徐耀燈

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

緊鄰鐵路既有線的基坑施工不可避免會對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，在確?；臃€(wěn)定性的基礎(chǔ)上，如何方便施工的同時減少基坑位移和變形是必須考慮的重要因素。雙排樁支護結(jié)構(gòu)具有便于施工、控制變形能力強、前后排樁布置靈活的特點，已廣泛應(yīng)用于各種形式的基坑。以杭州火車東站新塘路地下通道基坑設(shè)計為例，對丁字式布置雙排樁的情況分別采用彈性法和有限元法計算，介紹雙排樁支護結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用情況。

1 工程實例

新塘路地下通道下穿杭州火車東站東西廣場，根據(jù)施工進度安排，需要在既有線附近開挖基坑。基坑位于既有場以西，場地整平地面高程7.5 m，站場路基面高程8.1 m，基坑深度11.5 m，寬32.4 m，順道路方向延伸。場地地貌屬錢塘江沖海積平原，表層為人工填土，其下為粉土和粉砂，再下為淤泥質(zhì)土，底層為細(xì)圓礫土，各土層物理力學(xué)指標(biāo)及計算參數(shù)取值見表1。

地基上部主要為粉土和粉砂，坑底位于粉砂層，地下水位距地表約0.5 m。地基下部的淤泥質(zhì)土層厚度較大，工程地質(zhì)條件較差，給基坑的設(shè)計帶來很大難度。在基坑開挖之前采用PHC500型管樁加固處理，樁位縱橫間距均為1.6 m，樁長以進入穿越淤泥質(zhì)土層進入其下持力層深度0.5 m控制。管樁地基處理一方面提高了地基土承載力，也使得主體結(jié)構(gòu)的工后沉降得以控制，保證了地下通道上方杭州火車東站站場范圍路基的穩(wěn)定。

表1 土層物理參數(shù)

2 基坑支護方案

新塘路地下通道基坑工程臨近既有營運鐵路線，且基坑深度較大，保證鐵路線路的安全，控制線路路基的位移是基坑設(shè)計的重點?；映书L條形，兩側(cè)采用鉆孔咬合樁加設(shè)橫向?qū)蔚膰o體系，整體穩(wěn)定性較強，而基坑端部無法設(shè)縱向內(nèi)撐，且基坑端部距鐵路既有線20 m，若設(shè)置拉錨對錨桿的長度要求較大，則受制于鐵路路基與基坑的距離，故考慮其他懸臂支護方案。目前單排樁的計算目前已較為成熟，但其圍護屬于懸臂式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度較小，計算顯示樁頂位移較大，對于基坑深度在10 m以上，其位移控制很難達(dá)到鐵路線路要求。雙排樁的前后排樁同時受力，且前后排樁與剛性冠梁之間形成一個門式剛架結(jié)構(gòu)，整體剛度較大，對位移控制效果明顯。針對現(xiàn)場具體情況，本基坑的鐵路端圍護結(jié)構(gòu)采用丁字式布置雙排樁，在控制結(jié)構(gòu)變形的基礎(chǔ)上同時實現(xiàn)工程效益的最大化。

圍護結(jié)構(gòu)布置情況如下:前后排樁均采用直徑1.0 m鉆孔灌注樁，前排樁間距為1.2 m，后排樁間距為2.4 m，排距為4.0 m，兩排樁間設(shè)雙排水泥攪拌樁止水帷幕，攪拌樁樁長19 m，進入坑底約7 m，冠梁截面為1.4 m×0.8 m，連梁截面為1.4 m×0.8 m，雙排樁冠梁端部與基坑兩側(cè)圍護樁的冠梁連為整體，見圖1、圖2。

圖1 基坑平面布置(單位:cm)

圖2 支護結(jié)構(gòu)剖面(單位:cm)

3 計算與分析

排樁支護結(jié)構(gòu)的研究主要有經(jīng)典法、彈性法和有限元法，有關(guān)雙排樁支護結(jié)構(gòu)的受力機理，許多專家學(xué)者提出了不同的計算模型，各種模型在實際應(yīng)用中也各有優(yōu)缺點。雙排樁的前后排樁布置靈活，在《建筑基坑支護規(guī)程》(JGJ 120－2012)中給出了矩形布置雙排樁的計算方法，其他布置形式并未介紹，在工程應(yīng)用中需進一步推導(dǎo)。對于丁字式排列雙排樁采用體積比例系數(shù)法的計算作如下考慮:基坑深H，雙排樁排距L，取L0=H tg(45°－φ/2)，前后排樁均有主動土壓力σa，按滑動體重量比例關(guān)系來確定樁間土在前后排樁的分擔(dān)系數(shù)α，樁間土對前后排樁產(chǎn)生土壓力α·σa，根據(jù)力的平衡，主動土壓力計算公式為

后排樁Pab=(1－α)σa;前排樁 Paf=(1+α)σa;

對被動土壓力同樣有:

后排樁 Pab=(1－α)σp;前排樁 Paf=(1+α)σp。

其中分擔(dān)系數(shù)α:

當(dāng)L/L0≤1時，α=2L/L0－(L/L0)^2;當(dāng) L/L0＞1時，α =1。

實際基坑支護為三維結(jié)構(gòu)，在平面計算軟件中對冠梁側(cè)向剛度K作如下考慮:

式中L為冠梁長度，a為計算點至梁端的距離，EI為冠梁橫截面剛度。

由于前后排樁頂冠梁間的連梁剛度較大，可視為剛接，有關(guān)樁的內(nèi)力與變形可按結(jié)構(gòu)力學(xué)的計算方法，在結(jié)構(gòu)所受的土壓力確定之后計算得出。

根據(jù)以上計算原則，利用理正深基坑軟件計算。由于地下水對基坑的影響很大，在計算過程中模擬工程現(xiàn)場實際情況，考慮基坑外側(cè)降水在地面下6 m，坑內(nèi)降水在基坑底下1 m。計算結(jié)果如圖3所示。在基坑開挖到底的工況中，前排樁變形較大，樁頂水平位移18 mm，最大水平變形在基坑以下7 m位置，約24 mm。根據(jù)實測資料，現(xiàn)場沿樁頂冠梁長度方向的1/3位置共布設(shè)兩個深層土體位移測點，測點位于后排樁之后?；娱_挖到底之后土體的實測位移值如圖4所示。結(jié)果顯示樁頂附近地面下0.5 m的水平位移約25 mm，土體的最大水平位移在地面下5 m左右，約31 mm。根據(jù)以上數(shù)據(jù)對比可知，對于基坑開挖面以上部分，計算的前排樁變形與實測土體水平位移較接近;而在地基的深層土體位移指標(biāo)上后排樁的變形與實測土體水平位移較接近，計算結(jié)果較能反映土體的整體情況。

平面計算軟件計算長條形的基坑較為準(zhǔn)確，但對一些邊界條件較為復(fù)雜和特殊的情況，不能做到精確模擬整個體系的變形分布，往往只能通過增加剛度限制條件或設(shè)定折減系數(shù)對基坑的特定斷面進行簡化計算。本基坑的邊界條件相對復(fù)雜，在已有平面模擬計算的基礎(chǔ)上，為了進一步復(fù)核基坑的變形情況，采用midas/GTS有限元分析軟件對雙排樁支護結(jié)構(gòu)進行三維模擬。在有限元計算過程中，對土體采用實體建模，屈服準(zhǔn)則采用常用的摩爾－庫倫本構(gòu)模型，圍護樁采用彈性體本構(gòu)模型，同時由于地基采用管樁加固，對被動區(qū)土體強度提高很大，計算時對相應(yīng)土層的彈性模量進行了提高。受節(jié)點限制，模型的邊界條件根據(jù)力學(xué)規(guī)則加以合理簡化，對模型底部及外側(cè)設(shè)置固定邊界模擬無限遠(yuǎn)，在建模時利用對稱性取基坑的半結(jié)構(gòu)進行計算，在對稱軸處加上相應(yīng)的轉(zhuǎn)動約束，施工工況考慮一次開挖到底，其余參數(shù)取值同表1，計算模型如圖5所示。

圖3 理正雙排樁計算結(jié)果

圖4 實測土體水平位移

圖5 Midas/GTS計算模型

圖6 Midas/GTS水平位移計算結(jié)果

軟件分析控制主要考慮施工階段，計算結(jié)果見圖6。由圖6可知，離基坑邊越近土體的水平位移越大，較遠(yuǎn)處水平位移很小。本工程鐵路線位遠(yuǎn)離基坑邊約20 m，鐵路既有線位置位移約5 mm，滿足鐵路線路的監(jiān)測要求。顯示樁頂附近土體位移約10 mm，在基坑外后排樁位置底部土體的水平位移最大約30 mm，深層土體位移較大約20 mm。以上結(jié)果表明，三維模擬計算的基坑上部數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)較為符合，能反映圍護結(jié)構(gòu)體系的真實情況，基坑下部的土體位移則與實際情況相差較大，主要與第四層淤泥質(zhì)土的加固改善效果密切相關(guān)。整體來說，三維有限元分析對基坑的位移變形與應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律是符合客觀實際的。

4 結(jié)束語

雙排樁支護體系的前后排樁在頂部連梁作用下協(xié)同受力，其受力性狀較為復(fù)雜，而軟土地區(qū)的土層開挖時具有較強的時空效應(yīng)，在基坑設(shè)計時需考慮現(xiàn)場各種影響因素，采取相應(yīng)對策;在計算過程中需盡可能模擬工程實際情況，以達(dá)到計算結(jié)果能指導(dǎo)基坑作業(yè)全過程的目的。

從現(xiàn)場情況發(fā)現(xiàn)，冠梁出現(xiàn)豎向輕微裂縫，工程中應(yīng)加強樁頂與連梁的節(jié)點構(gòu)造，減少裂縫產(chǎn)生;結(jié)構(gòu)的整體位移和變形很小，滿足鐵路運營線路的要求，本基坑支護的成功經(jīng)驗可供類似基坑工程借鑒。

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