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摘要：本文依托青岛地铁某区间隧道在强风化地层情况下侧穿4层砖混浅基础结构房屋，进行了多组有限元数值模拟，并结合现场监测数据，重点研究了在强风化地层中隔离桩对邻近建筑物沉降控制效果和隔离桩设置长度的优化研究。研究结果：在强风化地层中，隔离桩对因隧道开挖产生的滑动区围岩有较好的隔断作用；隔离桩嵌入滑裂面以下的深度是隔离桩控制效果的重要影响因素，建议嵌入深度不小于5m。
关键词：强风化地层；侧穿施工；邻近建筑；沉降；隔离桩
1 引言
近年来，因隧道（或基坑）设计或施工不当造成邻近建（构）筑物受损的工程灾害时有所闻，小规模的邻近建（构）筑物开裂案例更是屡见不鲜。目前地铁工程建设中，对周边环境的保护主要措施有以下几种：加强支护结构、地层加固、建筑物原位加固、按照时空效应原理控制开挖支护施工以及设置隔离桩（隔断法）等。隔离桩作为控制基坑或隧道施工对邻近建构筑物影响的常用方法之一[1]，也常被用于隔離大面积堆载下软土地基的应力传播从而减小对周边的影响。但在隔离桩的实践应用中，有些工程较为成功，有些工程则并未取得理想的效果。
本文利用MIDAS GTS有限元分析软件，针对青岛某地铁区间隧道侧穿4层砖混浅基础结构楼房进行数值模拟，结合现场实际监测数据及既有工程经验，分析强风化地层情况下隔离桩在隧道侧穿邻近建（构）筑物工程中的有效性，并研究强风化地层下隧道侧穿工程中隔离桩的合理设置长度。
2 工程概况
1）工程概况
邻近建筑为4层砖混浅基础结构，建成于1996年。地铁区间隧道自该多层建筑西侧穿过，隧道与该楼最小水平距离约3.8m。地铁区间为左右分建的两条单洞单线隧道，断面为马蹄形，6.5m（宽）×6.9m（高），二衬采用C45混凝土，厚度0.3m，左右线线间距约为13.5m，隧道顶埋深约9.6m。区间隧道采用台阶法，利用小导管进行超前支护，初期支护厚度0.25m，格栅钢架间距0.5m。施工前，在建筑与右线隧道之间打设Φ800@1200mm的隔离桩，桩长21m。
2）地质概况
场区第四系厚度约0.5～2.0米，主要由第四系全新统人工填土及全新统陆相洪冲积层，基岩以粗粒花岗岩为主，煌斑岩、细粒花岗岩呈脉状穿插其间。受王哥庄断裂影响，在场地构造破碎带影响范围内的大部分钻孔穿插有糜棱岩、碎裂岩等构造岩。
3 数值模拟
3.1 模型的建立
本模型采用有限元软件MIDAS GTS进行施工过程模拟分析。所建立模型尺寸为长111.6m，高62m。模拟时，地层采用平面单元，邻近建筑按质量等效为线单元。模型地表面为自由面，周边采用法向变形约束条件，底部采用全约束条件。计算中土体采用摩尔-库仑模型，初始应力场考虑土体自重应力场，不考虑地层构造应力。
本节针对如下三种工况进行了模拟分析研究，通过三种工况对比，分析隔离桩保护邻近建筑物的有效性及作用机理。
工况一：存在邻近建筑，未打设隔离桩；
工况二：存在邻近建筑，打设隔离桩（本工况与实际工程对应，隔离桩长20m）；
工况三：无邻近建筑，未打设隔离桩。
3.2 数值模拟结果及分析
施工前，经对邻近建筑的安全评估，该建筑最大沉降量不得超过10mm，差异沉降不超过5mm。现场监测数据及工况二中模拟结果均满足评估要求。
对比上表数据，现场实际监测数据与工况二存在一定偏差，但数值变化趋势较为接近，数值差别不大，说明数值模拟可以较好的应用于隧道工程模拟分析，其结果可为类似工程参考。
通过对比工况一与工况三，因隧道埋深浅，地面建筑增加了作用在地层上的荷载，引起了较大的地层沉降，且右线隧道拱顶沉降增加明显。
通过对比工况一与工况二，工况一中因隧道开挖引起周边地层的滑移变形，导致了邻近建筑物产生了较大的沉降和差异沉降，并且建筑物自身荷载较大导致右线隧道的拱顶沉降要大于左侧隧道；工况二中，隔离桩较好的隔断了因隧道开挖引起的周边地层的滑移发展，桩后建筑物虽然也产生了一定的沉降，但相对较小，并且在允许沉降范围内。
综上，当隧道与保护建筑间设置的隔离桩穿过围岩滑动面嵌入下部地层，可有效隔断因隧道开挖导致周边地层变形所产生的滑移位移场的发展。
4 隔离桩设置长度研究
在依托工程的基础上，在保证工程的安全、经济、合理的前提下，研究隔离桩不同设置长度对桩后建筑物沉降控制的效果，隔离桩分别取长度为4～28m（间隔增量为2m），共计13个模型工况，计算结果如图4.1所示。
根据计算结果，当隔离桩长度增加，邻近建筑的最大沉降量逐渐减小。在隔离桩长度小于10m时，沉降曲线变化较缓，表明隔离桩未嵌入滑裂面以下对邻近建筑物的沉降控制基本无作用；隔离桩长度在10m～16m区段时，沉降曲线下降速度较快，说明隔离桩逐渐插入滑裂面以下后，其对邻近建筑物沉降控制作用逐渐明显，并且随着隔离桩嵌入滑裂面以下长度的增加，其对桩后建筑物的沉降控制更为显著；当隔离桩长度大于16m后，沉降曲线变化趋于平缓，表明当隔离桩嵌入滑裂面以下长度足够后，随着隔离桩长度的增加，其对桩后建筑物沉降的控制作用效果变化不明显。
5 结语
隔离桩的作用机理是通过提高滑移面的抗剪能力以及桩身提供的桩侧阻力以限制桩后土体的变形发展，减小桩后建筑物的沉降[2]。隔离桩可以在隧道开挖的同时在水平和竖向起到变形隔断作用，隔离桩主要承受开挖施工引起的侧向土压力和地层差异沉降产生的摩阻力；另一方面，隔离桩在一定程度上可以减少作用在隧道结构上的土压力[3]。
本文以实际工程为依托，通过大量数值模拟分析，并结合现场监测结果，得到以下结论：
1）在参数选取和模型建立合理的前提下，数值模拟可以较好的应用于强风化岩层的隧道工程分析，其结果可为类似工程提供参考。
2）强风化岩层地区的隧道侧穿既有建筑物工程中，当隔离桩达到足够的刚度和嵌入长度时，其对隧道施工引起的滑动区围岩具有较好的隔断作用，对控制桩后建筑物沉降作用明显。
3）隔离桩应嵌入滑裂面以下足够深度，才能较好地隔断因隧道开挖引起的围岩滑移发展。结合类似工程经验，建议在强风化地层中隔离桩嵌入滑裂面以下的长度不小于5m。
参考文献：
[1]雷永生. 西安地铁二号线下穿城墙及钟楼保护措施研究[J]. 岩土力学，2010，31（1）：223-236.
[2]卢致强，李冀伟等. 地铁隧道侧穿邻近建筑中隔离桩的应用研究[J]. 铁道标准设计2016，60（12）：94-99.
[3]费纬. 隔离桩在紧邻浅基础建筑的深基坑工程变形变形控制中的应用[J]. 岩土工程学报，2010，32（增1）：265-270.
作者简介：
李冀伟（1984-），男，河北承德人，硕士，工程师，主要从事地下工程的设计与研究工作。
关键词：强风化地层；侧穿施工；邻近建筑；沉降；隔离桩
1 引言
近年来，因隧道（或基坑）设计或施工不当造成邻近建（构）筑物受损的工程灾害时有所闻，小规模的邻近建（构）筑物开裂案例更是屡见不鲜。目前地铁工程建设中，对周边环境的保护主要措施有以下几种：加强支护结构、地层加固、建筑物原位加固、按照时空效应原理控制开挖支护施工以及设置隔离桩（隔断法）等。隔离桩作为控制基坑或隧道施工对邻近建构筑物影响的常用方法之一[1]，也常被用于隔離大面积堆载下软土地基的应力传播从而减小对周边的影响。但在隔离桩的实践应用中，有些工程较为成功，有些工程则并未取得理想的效果。
本文利用MIDAS GTS有限元分析软件，针对青岛某地铁区间隧道侧穿4层砖混浅基础结构楼房进行数值模拟，结合现场实际监测数据及既有工程经验，分析强风化地层情况下隔离桩在隧道侧穿邻近建（构）筑物工程中的有效性，并研究强风化地层下隧道侧穿工程中隔离桩的合理设置长度。
2 工程概况
1）工程概况
邻近建筑为4层砖混浅基础结构，建成于1996年。地铁区间隧道自该多层建筑西侧穿过，隧道与该楼最小水平距离约3.8m。地铁区间为左右分建的两条单洞单线隧道，断面为马蹄形，6.5m（宽）×6.9m（高），二衬采用C45混凝土，厚度0.3m，左右线线间距约为13.5m，隧道顶埋深约9.6m。区间隧道采用台阶法，利用小导管进行超前支护，初期支护厚度0.25m，格栅钢架间距0.5m。施工前，在建筑与右线隧道之间打设Φ800@1200mm的隔离桩，桩长21m。
2）地质概况
场区第四系厚度约0.5～2.0米，主要由第四系全新统人工填土及全新统陆相洪冲积层，基岩以粗粒花岗岩为主，煌斑岩、细粒花岗岩呈脉状穿插其间。受王哥庄断裂影响，在场地构造破碎带影响范围内的大部分钻孔穿插有糜棱岩、碎裂岩等构造岩。
3 数值模拟
3.1 模型的建立
本模型采用有限元软件MIDAS GTS进行施工过程模拟分析。所建立模型尺寸为长111.6m，高62m。模拟时，地层采用平面单元，邻近建筑按质量等效为线单元。模型地表面为自由面，周边采用法向变形约束条件，底部采用全约束条件。计算中土体采用摩尔-库仑模型，初始应力场考虑土体自重应力场，不考虑地层构造应力。
本节针对如下三种工况进行了模拟分析研究，通过三种工况对比，分析隔离桩保护邻近建筑物的有效性及作用机理。
工况一：存在邻近建筑，未打设隔离桩；
工况二：存在邻近建筑，打设隔离桩（本工况与实际工程对应，隔离桩长20m）；
工况三：无邻近建筑，未打设隔离桩。
3.2 数值模拟结果及分析
施工前，经对邻近建筑的安全评估，该建筑最大沉降量不得超过10mm，差异沉降不超过5mm。现场监测数据及工况二中模拟结果均满足评估要求。
对比上表数据，现场实际监测数据与工况二存在一定偏差，但数值变化趋势较为接近，数值差别不大，说明数值模拟可以较好的应用于隧道工程模拟分析，其结果可为类似工程参考。
通过对比工况一与工况三，因隧道埋深浅，地面建筑增加了作用在地层上的荷载，引起了较大的地层沉降，且右线隧道拱顶沉降增加明显。
通过对比工况一与工况二，工况一中因隧道开挖引起周边地层的滑移变形，导致了邻近建筑物产生了较大的沉降和差异沉降，并且建筑物自身荷载较大导致右线隧道的拱顶沉降要大于左侧隧道；工况二中，隔离桩较好的隔断了因隧道开挖引起的周边地层的滑移发展，桩后建筑物虽然也产生了一定的沉降，但相对较小，并且在允许沉降范围内。
综上，当隧道与保护建筑间设置的隔离桩穿过围岩滑动面嵌入下部地层，可有效隔断因隧道开挖导致周边地层变形所产生的滑移位移场的发展。
4 隔离桩设置长度研究
在依托工程的基础上，在保证工程的安全、经济、合理的前提下，研究隔离桩不同设置长度对桩后建筑物沉降控制的效果，隔离桩分别取长度为4～28m（间隔增量为2m），共计13个模型工况，计算结果如图4.1所示。
根据计算结果，当隔离桩长度增加，邻近建筑的最大沉降量逐渐减小。在隔离桩长度小于10m时，沉降曲线变化较缓，表明隔离桩未嵌入滑裂面以下对邻近建筑物的沉降控制基本无作用；隔离桩长度在10m～16m区段时，沉降曲线下降速度较快，说明隔离桩逐渐插入滑裂面以下后，其对邻近建筑物沉降控制作用逐渐明显，并且随着隔离桩嵌入滑裂面以下长度的增加，其对桩后建筑物的沉降控制更为显著；当隔离桩长度大于16m后，沉降曲线变化趋于平缓，表明当隔离桩嵌入滑裂面以下长度足够后，随着隔离桩长度的增加，其对桩后建筑物沉降的控制作用效果变化不明显。
5 结语
隔离桩的作用机理是通过提高滑移面的抗剪能力以及桩身提供的桩侧阻力以限制桩后土体的变形发展，减小桩后建筑物的沉降[2]。隔离桩可以在隧道开挖的同时在水平和竖向起到变形隔断作用，隔离桩主要承受开挖施工引起的侧向土压力和地层差异沉降产生的摩阻力；另一方面，隔离桩在一定程度上可以减少作用在隧道结构上的土压力[3]。
本文以实际工程为依托，通过大量数值模拟分析，并结合现场监测结果，得到以下结论：
1）在参数选取和模型建立合理的前提下，数值模拟可以较好的应用于强风化岩层的隧道工程分析，其结果可为类似工程提供参考。
2）强风化岩层地区的隧道侧穿既有建筑物工程中，当隔离桩达到足够的刚度和嵌入长度时，其对隧道施工引起的滑动区围岩具有较好的隔断作用，对控制桩后建筑物沉降作用明显。
3）隔离桩应嵌入滑裂面以下足够深度，才能较好地隔断因隧道开挖引起的围岩滑移发展。结合类似工程经验，建议在强风化地层中隔离桩嵌入滑裂面以下的长度不小于5m。
参考文献：
[1]雷永生. 西安地铁二号线下穿城墙及钟楼保护措施研究[J]. 岩土力学，2010，31（1）：223-236.
[2]卢致强，李冀伟等. 地铁隧道侧穿邻近建筑中隔离桩的应用研究[J]. 铁道标准设计2016，60（12）：94-99.
[3]费纬. 隔离桩在紧邻浅基础建筑的深基坑工程变形变形控制中的应用[J]. 岩土工程学报，2010，32（增1）：265-270.
作者简介：
李冀伟（1984-），男，河北承德人，硕士，工程师，主要从事地下工程的设计与研究工作。