浙江省二建建设集团有限公司315202
摘要：隔离桩作为基坑开挖过程中保护邻近地铁隧道的一种措施，已广泛运用于工程实际。隔离桩布置在不同位置对其控制隧道变形的效果具有显著影响，本文采用plaxis有限元软件对隔离桩在不同位置下对地铁隧道变形的控制效果进行研究。结果表明，隔离桩对地铁隧道变形的控制效率随隧道与基坑距离的变化而发生改变，当隧道与基坑距离在22m~28m之间时，隔离桩对地铁隧道变形的控制效率较高。
关键词：隔离桩位置；盾构隧道变形；控制效率；数值分析
1前言
由于地铁在城市交通中的特殊地位，其运营安全一直受到重视，而基坑工程是对地铁影响最为主要的周边工程活动。基坑开挖卸载，改变了土体的应力场，引起土体变形，地铁盾构隧道作为柔性结构也将随着土体变形，从而导致隧道横向椭圆度增大及纵向曲率半径减小，进一步引起盾构隧道管片发生较大变形，影响盾构隧道功能及结构性安全。隔离桩作为控制基坑开挖引起周边位移场变形的措施之一，但对其作用机理研究还十分欠缺，需要对不同工况下的隔离桩控制效果进一步研究。郑刚等[1]依托天津市某深大基坑工程对隔离桩保护邻近既有隧道进行了研究，通过对比分析数值模拟值与现场实测值，掌握了隔离桩对土体深层位移及隧道位移的控制机制；王煜等[2]以上海某紧邻轨道交通的超高层建筑工程为例，采用有限单元法进行预分析，结果显示设置隔离桩可以有效降低减低塔楼沉降对地铁隧道的影响。刘庭金等[3]以邻近广州地铁1号线的深基坑开挖工程为研究背景，探究了基坑开挖对邻近盾构隧道的影响规律，并对地铁隧道的工作现状进行评估，确保其正常运营。陈仁朋等[4]以邻近宁波地铁1号线的某深基坑工程为例，探究了软土地区基坑开挖对近接运营地铁隧道的影响，并分析了不同防护措施对隧道变形的控制作用，研究表明隔离桩的存在反而增大了隧道的位移，对隧道变形不利。
本文将基于PLAXIS有限元平台，采用小应变土体硬化模型，探究隔离桩设置位置对控制隧道变形的影响。通过改变隔离桩与隧道之间的距离进行计算分析，以获得合理的隔离桩与隧道距离。
2有限元模型及工况
PLAXIS程序是由荷兰开发的专门用于分析岩土工程变形和稳定性的大型有限元计算程序。采用HSS本构模型对隔离桩控制效率进行研究。HSS本构模型被认为是目前研究及计算基坑工程最好的土体本构模型之一，它不仅考虑了土体的剪切硬化、压缩硬化和小应变刚度特性，同时还增加了对小应变情况下剪切模量衰减行为的考虑，在理论上更进一步。因此，适用于敏感环境下基坑开挖对周围环境影响的数值分析。
隔离桩、隧道以及基坑三者的相对位置关系如图1所示。隧道边缘与基坑围护结构距离为D，隔离桩与隧道边缘距离为d，隔离桩与基坑距离为d'，基坑开挖深度为H。
在讨论隔离桩设置方式对其控制地铁隧道变形的影响时，将隔离桩与隧道边缘距离d作为主要影响因素。在数值模拟过程中，以△d=0.1D0为步距，取d=0.1~0.9D0，其中D0=45.72m为隧道与基坑的初始距离值，相应的隔离桩桩顶位置如图1中的P1~P9所示。
图1隧道、基坑以及隔离桩相对位置关系
3隔离桩的控制效率分析
对于隔离桩与隧道距离d的分析也可以转化为对隔离桩与基坑距离d'的分析。为了更加直观的反映计算结果，作图时将隔离桩与基坑距离设为横坐标。且定义隔离桩的控制效率ηH为有、无隔离桩时的隧道位移差值绝对值与无隔离桩时隧道位移的比值，具体控制效率如图2所示。
图2中的7条曲线所呈现的规律一致，均表现为随着隔离桩与基坑距离d'的增大，隔离桩控制效率ηH先减小后增大，而且控制效率最大值均出现在d=0.1D0位置处，而最小值出现的位置则随隔离桩与基坑距离的变化而发生改变，主要分布在d'=0.2~0.3D0范围内。进一步计算发现，隔离桩控制效率最小值所对应的隔离桩的位置随隧道与基坑距离D的减小而不断向基坑靠近。
图2不同隔离桩与隧道距离下隔离桩控制效率
图2表明，隔离桩与隧道的距离d对隔离桩控制地铁隧道变形的影响较大，其规律可归纳为以下3点：（1）当隔离桩与隧道距离较近时，隔离桩作为隧道保护结构，能够有效地调整隧道周边土体的位移场，起到控制隧道变形的作用，且当隔离桩与隧道靠得越近时，其控制效率就越高；（2）随着隔离桩与隧道距离d的增大，隔离桩逐渐从隧道保护结构向基坑保护结构转变，其控制隧道变形的效果呈下降趋势，当隔离桩与基坑距离d'减小到0.2~0.3D0时，此时隔离桩处于隧道保护结构与基坑保护结构的转换区，既无法较好地发挥其对隧道周边位移场的调整作用，又无法起到其对基坑较好的加固作用。因此，该范围内的控制效率降至最低点，对隧道变形的控制效果最差；（3）当隔离桩控制效率降至最低点后，随着d的增大，隔离桩完全转变成了基坑保护结构，它的存在相当于基坑围护结构亦或说是加固了基坑围护结构，减小基坑变形，从而起到控制隧道变形的作用。因此其控制效率有所增长，但无法达到d=0.1D0时所对应的隔离桩的控制效率。
综上所述，隔离桩以设置在靠近隧道位置处为宜。考虑到实际工程中，隔离桩的施工会对其周围一定区域范围内的土体产生扰动作用（在数值计算中并未考虑隔离桩施工对周围土体的扰动作用），若隔离桩设置在太靠近隧道处时，会引起隧道周边土体产生扰动作用，从而对隧道变形产生不利影响。因此，应综合考虑多方因素以确定最佳设置距离。
4结论
通过对隔离桩与隧道距离的多工况计算，并分析总结计算结果，得出以下结论：
（1）隧道与基坑距离对隔离桩发挥其控制隧道变形作用的影响显著。隧道与基坑靠得太近或者离得太远，都会对隔离桩控制隧道变形的效果产生不利影响。
（2）当隧道与基坑距离在22~28m之间时，采用合理的隔离桩设置方式（即隔离桩设置在靠近隧道5m左右处），能有效控制隧道变形。
参考文献：
[1]郑刚，杜一鸣，刁钰.隔离桩对基坑外既有隧道变形控制的优化分析[J].岩石力学与工程学报，2015，34（s1）：3499-3509.
[2]王煜.超高层建筑设置隔离桩对控制周边环境影响的作用[J].地基基础，2013，35（4）：271-272.
[3]刘庭金.深基坑施工对地铁盾构隧道的影响分析[J].现代隧道技术，2008，（216~220）：216-220.
[4]陈仁朋，孟凡衍，李忠超等.邻近深基坑地铁隧道过大位移及保护措施[J].浙江大学学报（工学版），2016，50（5）：856-863.
作者简介：郑海锋，浙江省二建建设集团有限公司，浙江省宁波市镇海区骆驼街道民和路519号，邮编，315202，年龄，41，性别，男；民族，汉；学历，大学本科；职称，高级工程师；职务，直属项目部总工。