如下 。 （ 1 ） 杂填土， 以建筑垃圾为主， 黏性土、 粉土充 填其中， 地表有大量杂草植被， 该层全场分布。 （ 2 ） 淤填土， 层厚 1. 4 ～ 2. 1 m， 该层局部分布。 （ 3 ） 黏质粉土， 全场分布， 层厚 0. 8 ～ 5. 3 m。 1. 2. 2 场地水文地质条件 场地上部地下水属潜水， 下部圆砾层中赋存有 承压水， 测得场地稳定水位埋深为 1 ～ 2 m （ 属混合 地下水位年变化幅度 1 ～ 1. 5 m。 地下水及土 水） ， 对混凝土结构有微腐蚀性。 1. 2. 3 场地类别及不良地质作用 拟建场地土的类型为中软场地土， 建筑场地类 别为Ⅲ类。场地无地震活动断裂带经过， 未见影响 场地稳定性的不良地质作用。
工程概况 杭州市某房建地下室基坑工程位于杭州市江干 区， 同协南路与沪杭高速交叉口西侧。 万科彭埠项 1 栋 13 层住宅、 目由 13 栋 16 层住宅、 一层商业及 一层地下室组成。 因地铁 1 号线 （ 上下行线 ） 及出 4 号线（ 出入段线） 从场地中间穿过， 段线、 将整个地 块分为两部分。该房建地下室基坑工程基坑平面示 意图如图 1 所示。 基坑与隧道平行方向的长度约 186 m， 采用施 工隔离桩， 即 3 排钻孔灌注桩 + 1 排三轴水泥搅拌 桩。基坑平均深度约为 5. 7 m， 南北两侧基坑距离 地铁盾构边线最小距离约为 24 m。 拟建建筑物的桩基础采用钻孔灌注桩施工， 地 下室基坑围护采用土钉墙 + 排桩 + 放坡开挖和混凝
14 期
曾晓鑫， 等： 深基坑开挖时隔离桩位置对邻近既有地铁隧道的变形分析
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有限元数值模拟
在工程施工过程中， 为分析南侧基坑施工对邻 近地铁 1 号线下行线（ 右线 ） 既有隧道变形的影响， 采用 ABAQUS 有限元软件建立二维模型进行施工 过程模拟计算。 2. 1 基坑与隧道的布置 考虑到基坑尺寸和隧道之间的净距等因素， 选 6 剖面进行模拟计算。南侧基坑 取南侧基坑典型 666 剖面设计图如图 2 所示。
曾晓鑫
1
丁文湘
2
彭
玲
1
徐长节
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（ 华东交通大学江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室1 ， 南昌 330013 ； 杭州 310052 ； 浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心3 ， 杭州 310058 ） 浙江省工业设计研究院2 ，
对其正常使用产生影响 ， 隔离桩的位置控制隧 摘 要 深基坑开挖时周围土体的卸荷作用将引起邻近既有地铁隧道的变形 ， 道变形的效果值得研究 。 基于杭州市某房建地下室基坑工程采用隔离桩保护邻近既有地铁隧道的工程案例 ， 采用 ABAQUS ， 。 ： 有限元软件进行数值模拟 建立二维模型对隔离桩在不同位置条件下隧道的变形进行了分析 研究结果表明 基坑开挖最终 引起隧道下沉约 3. 1 mm， 隧道向靠近基坑方向水平位移约 1. 7 mm， 数值模拟计算结果与现场实测数据的相关规律吻合 ； 隔离 桩距离隧道越近， 基坑开挖对既有地铁隧道变形的影响越小 。 关键词 深基坑 中图法分类号 隔离桩 U215 ； 既有地铁隧道 文献标志码 A 数值分析 DruckerPrager 硬化模型
2. 5
Table 1
土层 等效粉砂层 等效黏土层 等效基岩层
天然 土层 重度 γ / 厚度 h / m （ kN · m － 3） 15. 9 27. 4 16. 7 18. 9 17. 5 20
Table 2
材料 类型 等效粉砂层 等效黏土层 等效基岩层 材料 类型 衬砌 隔离桩 搅拌桩 松木桩 钢管土钉 砼 + 钢筋 网护坡