深基坑开挖邻近地下直径线变形控制加固措施研究

米涛

(中铁十八局集团第五工程有限公司 天津 300450)

1 引言

城市内基坑开挖对于近邻地铁的扰动是在所难免的，在面对基坑开挖导致地铁隧道产生附加变形的情况时，采取相应的加固措施是必要的。虽然前人对于加固方式的研究已经已经有大量研究，但是对于同一工程分别应用坑底满堂加固和隔离桩加固方式并比较二者的变形控制效果方面的研究鲜有报道。本文将依托天津嘉海深基坑近邻地下直径线工程，分别采取坑底注浆加固和隔离桩加固的预处理方案，在建立的有限元模型基础上分析加固措施对于基坑开挖导致直径线变形的控制效果，分析结果可为类似工程提供借鉴。

2 工程概况及模型建立

天津嘉海基坑工程场地南侧为天津西站至天津站地下直径线，由于此基坑属于超大型深基坑，所以将基坑分为北部、中部和南部三部分。南部基坑开挖深度10.8 m左右，与直径线相距16～20 m，平行并行约250 m。地下直径线采用多种施工方法，隧道埋深较小，采用明挖法施工，中间埋深较深的段落采用盾构法施工。工程周围分布的土类主要有砂性土、粉土和黏性土等。考虑采取两种预处理方式进行加固，基坑施工采取的预处理方案见表1。

表1 基坑开挖预处理方案

三维模型的尺寸：长度250 m、宽度135 m、深度50 m，模型中各土层、地下连续墙用实体单元模拟，盾构井、明挖段主体结构、盾构管片用板单元模拟，帽梁及腰梁用梁单元模拟；土体和结构的本构关系分别采用D-P模型和线弹性本构模型，将模型50 m深度范围内的土体近似分为四层，层厚分别3.5 m、6.3 m、18.2 m和22 m，容重变化为19 kN/m3～20.3 kN/m3，弹性模量变化为20 MPa～55 MPa。

3 未加固分析

经过数值计算得出未加固情况下直径线的变形情况，其中盾构管片和明挖段的水平变形最小曲率半径分别为8920 m和9717 m，其他具体情况见表2。

表2 地下直径线各结构发生的位移情况

4 加固措施分析

4.1 位移分析

（1）盾构井的位移

两种预处理方案的盾构井水平位移如图2所示。采用坑底注浆加固后，盾构井顶部出现1.18 mm的反向位移（即向远离基坑方向移动），从而产生了8.71 mm的相对位移，比较未加固之前的相对位移而言数值加大了。采用隔离桩加固方案后，产生的最大水平位移为6.26 mm，出现在靠近基坑侧的侧墙中间部位，顶部最小位移为5.73 mm，从而使得盾构井的相对位移值仅为0.53 mm，降低了相对位移。

图2 盾构井水平位移

盾构井竖向位移如图3所示。坑底注浆加固方案，靠近基坑一侧的盾构井侧墙（内侧）出现上浮，外侧的侧墙出现下沉。采用隔离桩加固后，结构整体趋向下沉，竖向最大位移为0.32 mm。因此采用隔离桩方案后，盾构井的竖向绝对位移及相对位移均大幅减小。

图3 盾构井竖向位移

（2）盾构管片的位移

加固后的盾构管片水平位移如图4所示。坑底注浆加固后盾构管片的水平位移变化规律与未加固方案相似，最大水平位移出现在靠近盾构井处的管片底部，最大位移值为6.82 mm，相对位移为5.0 mm，降低不明显；隔离桩加固后，盾构管片水平位移趋势发生改变，管片位移沿横断面方向较均匀，靠近盾构井附近管片的水平位移最大，位移值为6.09 mm，相对位移为3.19 mm。

图4 盾构管片水平位移

加固后的盾构管片竖向位移见图5。坑底注浆加固后，最大竖向位移出现在靠近盾构井并离基坑较近一侧的“拱腰”位置，位移值为2.93 mm，最大竖向相对位移值为4.75 mm；采用隔离桩加固后，盾构管片产生的最大竖向位移值为1.58 mm，最大相对位移值为1.57 mm，加固效果明显。

图5 盾构管片竖向位移

（3）明挖主体结构的位移

加固后的明挖主体结构水平位移如图6所示。采用坑底注浆加固后，明挖主体结构的最大水平位移出现在靠近盾构井部位的底板处，与未加固情况规律相似，最大位移值为6.20 mm，相对水平位移为5.10 mm，较未加固情况降低的不明显。采用隔离桩加固后，靠近盾构井附近位移最大，且沿结构纵向呈明显的均匀递减趋势，最大水平位移为6.09 mm，相对水平位移为3.38 mm。

图6 明挖主体结构水平位移

4.2 重要变形控制指标分析

两种方案对应的盾构管片底部纵向各点水平位移如图7所示。对曲线进行曲率求解，得到坑底注浆加固和隔离桩对应的最小曲率半径分别为11610 m和15275 m。规范规定地铁变形曲率半径应大于15000 m，因此坑底注浆加固的方式不能满足这个要求，此时结构处于变形超限状态。所以在选择加固方式时，优先选择隔离桩加固方式。

图7 管片底部水平位移曲线拟合

坑底注浆加固和隔离桩加固的明挖断主体结构底部纵向各点水平位移如图8所示。对曲线进行曲率求解，可得最小曲率半径为18 362 m和20 217 m。

图8 明挖主体结构水平位移曲线拟合

5 结语

（1）总体而言隔离桩加固对于变形的控制效果要优于坑底注浆加固，坑底注浆加固后各结构的变形特点与未加固情况下类似，只是位移值相对减小。

（2）隔离桩加固后，盾构井产生的最大水平位移为6.26 mm，出现在靠近基坑侧的侧墙中间部位，最大竖向位移为-0.32 mm；盾构管片与明挖段的位移变化规律类似。

（3）分别用两种方案加固后，明挖段沿纵向的最小曲率半径分别为18362 m和20217 m，在选择预处理方式时可以优先考虑隔离桩加固方式。