【www.zhangdahai.com--效能建设心得体会】
郑镇跡，曹利强，2，3，苏栋，2，3，陈湘生，2，3
1）深圳大学土木与交通工程学院，广东深圳 518060；
2）深圳大学滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室，广东深圳 518060；
3）深圳市地铁地下车站绿色高效智能建造重点实验室，广东深圳 518060
当前中国地铁建设飞速发展，隧道开挖会对邻近建筑物造成威胁，必要时需采取措施进行保护．近年来隔离桩作为隔断结构越来越多被运用于实际工程中，对地层变形控制效能的分析评估也变得必要．
此前，不少学者针对隔离桩控制隧道、基坑施工对邻近建（构）筑物影响进行了研究［1-6］．然因隔离桩多用于隔断建筑物浅基础及地表沉降，前人研究重点多集中在隔离桩对地表土体位移场的影响［7-8］．随着双线并行深埋隧道施工，隧道侧穿桥梁和建筑深基础等工程实例的日益增多，对隔离桩对地表及地层深层土体位移整体控制效果的研究就显得非常必要，且目前隔离桩的设计施工仍主要依赖工程经验，缺乏明确的规范规定．
本研究通过有限元软件Plaxis2d，建立“隧道-隔离桩”相互作用分析模型，通过改变桩长、桩径、桩顶埋深以及隧道埋深等参数，研究隔离桩对地表及地层深层土体沉降的控制效率，以期为隔离桩的设计施工提供参考.
1.1 隔离桩二维数值模拟方法
Plaxis2d中隔离桩的模拟主要有3种实现方法：①方法1：利用板单元加界面单元模拟；
②方法2：利用点间锚杆单元模拟；
③方法3：利用Embdeded桩单元模拟．方法1利用板单元加界面单元模拟平面问题中的隔离桩，可定义材料轴向刚度和抗弯刚度，得到隔离桩内力，使用界面单元可以模拟桩与土之间相互作用，但现实排桩存在一定间距，方法1无法模拟这点，会产生与现实不符的连续剪切面．方法2中虽可模拟桩间距，但点间锚杆单元本质上是一个具有轴向刚度的弹簧单元，无法定义抗弯刚度，因而不能得到隔离桩弯矩和剪力等内力结果，且锚杆单元只在端点处与土体接触，无法模拟桩土相互作用．方法3综合前两种方法的优势，Embedded桩单元由桩单元与特殊界面单元构成，既能模拟排桩间距不产生连续剪切面，又能得到桩身内力，因此本研究主要使用方法3．
1.2 隔离桩数值模拟方法验证
为验证本研究隔离桩模拟方法及参数正确性，选取文献［9］中研究案例作为对比．采用Embedded桩单元模拟隔离桩，建立有限元分析模型，并将计算所得结果与文献［9］进行对比.隔离桩验证模型如图1，模型尺寸取125.0 m×60.0 m，足以消除边界对计算结果的影响．隧道埋深为22.0 m，盾构外径Dt=6400 mm，管片厚度t=300 mm；
高架桥承台下桩基础桩长为45.0 m，桩直径为1500 mm；
隧道两侧隔离桩采用钻孔灌注桩，桩长为37 m，桩身直径为800 mm，桩间距为900 mm，隔离桩与既有桥桩基础之间的最小桩间距为9.1 m．地层为均质黏土层，土体本构采用土体硬化模型，土体建模相关物理力学参数见表1．其中，Eref50为三轴固结排水剪切试验的参考割线模量；
Erefoed为固结试验参考切线模量；
Erefur为三轴固结排水卸载-再加载试验参考模量.
表1 土体主要参数Table 1 Main soil parameters of soil mass
图1 隔离桩数值模拟验证模型Fig.1 Isolation pile simulation verification mode.
模型中隔离桩、既有桥桩和隧道衬砌均采用线弹性混凝土材料模拟，密度ρ=2.55×103kg/m3，泊松比为0.15，弹性模量取30 GPa．开挖所引起的地层损失由隧道均匀径向体积收缩模拟，体积收缩率取0.8%.
桩身水平位移曲线如图2．由图2可见，隔离桩的设置对新建隧道周边建筑物起隔离保护作用．本研究虽采取与文献［9］不同的模拟方法，但从所得结果的吻合程度来看，可以认为本研究建模方法以及参数选取合理可用．
图2 既有桥桩桩身水平位移曲线Fig.2 Pile horizontal displacement curve of existing bridge piles without isolation piles in Ref.[9](solid black line)and this paper(dotted red line)as well as with isolation piles in Ref.[9](bule solid line)and this paper(double dotted perpul line)
1.3 不同模拟方法结果分析
模型计算尺寸为120 m×50 m，Dt为6000 mm，t=300 mm，中心埋深为15 m．在图3所示位置布置桩长L=21 m、桩直径为Dp=800 mm、桩间距Lsp=900 mm的隔离桩．采用单一土层进行计算，土体采用1.2节中的黏土．计算模型中，隧道衬砌和隔离桩均采用线弹性混凝土材料模型．按等刚度原则分别采用1.1节中的3种方法建立“隧道-隔离桩”相互作用的有限元模型，分析不同建模方法下所得结果的异同．
图3 不同模拟工况下的地层沉降云图（a）原隧道；
（b）方法1；
（c）方法2；
（d）方法3Fig.3 Vertical settlement cloud maps of stratum under(a)original tunnel,(b)method 1,(c)method 2,and(d)method 3.
由图4不同模拟工况下的地表沉降结果可知，方法2无法模拟桩土相互作用，除锚杆端点处其余数据点均与原隧道结果重合．方法3隔离桩后地表沉降值略小于方法1．方法1中土体被界面单元分割，不能表现出隔离桩处土体竖向位移的突变，但二者曲线其余部分趋势、规律基本吻合．
从地层沉降云图（图4）可看出，方法2仅在锚杆端点处模拟出沉降控制作用，方法1和方法3在隔离桩右端模拟控制效果呈相似规律，但在左端方法3对隧道上方控制效果的模拟更为合理．综上，本研究认为方法3最优，将使用方法3进行建模分析．
图4 不同模拟工况下的地表沉降Fig.4 Surface settlement under different simulation conditions.
为评价隔离桩对隧道开挖引起地层变形控制的控制效能，本研究采取郑刚等［10］提出的对于隔离桩控制效率η的定义，即
其中，Sref为不设隔离桩下的变形指标；
Ssp为有隔离桩时对应的变形指标.
以1.3节模型为基础，进行不同隧道埋深及设计参数下隔离桩地层变形控制效能的研究分析．取距隧道中心水平距离X=15 m处地表以及埋深15 m处两点分别为地表和地层深层土体的参考评价点．保持盾构外直径Dt=6000 mm与隔离桩桩间距Lsp=900 mm不变，对隔离桩桩长L、桩顶埋深h、桩径Dp、隔离桩与隧道中线水平距离S以及隧道埋深等5个因素进行研究，每个因素设5个水平．取其中1组参数为标准参数，当研究某参数变化时，其余参数保持标准参数组水平，参数水平如表2．
表2 研究因素及水平表1）Table 2 Factors and horizontal table m
2.1 隔离桩参数对控制效能的影响分析
2.1.1 桩长对控制效率的影响
选取L分别为12、15、18、21和24 m的情况，分析桩长变化对地表沉降和控制效率的影响，结果如图5和图6．对地表而言，当L分别为12 m和15 m时，控制效率分别为-17.04%和-10.25%，说明设置隔离桩反而加大了地表沉降；
当L为18 m时（桩底位于隧道底部深度），控制效率仅为9.68%，设置隔离桩对于减小地面沉降有效但效果有限；
当L由18 m分别增加到21 m和24 m时，控制效率分别增加了25.6%和48.1%，说明此时桩长的增加对减少地面沉降的效果比较明显，因此实际工程中隔离桩桩长至少应深入隧道底部1倍隧道半径.
图5 桩长变化对地表沉降的影响Fig.5 Influence of length of isolation pile on surface settlement.
图6 桩长变化对控制效率的影响Fig.6 Impact of pile length on control efficiency.
对地层深层土体来说，隔离桩的控制效率基本为负值，说明隔离桩的设置反而加大了深层土体的沉降，且控制效率随桩长增大出现先减小后增大的规律，定义控制效率最小时的桩长为最不利桩长，即此时对深层土体的最不利桩长为18 m.
2.1.2 水平距离对控制效率的影响
取S分别为6.0、7.5、9.0、10.5和12.0 m进行研究，并提取出地表沉降值．从图7水平距离变化对地表沉降的影响结果可见，当隔离桩与隧道中线的水平距离逐渐减小时，地表沉降槽曲线有向上偏移的趋势，d=6.0 m组的最大地表沉降值为19.13 mm，而d=12.0 m组的最大地表沉降值为22.60 mm，说明在一定范围内，隔离桩布置得离隧道越近隔断效果越好.水平距离变化对控制效率的影响如图8．从图8可见，无论是地表还是地层深层土体，桩的控制效率随着水平距离的增大而下降，且深层土体下降的趋势更为明显，直接从18.34%下降至-72.76%.
图7 水平距离变化对地表沉降的影响Fig.7 Influence of horizontal distance between isolation pile and tunnel on surface settlement.
图8 水平距离变化对控制效率的影响Fig.8 Impact of horizontal distance between isolation pile and tunnel on control efficiency.
2.1.3 桩径对控制效率的影响
桩径变化对地表沉降的影响见图9.由图9可见，在隔离桩距隧道中线水平距离为9 m、桩长L为21 m、桩间距Lsp=900 mm、桩顶埋深为0 m时，桩直径Dp在0.6～1.4 m之间变化对隔断效果影响并不明显.
图9 桩径变化对地表沉降的影响Fig.9 Influence of diameter of isolation pile on surface settlement.
2.1.4 桩顶埋深对控制效率的影响
郑刚等［10］指出埋入式隔离桩对坑外隧道水平位移的控制效率优于传统非埋入式隔离桩．为研究该情况对地表和地层深层土体沉降方面是否适用，将隔离桩埋深h作为研究因素，对其就沉降的控制效率进行分析．需要注意的是，为研究隔离桩上部桩体影响，分析时保持桩底位置在埋深21 m处，即随桩顶埋深增大，桩长也逐步减小.桩顶埋深变化对地表沉降的影响见图10．从图10可见，随着桩顶埋深逐步增加，地表沉降槽曲线有向下偏移的趋势，表明竖向沉降有所增大．但整体来看，增加的幅值并没有很大，不同桩顶埋深组曲线最大差值出现在隔离桩位置，为3.9 mm.
图10 桩顶埋深变化对地表沉降的影响Fig.10 Influence of pile top buried depth on surface settlemet.
桩顶埋深变化对控制效率的影响见图11．由图11可见，对于地表的控制效率随桩埋深增大先增大后减小，但整体变化幅值不大，最优桩顶埋深为4 m，最差为8 m，二者相差仅5.91%．而对于地层深层土体的控制效率变化规律明显不同，随桩顶埋深增大，深层土的控制效率提高了39%，说明对于深层土体而言，埋入式隔离桩对土体竖向沉降的控制效率明显优于非埋入式．综上，当实际工程需要兼顾地表土以及深层土的沉降控制时，可采用埋入式隔离桩，这样也更为经济.
图11 桩顶埋深变化对控制效率的影响Fig.11 Impact of the depth of the top of the pileon the control efficiency.
2.2 不同隧道埋深对控制效率的影响分析
为研究隧道埋深对隔离桩变形控制效率影响，建立以隧道埋深为唯一变量的二维有限元模型，隧道埋深从6 m至18 m线性内插取5个水平．隔离桩相关参数均按标准参数组取值，以X=15 m处为评价参考平面，作出该平面处地层竖向位移随深度变化的曲线（图12）．除去埋深18 m组，由于隔离桩长只取21 m，不能提供较好的控制效果外，设置隔离桩均能有效减小地表沉降，控制效率依次为92.07%、62.89%、35.38%和12.30%．即在相同隔离桩条件下，隧道埋深越深，隔离桩对地表沉降的控制效率会随之下降.
图12 竖向位移随深度变化曲线（X=15 m为参考平面）Fig.12 Vertical displacement versus depth for different tunnel depth(using X=15 m as reference surface).
雷永生［11］指出，隔离桩侧摩阻对地表建筑物沉降有很好的控制作用，该结果与图13一致．深层土体沉降值随隧道埋深变化曲线见图14．但从图14可以看出，对于地层深层土体而言，隔离桩的设置均加大了原有土体沉降．这是因为地表土体的沉降显著大于隔离桩桩身以及地层深层土体的沉降，因而地表土体在向下位移时会受到隔离桩对其向上的侧摩阻力，从而产生减小地表沉降的作用；
但对于地层深层土体而言，隔离桩由于自身刚度较大以及在上层土体的带动下，沉降值将大于相同埋深处的深层土体，因而会对深层土体产生向下的侧摩阻力，从而增大了地层深层土体的沉降值，最终出现负面沉降控制效果.
图13 地表沉降值随隧道埋深变化曲线Fig.13 Surface settlement versus tunnel depth.
图14 深层土体沉降值随隧道埋深变化曲线Fig.14 Isolation pile and deep soil settlement as function of tunnel depth.
对Plaxis2d中隔离桩的（利用板单元加界面单元模拟、利用点间锚杆单元模拟和利用Embdeded桩单元模拟等3种平面模拟方法进行评价分析，在此基础上通过改变桩长、桩径、桩顶埋深、桩水平位置以及隧道埋深等参数，研究隔离桩对地表及地层深层土体沉降的控制效率，可知：
1）3种模拟隔离桩的方法中，使用Embedded桩单元的模拟方法既能模拟排桩之间的间距又能得到桩身内力结果，综合了另外两种方法的优势，相较之下为最优的模拟方法.
2）桩长对地表沉降的影响最为明显，工程中至少应深入隧道底部达隧道半径，以保证对地表沉降的控制效果；
隔离桩设置得离隧道越近，控制效能越好，尤其是对深层土体沉降的控制；
桩径在0.6～1.4 m变化对控制效能影响不明显.
3）在相同隧道条件下，埋入式隔离桩对地表沉降的控制效能与非埋入式相比差别不大，但对地层深层土体的沉降控制效能明显优于非埋入式.
4）对于相同的隔离桩，隧道埋深越深，隔离桩对地表沉降的控制效率越低．而对地层深层土体而言，由于桩身侧摩阻力，隔离桩的设置反而加大了原有沉降，出现负面效果.
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