汪龍兵

(中鐵十二局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030024)

鄰近既有線深基坑支護(hù)方案優(yōu)化與施工安全研究

汪龍兵

(中鐵十二局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030024)

蘇州火車站I期建設(shè)中兩個(gè)地鐵出入口深基坑鄰近既有京滬線，原支護(hù)方案對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況考慮不足，施工效率不高，影響工程進(jìn)度，需要進(jìn)行優(yōu)化。靜力計(jì)算表明，優(yōu)化方案可明顯減小路基中心、邊坡坡頂和鄰近路基側(cè)連續(xù)墻的變形;通過(guò)對(duì)邊坡潛在滑動(dòng)面和塑性區(qū)的模擬，提出相應(yīng)的加固和防護(hù)措施;通過(guò)建立列車—軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型分析列車動(dòng)荷載對(duì)基坑邊坡的影響，計(jì)算結(jié)果表明，列車動(dòng)荷載對(duì)路基和基坑位移影響在規(guī)定范圍之內(nèi)。工程實(shí)施過(guò)程中，路基沉降和基坑連續(xù)墻變形在規(guī)定范圍之內(nèi)。

鄰近既有線基坑 靜力學(xué)模型 列車動(dòng)荷載 支護(hù)方案優(yōu)化 邊坡穩(wěn)定

1 工程概況

蘇州火車站是一座集鐵路站房、城市軌道和城市道路交通換乘功能于一體的現(xiàn)代化大型交通樞紐。整體工程分三期建設(shè)，Ⅰ期為北側(cè)城際鐵路站房及地下地鐵車站建設(shè)，Ⅱ期為普速鐵路過(guò)渡場(chǎng)建設(shè)，Ⅲ期為南側(cè)普速鐵路站房建設(shè)。Ⅰ期工程位于原蘇州火車站北側(cè)，地上兩層，地下三層，地下負(fù)一層以上為鐵路站房，地下負(fù)二、負(fù)三層為地鐵車站，地鐵3號(hào)和4號(hào)出入口位于地鐵4號(hào)線火車站站南端，為地鐵站與火車站之間南側(cè)的兩個(gè)出入口，開(kāi)挖深度為17 m，局部為21 m。Ⅰ期工程建設(shè)中，原蘇州火車站保持正常運(yùn)行。

由于Ⅰ期工程建設(shè)的地鐵4號(hào)線火車站站3號(hào)和4號(hào)出入口深大基坑鄰近既有京滬線，深大基坑支護(hù)原方案采用一級(jí)放坡深度為3.5 m，在基坑北側(cè)設(shè)置反壓土臺(tái)和斜拋撐?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)情況，這種支護(hù)方案將嚴(yán)重影響蘇州站Ⅰ期工程建設(shè)進(jìn)度，無(wú)法滿足與滬寧高鐵線路同步開(kāi)通要求，必須進(jìn)行優(yōu)化。京滬線與深基坑剖面如圖1。

2 原方案存在的問(wèn)題及優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

圖1 京滬線與深基坑剖面(單位:mm)

蘇州站工程Ⅰ期為北側(cè)城際站房和地下地鐵車站合建，原方案中，3號(hào)和4號(hào)出入口的深大基坑北側(cè)反壓土臺(tái)及臨時(shí)鋼支撐等位置處，設(shè)計(jì)有大量的站房結(jié)構(gòu)。在3號(hào)和4號(hào)出入口內(nèi)部結(jié)構(gòu)施工完成后，方可挖除反壓土臺(tái)范圍內(nèi)的土方、破除上部圍護(hù)結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行該區(qū)域的站房結(jié)構(gòu)施工。由此，此區(qū)域?qū)?yán)重影響蘇州站Ⅰ期工程建設(shè)進(jìn)度，無(wú)法滿足與滬寧高鐵線路同步開(kāi)通要求。

經(jīng)分析，原方案中的反壓土臺(tái)工序是制約工序和工期的關(guān)鍵因素，因此，需對(duì)鄰近既有線深大基坑支護(hù)方案重新研究并優(yōu)化。優(yōu)化的前提是保證深基坑施工安全、鄰近既有線運(yùn)行安全，目的是優(yōu)化工序、節(jié)省施工費(fèi)用，措施是取消反壓土臺(tái)，減少重復(fù)開(kāi)挖。

經(jīng)初步討論，對(duì)3號(hào)和4號(hào)出入口鄰近既有線深大基坑支護(hù)提出了多種方案，較為理想的建議方案如圖2所示，1∶1放坡加土釘支護(hù)，兩級(jí)放坡，中間設(shè)2 m寬平臺(tái)，兩級(jí)邊坡平臺(tái)上設(shè)置水泥攪拌樁，坡面采用錨桿加土釘護(hù)坡，基坑支護(hù)第一道支撐由鋼支撐改為混凝土支撐。

圖2 出入口優(yōu)化建議方案

在建議方案中，增加放坡開(kāi)挖深度，基坑地下連續(xù)墻的深度比原方案減少了8.5 m，完全取消了基坑北側(cè)反壓土臺(tái)及臨時(shí)鋼支撐，但邊坡頂點(diǎn)與既有鐵路線的中心距離從8 m減少到6 m，工程安全風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。

3 方案可行性分析

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)選取

利用有限元軟件對(duì)基坑施工引起的既有線位移及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析。模型中巖土體材料采用H-S模型(Hardening Soil Model)，即各向同性硬化塑性模型，使用的是塑性理論，考慮了土體的剪脹性，能較好地模擬開(kāi)挖土體的卸載特性。

地下連續(xù)墻采用Plate單元模擬，混凝土支撐采用Beam單元模擬，鋼支撐和支護(hù)錨桿采用Anchor單元模擬，坡面面層混凝土采用Plate單元模擬。結(jié)構(gòu)單元與實(shí)體單元間設(shè)置接觸單元，接觸面剛度用強(qiáng)度折減系數(shù)來(lái)模擬，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本文取0.6。

考慮到基坑施工的邊界效應(yīng)，模型尺寸取為長(zhǎng)80 m，高40 m，土層物理力學(xué)參數(shù)按照表1選取。應(yīng)用靜力學(xué)模型計(jì)算時(shí)，把列車(活)荷載和軌道靜荷載的總重簡(jiǎn)化為與路基土同質(zhì)的土柱，均勻地作用在路基面上，根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10001—2005)規(guī)定，以土體重度18 kN/m3計(jì)算，換算土柱寬度為3.7 m，高度為3.4 m。

3.2 計(jì)算結(jié)果及分析

經(jīng)靜力學(xué)模型計(jì)算，原方案和優(yōu)化建議方案的地層和結(jié)構(gòu)變形如表2。

從表2可以看出，新建議方案的路基中心變形、坡頂變形及地下連續(xù)墻變形均低于原設(shè)計(jì)方案，連續(xù)墻最大水平位移減少了44.9%，坡頂水平、豎向位移分別減少了66.2%和56.7%，路基中心水平、豎向位移分別減小65.5%和41.6%。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 地層和結(jié)構(gòu)變形大小對(duì)比 mm

優(yōu)化建議方案既有線邊坡較原方案深且陡，因此對(duì)第二級(jí)邊坡放坡開(kāi)挖完成后支護(hù)未施作之前邊坡的潛在滑動(dòng)面位置及塑性區(qū)進(jìn)行了分析。邊坡潛在失穩(wěn)的區(qū)域?yàn)檠芈坊饩壠履_處引出的一段圓弧，破壞土層至④3粉土夾粉質(zhì)黏土層之上。二級(jí)平臺(tái)攪拌樁的加固主要是減少該區(qū)域土體破壞，提高帷幕止水效果，同時(shí)施工中及時(shí)噴混凝土護(hù)坡，禁止邊坡平臺(tái)荷載超限等，以利于提高邊坡穩(wěn)定性。

3.3 列車動(dòng)荷載對(duì)基坑邊坡的影響分析

考慮列車振動(dòng)對(duì)路基邊坡穩(wěn)定的影響，通過(guò)車輛—軌道耦合動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算列車作用于軌道上的輪軌力，然后根據(jù)所求的輪軌力，采用非線性數(shù)值分析，計(jì)算基坑在各工況下線路和基坑的動(dòng)變形規(guī)律。

列車—軌道系統(tǒng)動(dòng)力分析模型是由車輛模型、軌道模型以及按照一定的輪軌運(yùn)動(dòng)關(guān)系聯(lián)系起來(lái)組成的系統(tǒng)。對(duì)基坑穩(wěn)定性影響最大的是其豎向動(dòng)力性能的響應(yīng)規(guī)律，因此本基坑支護(hù)穩(wěn)定性分析采用具有兩系懸掛的車輛—軌道垂向耦合模型。列車—軌道系統(tǒng)垂向耦合動(dòng)力模型見(jiàn)圖3。

由于列車的動(dòng)載作用，基坑支護(hù)穩(wěn)定性需進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算。動(dòng)力學(xué)模型中的激勵(lì)荷載與時(shí)間t有關(guān)，相應(yīng)的位移、應(yīng)變和應(yīng)力都是時(shí)間的函數(shù)，因此在建立單元體的力學(xué)模型時(shí)，除靜態(tài)作用力外，尚需考慮動(dòng)作用力以及慣性力和阻尼力?？紤]這些力的影響之后，建立單元體和連續(xù)體(組合體)的動(dòng)力基本方程。系統(tǒng)的動(dòng)力方程可寫(xiě)為

圖3 列車—軌道系統(tǒng)垂向耦合動(dòng)力模型

式中，［M］e為集中質(zhì)量矩陣，［C］e為瑞雷比例阻尼矩陣，［K］為彈簧剛度矩陣，{F}為作用力矩陣。

式中，α和β可由結(jié)構(gòu)前兩個(gè)較小的自振頻率 ω1，ω2和相應(yīng)的振型阻尼比表示為

式中，ξ1，ξ2分別為與 ω1，ω2相關(guān)的阻尼比。

求解系統(tǒng)的動(dòng)力方程通常采用振型迭加法和逐步積分法。但對(duì)巖土結(jié)構(gòu)和地下結(jié)構(gòu)物，一般呈非線性受力性態(tài)，因此多采用逐步積分法，即采用 Newmark方法計(jì)算。

考慮列車通過(guò)速度為45 km/h(側(cè)向過(guò)岔速度)的振動(dòng)荷載。采用列車—軌道耦合動(dòng)力分析模型計(jì)算得到列車荷載作用在路基表面上的力的時(shí)程曲線如圖4，頻域曲線如圖5。

圖4 路基表面荷載時(shí)程曲線

在優(yōu)化建議方案中，分別模擬計(jì)算施工過(guò)程中的4種工況:①基坑尚未開(kāi)挖;②第一級(jí)邊坡放坡開(kāi)挖完成，而錨桿支護(hù)尚未施作;③第二級(jí)邊坡放坡開(kāi)挖完成，而錨桿支護(hù)尚未施作;④出入口基坑開(kāi)挖到第二層臨時(shí)支撐位置，而支撐尚未施作。

圖5 單個(gè)軌枕作用到地基土表面的荷載頻譜

前3種工況路基中心點(diǎn)位置的水平動(dòng)位移比較接近，最大值約0.30 mm，工況4路基中心點(diǎn)位置的水平動(dòng)位移突然增大，最大值約為0.67 mm，約為線路容許累計(jì)水平位移值(8.00 mm)的8.4%。

路基中心點(diǎn)位置的豎向動(dòng)位移也有類似規(guī)律:前3種工況下路基中心點(diǎn)位置的豎向動(dòng)位移比較接近，最大值約1.4 mm，工況4路基中心點(diǎn)位置的豎向動(dòng)位移最大值增大為約2.0 mm，增大43%，約為線路容許累計(jì)豎向位移值(20.0 mm)的10%。

列車動(dòng)載對(duì)鄰近基坑地下連續(xù)墻的附加動(dòng)位移值較小，最大水平附加動(dòng)變形僅約為0.004 mm，最大豎向附加動(dòng)變形僅約為0.300 mm，地連墻最大水平附加動(dòng)變形僅為允許值的0.03%。

4 優(yōu)化方案實(shí)施效果

在2009年4月—8月該區(qū)域采取優(yōu)化方案施工期間，委托第三方對(duì)出入口基坑支撐軸力、圍護(hù)墻變形及既有線路基變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，線路路基累計(jì)沉降沒(méi)有大于20 mm，各項(xiàng)指標(biāo)均在設(shè)計(jì)和規(guī)范要求范圍之內(nèi)，順利完成了施工任務(wù)。

由于3號(hào)和4號(hào)出入口基坑單側(cè)超載，連續(xù)墻水平位移不同于一般基坑，如圖6所示:南側(cè)連續(xù)墻主要向坑內(nèi)發(fā)生水平變形，而北側(cè)連續(xù)墻上部受南側(cè)連續(xù)墻向坑內(nèi)水平變形的影響，其上部發(fā)生了向坑外的水平變形，但下部仍未朝向坑內(nèi)的水平位移?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)規(guī)律與計(jì)算分析的規(guī)律是相同的，且其量值比較接近，連續(xù)墻墻身最大水平變形約11 mm，不超過(guò)一級(jí)基坑最大水平變形的允許要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)施工方案優(yōu)化蘇州火車站改造Ⅰ期工程縮短工期3個(gè)半月，節(jié)約施工費(fèi)用181萬(wàn)元，保證了既有線路運(yùn)行安全，實(shí)現(xiàn)了蘇州站北側(cè)城際站房與滬寧城際線路同步開(kāi)通運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

圖6 出入口基坑圍護(hù)墻水平位移隨時(shí)間變化曲線

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TU94+2;U455.7+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．31

1003-1995(2013)04-0101-04

2012-07-17;

2013-01-16

汪龍兵(1979— )，男，安徽桐城人，工程師。

(責(zé)任審編 李付軍)