随着城市地铁隧道大量投入运营,隔离桩在目前大建设环境下具有广泛的应用前景。目前,隔离桩控制基坑开挖对邻近隧道影响的试验研究和实际应用还比较少。因此,有必要对隔离桩控制基坑开挖对邻近隧道影响进行探索性研究,从而为其在邻近隧道的基坑工程中应用提供相关依据。本文基于控制方程推导了隧道和围护结构相似性,分别开展了软土地层围护结构内凸型变形模式基坑和砂土地层围护结构悬臂型变形模式基坑开挖模型试验。在两种基坑条件下,分别设置无隔离桩、桩顶无埋深隔离桩和桩顶有埋深隔离桩进行分工况模型试验,主要成果如下:(1)本文基于薄板弯曲微分方程和Winkler弹性地基梁挠曲微分方程推导盾构隧道管片相似性,总结盾构隧道环向和纵向刚度有效率。基于围护结构挠曲微分方程,推导分析了围护结构相似性。(2)通过各工况基坑试验,发现围护结构内凸型变形模式基坑开挖完成后围护结构水平位移呈内凸型;围护结构悬臂型变形模式基坑开挖完成后围护结构水平位移呈悬臂型。实测数据表明隔离桩的加入使围护结构弯矩和水平位移均减小,且桩顶无埋深隔离桩控制效率明显优于桩顶有埋深隔离桩。分析表明,隔离桩横向阻隔作用减小了围护结构弯矩和水平位移。相对于桩顶无埋深隔离桩,桩顶有埋深隔离桩对围护结构横向阻隔作用发挥更充分。(3)通过各工况试验,发现隧道水平位移和竖向位移均随坑深隧深比(基坑深度/隧道埋深)增加不断增加。基坑开挖完成后,围护结构内凸型变形模式基坑中桩顶无埋深隔离桩的加入使隧道水平位移和竖向位移分别增加23.1%和38.6%,桩顶有埋深隔离桩的加入使隧道水平位移和竖向位移分别减小71.8%和63.0%。分析表明,桩顶无埋深隔离桩位于弓形水平变形区域内桩身长度较大,此时隧道主要位于主动土压力发展区,隧道水平位移和竖向位移均增大;桩顶有埋深隔离桩位于弓形水平变形区域桩长减小,此时隧道位于被动土压力发展区,隧道水平位移和竖向位移均减小。围护结构悬臂型变形模式基坑中桩顶无埋深隔离桩的加入使隧道水平位移和竖向位移分别减小29.5%和18.1%,桩顶有埋深隔离桩的加入使隧道水平位移和竖向位移分别减小51.2%和60.2%。分析表明,桩顶无埋深隔离桩位于悬臂型水平变形区内桩长度较大,该段桩身出现嵌固段起到了增加桩顶埋深效果,隧道水平位移和竖向位移均减小;桩顶有埋深隔离桩位于悬臂型水平变形区内桩长减小,隧道水平位移和竖向位移进一步减小。(4)通过各工况试验,得到隧道环向弯矩随坑深隧深比变化规律。基坑开挖完成后,实测数据表明,围护结构内凸型变形模式基坑中桩顶无埋深隔离桩的加入使隧道环向弯矩最大值增加3.8%,弯矩最小值减小132.6%;桩顶有埋深隔离桩的加入使隧道环向弯矩最大值增加13.2%,弯矩最小值减小48.8%。基坑开挖完成后,围护结构悬臂型变形模式基坑中桩顶无埋深隔离桩的加入使隧道环向弯矩最大值减小45.8%,弯矩最小值增加25.2%,桩顶有埋深隔离桩的加入使隧道环向弯矩最大值减小53.0%,弯矩最小值增加48.3%。分析表明,隧道位于被动土压力发展区时可一定程度上减小隧道环向弯矩,隧道位于多个主、动被动发展区时增加了隧道环向弯矩。(5)基于试验结果并结合朗肯土压力理论,分析得到隔离桩的作用机理。隧道位于主动土压力发展区时,隧道水平位移和竖向位移均增大;隧道位于被动土压力发展区时,隧道水平位移和竖向位移均减小。设置桩顶埋深需将隧道置于被动土压力发展区,且隧道整体位于该区域内时,需考虑隧道位移和环向弯矩控制率的平衡。(6)本文结合实测数据和国内6个隔离桩工程,采用数据统计归类分析隔离桩对围护结构水平位移影响因素,得到随坑深桩长比(基坑深度/隔离桩长度)、坑深桩坑距比(基坑深度/隔离桩与基坑距离)和隔离桩抗弯刚度等效厚度增加围护结构水平位移减小;随桩顶埋深增加围护结构水平位移增大。