潘振華

(上海鐵路局工務(wù)處,上海 210075)

超大型深基坑對高速鐵路橋墩穩(wěn)定性影響分析

潘振華

(上海鐵路局工務(wù)處,上海 210075)

隨著近鄰高速鐵路沿線房地產(chǎn)的開發(fā)，建筑基坑施工有可能影響到高速鐵路橋梁、路基的穩(wěn)定性，為了減小基坑開挖產(chǎn)生的不利影響，確保高速鐵路行車安全，通過大型有限元軟件計(jì)算以及現(xiàn)場位移、水位等實(shí)時檢測手段進(jìn)行穩(wěn)定性分析，同時，研究了深基坑開挖及抽水過程對高速鐵路橋梁樁基變形的影響規(guī)律及范圍。結(jié)果顯示，基坑自身的穩(wěn)定性及其降水后的水位位置，對高速鐵路橋梁橋墩的水平位移有著重要影響，且這種影響關(guān)系是復(fù)雜的，影響范圍較大，因此，不能僅以基坑與高速鐵路的距離是否在20m以上作為安全標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)根據(jù)基坑深度、大小以及需要降水的程度，結(jié)合其與高速鐵路距離、地層土質(zhì)力學(xué)參數(shù)等因素，綜合評價(jià)其對高速鐵路的影響。

高速鐵路；深基坑；橋墩；變形；穩(wěn)定

由于滬寧高速鐵路采用無作軌道結(jié)構(gòu),無論是路基,還是橋墩的變形(包括水平位移和沉降)將被嚴(yán)格控制,否則將嚴(yán)重威脅高速鐵路的行車安全［1]。蘇州虎丘婚紗城的超大深基坑開挖施工以及工程抽水可能導(dǎo)致高速鐵路橋墩的變形［2],本文就此工程案例對滬寧城際橋梁穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析,提出在高速鐵路附近進(jìn)行深基坑方案設(shè)計(jì)和施工時的控制要點(diǎn),即應(yīng)以嚴(yán)格控制高速鐵路橋墩的變形為目標(biāo),以確保高速鐵路的安全運(yùn)行。

1 深基坑工程的水文地質(zhì)及高速鐵路橋梁概況

蘇州虎丘婚紗城的基坑距離滬寧高速鐵路(里程K87+796～K88+716,為蘇州西特大橋75號～106號橋墩間)為36.7 m,基坑沿鐵路方向長920 m,垂直鐵路方向長115 m,基坑總面積約10萬m2,其中A區(qū)基坑開挖深度為10.2 m,B、C區(qū)為5.65 m,見圖1。

圖1 基坑平面

根據(jù)滬寧高速鐵路蘇州西特大橋地質(zhì)資料,地基土為第四系全新統(tǒng)湖泊沼澤沉積層(Q4l+h)、第四系上更新統(tǒng)(Q3al)沖積形成的砂類土及黏性土,主要由人工填土、淤泥質(zhì)土、黏性土、粉土和粉砂組成。地下水有潛水、微承壓水和承壓水3層。其中潛水存于表層填土層中,分布不均勻,水量小,主要接受大氣降水補(bǔ)給影響,潛水穩(wěn)定水位埋深0.20～2.50 m。下伏的黏土層②和粉質(zhì)黏土夾粉土層③透水性差,是潛水含水層與微承壓含水層之間較好的隔水層。微承壓水主要賦存于④1粉土夾粉砂、④2粉砂夾粉土層中,主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給及越流補(bǔ)給。承壓水主要賦存于⑨粉土、粉砂系列中,埋藏深。根據(jù)地區(qū)工程實(shí)踐,粉土層及其微承壓水對本工程基坑工程建設(shè)有較大影響,各土層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土的力學(xué)參數(shù)

蘇州西特大橋采用矩形橋墩,橋臺采用矩形空心臺。樁基均進(jìn)入⑤-2第四系上更新統(tǒng)粉土層,見圖2。墩臺基礎(chǔ)采用鉆孔樁基礎(chǔ),樁徑1 m。橋墩基礎(chǔ)為矩形承臺,尺寸為6.3 m×8.6 m,厚2 m,承臺為8根樁。

圖2 蘇州西特大橋樁基橋墩示意（單位：cm)

假定A區(qū)基坑防護(hù)體系采用鉆孔灌注排樁(φ0.9 m,長20 m)、一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐支護(hù),并采用2道攪拌樁止水帷幕(φ0.9 m,長20 m)。B、C區(qū)沿滬寧城際一側(cè)采用2排鉆孔灌注排樁(φ0.8 m,長20 m)支護(hù),并采用1道攪拌樁止水帷幕(φ0.9 m,長20 m)。在考慮止水帷幕完全隔水的情況下,利用平面有限元對A、B、C區(qū)基坑開挖時對橋墩變形進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 A區(qū)基坑周圍土體水平位移等值線

圖4 A區(qū)基坑周圍土體沉降等值線

對于A區(qū)基坑:基坑開挖深度為10.2 m,沉降影響最遠(yuǎn)區(qū)域應(yīng)為40.8 m,而滬寧城際鐵路的橋梁墩臺距基坑36.7 m,基坑開挖造成水平位移為0.7 mm,沉降為0.4 mm。

對于B、C區(qū)基坑:基坑開挖深度為5.65 m,沉降影響區(qū)最遠(yuǎn)區(qū)域應(yīng)為22.6 m,而滬寧城際鐵路橋梁墩臺距離基坑邊位36.7 m,基坑支護(hù)開挖造成水平位移應(yīng)為0,沉降取值應(yīng)為0。

圖5 B、C區(qū)基坑周圍土體水平位移等值線

圖6 B、C區(qū)基坑周圍土體沉降等值線

2 基坑降水對滬寧城際鐵路的影響

考慮在止水帷幕發(fā)生不同程度失效的情況下,基坑降水造成的地表沉降對滬寧城際鐵路的影響。

2.1 基坑未采取止水帷幕措施時進(jìn)行降水

根據(jù)提供的設(shè)計(jì)資料,A區(qū)地下水位埋深0.75 m,水位降深按降至坑底下1 m考慮,滲透系數(shù)取K= 2.52×10-3cm/s≈2.2 m/d。

如按《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》［3](JGJ120―2012)中的要求計(jì)算

得Q=1 739 m3/d

如按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取單井出水量110 m3/d計(jì)算

按18口井布置設(shè)計(jì),坑內(nèi)中心點(diǎn)的降深為

滬寧城際鐵路橋墩處36.7 m遠(yuǎn)的降深為

根據(jù)表1土層參數(shù)按分層總和法計(jì)算因降水導(dǎo)致周邊地表沉降:

S=S1+S2=σ1H1/ES1+σ2H2/ES2S1(S2)、σ1(σ2)、H1(H2)、ES1(ES2)分別是降水位以上(以下)的沉降量、自重附加應(yīng)力、土層厚度、平均壓縮量。

據(jù)此計(jì)算出距離基坑36.7 m外A區(qū)側(cè)滬寧城際橋墩附近地表沉降值為46 mm,同理可計(jì)算出B、C區(qū)降水影響對滬寧城際橋墩附近地表沉降值為5 mm。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,A區(qū)基坑在止水帷幕失效情況下,引起鐵路橋梁墩臺附近地表的沉降較大,進(jìn)而導(dǎo)致橋墩下沉,而B、C區(qū)即使在止水帷幕完全失效的情況,引起的橋墩附近地表沉降很小,況且在實(shí)際施工過程中,基坑止水帷幕出現(xiàn)完全失效的概率非常低。故此處僅對A區(qū)基坑止水帷幕在不同失效情況下進(jìn)行分析。

2.2 基坑止水帷幕部分失效

如圖7所示,可在基坑止水帷幕外側(cè)設(shè)置水位觀測井1,在滬寧城際鐵路橋梁墩臺附近設(shè)置水位觀測井2,兩者可通過承壓完整井的地下水位降深計(jì)算公式獲得之間的關(guān)系,通過建立聯(lián)動,當(dāng)滬寧城際鐵路橋墩處水位發(fā)生變化時可在止水帷幕外側(cè)觀測得到,并及時獲取止水帷幕的失效情況,及時處理,避免發(fā)生帷幕大量漏水情況。

圖7 基坑止水帷幕外側(cè)降水井與鐵路橋梁墩臺處降水井關(guān)系

當(dāng)基坑止水帷幕部分失效時,止水帷幕外側(cè)水位觀測井的水位將處于止水帷幕完全失效情況下的水位和完全封閉的水位之間,此時計(jì)算得到觀測井1與觀測井2之間的關(guān)系見圖8。

圖8 止水帷幕外側(cè)水位與橋梁墩臺處水位關(guān)系

2.3 橋梁墩臺位置水位變化與橋梁墩臺沉降關(guān)系

橋梁墩臺位置的水位變化將引起樁體產(chǎn)生負(fù)摩阻力,負(fù)摩阻力則引起橋梁墩臺的附加應(yīng)力,附加應(yīng)力將導(dǎo)致橋梁底部壓縮層的沉降。當(dāng)隔水帷幕失效或部分失效時,由于基坑內(nèi)井點(diǎn)降水,致使橋墩處水位下降,引起土體固結(jié)沉降,在橋墩樁基上產(chǎn)生負(fù)摩阻力,最終導(dǎo)致樁基沉降。降水后樁周土體沉降不會立即完成,需要固結(jié)過程,即負(fù)摩阻力不會立即全部施加在樁基上。

為安全起見,當(dāng)帷幕失效導(dǎo)致坑外降水時,土層固結(jié)度按100%考慮。運(yùn)用固結(jié)沉降理論計(jì)算不同降水深度引起的樁周土體沉降,再計(jì)算由樁周土體沉降引起的負(fù)摩阻力及樁端沉降。樁基負(fù)摩阻力取決于中性點(diǎn)位置的確定,中性點(diǎn)深度ln按樁周土層沉降與樁沉降相等的條件迭代計(jì)算。

先假定ln,計(jì)算樁基負(fù)摩阻力

按《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》,計(jì)算樁基沉降,將樁基當(dāng)作實(shí)體基礎(chǔ),基底壓力按擴(kuò)散角ˉφ/4擴(kuò)散平均分布。樁底中心沉降計(jì)算公式

對比降水引起的樁周土層沉降與樁基沉降,初始條件下,樁周土體的沉降值勢必大于樁基沉降值,此時,找到與樁基沉降值相等的樁周土沉降點(diǎn),再次假定此點(diǎn)為ln,迭代計(jì)算,直至找到初始設(shè)定中性點(diǎn)值ln大于反算中性點(diǎn)值l′n,且差值小于0.1 m時,終止計(jì)算。此處計(jì)算時,將考慮水位下降過程中,不同透水性土層的沉降計(jì)算差異。

橋梁墩臺處水位降深與中性點(diǎn)及中點(diǎn)沉降值關(guān)系見表2。

表2 水位降深與中性點(diǎn)及中點(diǎn)沉降值關(guān)系

由以上計(jì)算結(jié)果可知,在基坑止水帷幕不同失效情況下,坑外水位下降對橋墩沉降非常敏感,橋墩處水位下降0.5～4.8 m,對應(yīng)的沉降量為3.05～15.59 mm,二者呈非線性關(guān)系。當(dāng)帷幕完全失效時,基坑中心降水為11.3 m時,橋梁墩臺處水位將下降4.8 m,導(dǎo)致的橋梁墩臺中點(diǎn)沉降值為15.59 mm。另外,由于基坑距離鐵路橋墩距離較遠(yuǎn),基坑降水引起鐵路橋墩處的水位差變化甚微,由此產(chǎn)生的鐵路橋墩水平位移可忽略,因此,A區(qū)基坑的施工控制是保證滬寧高速鐵路安全的關(guān)鍵。

3 針對基坑施工對橋墩影響所采取的工程措施

雖然《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》［4]規(guī)定,無作軌道橋梁墩臺基礎(chǔ)的墩臺均勻沉降最終值為20 mm,相鄰墩臺沉降差為5 mm,但不應(yīng)作為施工所引起高速鐵路橋梁設(shè)備變形控制值。根據(jù)滬寧城際等高速鐵路運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)要求,一方面要求基坑支護(hù)設(shè)計(jì)以高速鐵路設(shè)備零變形為原則,采取有效的工程措施；另一方面,作為高速鐵路設(shè)備的施工監(jiān)控極限值,一般路基或橋墩的取值為:累計(jì)水平位移、沉降均不超過2 mm。從理論計(jì)算知,A區(qū)基坑開挖導(dǎo)致橋墩的水平位移、沉降分別為0.7 mm、0.4 mm；同時應(yīng)將橋墩水位下降值控制在0.5 m以內(nèi),防止橋墩沉降超限。

對開挖深度為10 m的深坑用1道鋼筋混凝土內(nèi)支撐時,可用平面檢算方法檢算基坑的穩(wěn)定性及高速鐵路橋墩的變形,但考慮到該基坑為近24 000 m2的超大深基坑,基坑的空間穩(wěn)定效應(yīng)不可忽視,因此,采取2道鋼筋混凝土內(nèi)支撐的工程措施以增加基坑的穩(wěn)定性,并可減小橋墩變形值。

止水帷幕的質(zhì)量是保證橋墩水位不發(fā)生較大波動的關(guān)鍵［5]。主要措施為:(1)加長攪拌樁長度,使之嵌入不透水的黏土層2 m；(2)考慮承壓水對攪拌樁施工質(zhì)量的影響,在攪拌樁施工前進(jìn)行成樁試驗(yàn),并鉆孔取芯,以取得攪拌樁施工的相關(guān)參數(shù)［6]；(3)攪拌樁施工結(jié)束后,進(jìn)行降水試驗(yàn),確?？觾?nèi)降水與坑外水位無相關(guān)性,以驗(yàn)證攪拌樁的止水帷幕效果［7]；同時可采取在基坑外增設(shè)回灌井的措施,控制橋墩水位的波動；(4)對基坑、水位及高速鐵路橋墩變形進(jìn)行觀測,對其異常變化進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

4 現(xiàn)場橋墩位移及水位的檢測

為了加強(qiáng)對滬寧城際鐵路橋墩位移的監(jiān)控,在受基坑開挖施工影響的75號～106號橋墩的承臺上設(shè)置水平位移和垂直沉降觀測點(diǎn),在受降水影響較大的A區(qū)設(shè)置水位觀測點(diǎn),現(xiàn)選取代表性的99號、103號墩及與之相對應(yīng)的水位觀測井的相關(guān)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,見圖9～圖14。

圖9 99號墩的12號井水位變化

圖10 103號墩20號井水位變化

圖11 99號墩水平位移曲線

圖12 99號墩沉降曲線

圖13 103號墩水平位移曲線

圖14 103號墩沉降曲線

水位觀測井進(jìn)行水位變化的測量,由圖9、圖10知,99號、103號墩在基坑降水過程,其水位最大下降分別為0.5 m和0.6 m。從圖11、圖12知,99號墩在基坑施工期間,因開挖和降水造成的累計(jì)水平位移及沉降分別為0.5 mm和1 mm。103號墩在基坑施工期間,因開挖和降水造成累計(jì)水平位移及沉降分別為1 mm和1.5 mm,滿足高速鐵路橋墩的變形控制要求。基坑地下室施工結(jié)束后,橋墩的水平位移和沉降有所反彈。

表3 橋墩水平位移和沉降的理論與實(shí)測對比mm

從表3知,雖然基坑開挖和降水對橋墩理論計(jì)算較實(shí)測值偏大,但為實(shí)際控制橋墩變形采取工程措施提供了依據(jù)。

5 結(jié)語

(1)由于高速鐵路對地方經(jīng)濟(jì)拉動作用,房地產(chǎn)在高速鐵路沿線大量開發(fā),基坑對高速鐵路路基和橋墩影響不可忽視。通過滬寧城際虎丘婚紗城的超大深基坑案例分析,對于滬寧城際沿線的常州至昆山間富含承壓水或微承壓水粉土地層,距離高速鐵路30 m外的基坑如不采取強(qiáng)化措施,其施工引起的沉降可能影響高速鐵路安全。于2014年元月1日實(shí)施的《鐵路安全管理?xiàng)l例》,其中規(guī)定高速鐵路保護(hù)區(qū)的范圍為20 m,因此,高速鐵路設(shè)備管理單位不能僅以距離高速鐵路20 m內(nèi)是否有建筑物為限,而是應(yīng)根據(jù)基坑(深度、大小及與高速鐵路距離)、地層土質(zhì)力學(xué)參數(shù)等特點(diǎn),綜合評價(jià)其對高速鐵路的影響。

(2)深基坑基坑井點(diǎn)降水引起的沉降是影響高速鐵路路基或橋墩穩(wěn)定的關(guān)鍵［8],必須對基坑采取止水帷幕措施,隔斷基坑內(nèi)降水與高速鐵路橋墩水位間的水力聯(lián)系［9]。滬寧城際的蘇錫常地區(qū)高速鐵路沿線的粉土地層中含有微承壓水,因此應(yīng)杜絕在鐵路兩側(cè)100 m范圍內(nèi)的地方深井取水,以防止橋墩的不均勻沉降。

［1] 胡敘洪.高速鐵路總體設(shè)計(jì)體會［J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2005(1): 35-41.

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Stability Analysis of Bridge Piers of High-sPeed Railway Affected by Adjacent Extra Large and DeeP Foundation Pit

PAN Zhen-hua
(Track Maintenance Department,Shanghai Railway Bureau,Shanghai 210075,China)

With the development of real estate adjacent to high-speed railway,the excavations of building foundation pits are likely to adversely affect the stability of bridges and subgrades of high-speed railways. In this paper,in order to reduce the adverse effects arising from excavation of foundation pits and ensure operation safety of high-speed railways,several means were utilized to analyze the stability of high-speed railway,such as finite element software calculation,field monitoring on pier displacement and water level.At the same time,the influence on the deformation of bridge pile foundation of high-speed railway and the influenced area,which were caused by deep foundation pit excavating and water pumping,were also studied.The results show that the stability of foundation pit itself and water level after being lowered have significant influence on the horizontal displacement of the bridge piers of high-speed railway；and this influence is complex,concerning a wide range.Therefore,it is suggested in this paper that the safety standard should not be based only on whether or not the foundation pit is 20 meters away from the high-speed railway；in fact,the influence on high-speed railway caused by foundation pit excavation should comprehensively be evaluated in view of excavation depth and size as well as the degree of water lowering,together with the consideration of the distance to the high-speed railway,the soil stratum mechanical parameters and other factors.

high-speed railway；deep foundation pit；bridge pier；deformation；stability

U231+.4

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.019

1004-2954(2014)07-0080-05

2013-12-11；

2013-12-28

潘振華(1967―),男,高級工程師,1993年畢業(yè)于西南交通大學(xué)鐵道工程專業(yè)。