徐 俊
(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 上海 200071)
隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大和人口增加,城市用地緊張的問(wèn)題逐漸凸顯,地下空間開發(fā)需求日趨迫切,城市基坑工程不斷增加?;娱_挖對(duì)周邊環(huán)境的影響及基坑工程的自身安全都非常重要,特別是基坑施工鄰近運(yùn)營(yíng)高鐵線時(shí),由于高速鐵路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較高,行駛中對(duì)軌道的平順性要求極為嚴(yán)格,因此對(duì)基坑施工變形控制提出很高的要求。
歷年來(lái),基坑開挖問(wèn)題一直是許多學(xué)者研究的重點(diǎn)問(wèn)題。一方面,基坑開挖導(dǎo)致土體卸載,進(jìn)一步造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形失穩(wěn)。任建喜[1]等采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法研究了圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn)架設(shè)鋼支撐可有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移;石鈺峰[2]通過(guò)對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)測(cè)分析,得到緊鄰鐵路條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律;謝秀棟[3]等對(duì)現(xiàn)有計(jì)算模型進(jìn)行修正,考慮了土的蠕變特性,分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)隨超挖量的變化規(guī)律。另一方面,基坑開挖造成土體變形,導(dǎo)致周邊土體沉降。賀煒[4]基于工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),研究了基坑工程安全對(duì)周邊環(huán)境的影響;賈振華[5]通過(guò)有限元模擬,計(jì)算了蓋挖逆作基坑施工對(duì)地表沉降的影響;張世民[6]依據(jù)土體分層沉降計(jì)算原理,考慮降水沉降及施工沉降,推導(dǎo)出坑外土體沉降的解析解,并進(jìn)行了實(shí)測(cè)驗(yàn)證。
當(dāng)基坑施工鄰近既有建筑物時(shí),建筑物易受到開挖影響產(chǎn)生沉降。張興文[7]基于實(shí)際深大基坑工程,建立有限元模型,分析基坑開挖引起周邊土體的沉降規(guī)律及其對(duì)鄰近高層建筑的影響;王菲[8]結(jié)合某大面積深基坑工程,建立有限元模型研究開挖對(duì)鄰近高鐵橋梁變形的影響;胡軍[9]根據(jù)某深基坑工程建立有限元模型,研究基坑開挖對(duì)鄰近高鐵樁基的影響,并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證;鄭剛[10]建立三維有限元模型,研究不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式下基坑開挖對(duì)鄰近建筑物的影響。實(shí)踐表明,對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析是研究該問(wèn)題的主要手段[11-12]。
現(xiàn)有的研究主要集中在基坑開挖對(duì)鄰近建筑物的變形影響,而基坑開挖對(duì)鄰近既有運(yùn)營(yíng)鐵路影響的研究則較為少見(jiàn),且本工程所處地層為淤泥質(zhì)軟土層,具有承重能力差、抗擾動(dòng)能力弱的特點(diǎn),易受周邊施工的影響,軟土地層中基坑施工的影響范圍尚不明確。
本文基于某鐵路樞紐深基坑鄰近高速鐵路路基工程,運(yùn)用Plaxis 3D有限元軟件建立三維數(shù)值模型,從圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、鐵路路基沉降兩個(gè)方面對(duì)基坑開挖施工影響進(jìn)行研究,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,為今后類似工程施工安全與設(shè)計(jì)提供參考。
某鐵路樞紐站房基坑西側(cè)為既有杭長(zhǎng)高鐵路基?;映书L(zhǎng)方形布置,南北方向?yàn)殚L(zhǎng)邊方向,東西方向?yàn)槎踢叿较??;映叽?25 m×34 m,開挖深度9.7 m?;又苓叺孛鏄?biāo)高約-3.00,杭長(zhǎng)高鐵正線路基頂標(biāo)高-1.50,冠梁頂標(biāo)高為-4.00?;优c鐵路路基的相對(duì)位置關(guān)系見(jiàn)圖1。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外邊緣與最近鐵路股道中心線距離為9.17 m,與牽引變電所結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)外邊緣的距離約12.9 m,基坑西側(cè)存在既有框架地下結(jié)構(gòu)。本段杭長(zhǎng)高鐵為有砟軌道,線間距為5 m,過(guò)站時(shí)速為200 km,正線路基采用?0.6 m的旋噴樁加固,正方形布置,樁間距為2 m和1.5 m兩種,樁長(zhǎng)30 m。
鄰近杭長(zhǎng)高鐵正線側(cè)及南北兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000@1 200 mm的鉆孔灌注樁,基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000@750 mm SMW工法樁。鄰近杭長(zhǎng)高鐵正線側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁長(zhǎng)34.7 m,其余側(cè)樁長(zhǎng)33.7 m?;釉O(shè)置兩道混凝土支撐+一道斜坡鋼倒撐?;涌拥撞捎酶邏盒龂姌逗碗p軸水泥土攪拌樁進(jìn)行坑底加固,鄰近杭長(zhǎng)正線側(cè)采用高壓旋噴樁加固,加固深度7.5 m。其余采用雙軸水泥土攪拌樁進(jìn)行坑底加固,加固深度4 m?;悠拭嬉?jiàn)圖2。
圖1 基坑與杭長(zhǎng)高鐵相對(duì)位置平面(單位:mm)
圖2 基坑剖面
本工程所處地層由上至下為雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、黏土。計(jì)算土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。
基坑施工過(guò)程采用Plaxis 3D有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,土體本構(gòu)采用小應(yīng)變土體硬化模型(HSS),結(jié)構(gòu)采用線彈性本構(gòu)模型。高鐵路基基底旋噴樁加固復(fù)合地基的土體參數(shù)根據(jù)《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》中的公式(1)~公式(3)計(jì)算得出。
表1 土層物理力學(xué)參數(shù)
式中,cc為復(fù)合地基土黏聚力;cs為樁間土的黏聚力;m為復(fù)合地基置換率。
式中,φc為復(fù)合地基土內(nèi)摩擦角;φs為樁間土的內(nèi)摩擦角;φp為樁體的內(nèi)摩擦角。
式中,Ecs為樁土復(fù)合壓縮模量;Ep為樁體壓縮模量;Es為土體壓縮模量。
由于基坑輪廓、支護(hù)形式及鐵路路基相對(duì)基坑長(zhǎng)邊中點(diǎn)對(duì)稱布置,考慮取基坑的一半建立模型,模型邊界約束考慮對(duì)稱性約束。在幾何模型底部施加完全固定約束,兩側(cè)施加垂直邊界面的法向水平約束,模型表面為自由邊界,見(jiàn)圖3?;觾?nèi)支撐采用梁?jiǎn)卧M,圍護(hù)樁采用板單元模擬,按抗彎剛度等效原則換算彈性模量。
變電所房屋基礎(chǔ)上部考慮施加20 kPa的均布荷載模擬房屋上部結(jié)構(gòu)自重。具體工況見(jiàn)圖4。
圖3 有限元模型
圖4 基坑開挖施工工況
基坑開挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外出現(xiàn)側(cè)向水土壓力差而產(chǎn)生水平變形,導(dǎo)致坑外土體位移。本節(jié)首先研究鄰近既有高鐵線側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)各開挖工況下的水平變形規(guī)律,再進(jìn)一步分析既有鐵路路基的沉降變形規(guī)律。
(1)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析
基坑西側(cè)存在既有框架地下結(jié)構(gòu),其所在區(qū)域受基坑開挖影響較小。圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形位于圖5中1-1剖面處。
圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形分析斷面
1-1斷面圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁身的累計(jì)水平變形見(jiàn)圖6。隨著基坑開挖深度增大,圍護(hù)結(jié)構(gòu)累計(jì)水平變形逐步增大,且最大變形點(diǎn)逐步下移。前兩步開挖工況引起的水平變形較小,第三步開挖工況引起的水平變形較大;圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大累計(jì)水平變形發(fā)生在工況三,最大值為10.39 mm,位于坑底以下3 m處,樁底位置最大水平變形2.18 mm,樁頂位置的水平位移幾乎為零;工況四由于澆筑底板及拆除第二道內(nèi)支撐,圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形位置的位移有所減小,坑底以上部分的水平變形有所增大。
圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形
(2)既有鐵路路基沉降變形
基坑開挖對(duì)鄰近鐵路的影響主要體現(xiàn)為開挖導(dǎo)致鐵路路基沉降。為研究基坑開挖引起周圍地表沉降的規(guī)律及影響范圍,選取路基沉降最大位置,垂直圍護(hù)結(jié)構(gòu)作橫剖面(圖5中1-2剖面),提取地面標(biāo)高-3.00處的沉降曲線。以1-2剖面與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的交點(diǎn)為原點(diǎn),橫軸正向表示OX方向,縱軸正值表示隆起,負(fù)值表示沉降。地表沉降曲線見(jiàn)圖7。
圖7 地表累計(jì)沉降曲線
由圖7可知,基坑周邊出現(xiàn)較大范圍的沉降槽。圍護(hù)墻頂處位移為零,使得坑外緊鄰墻體的土體基本不發(fā)生沉降,之后地表沉降隨距離增加逐步增大,最大地表沉降位于距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)5 m的位置。基坑施工主要影響范圍為0.5~2H(H為基坑開挖深度),鐵路路基范圍基本位于最大影響范圍以內(nèi);與圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離超過(guò)2H后,施工所造成的地表沉降顯著減小并趨于收斂。
圖8為距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)最近的鐵路股道沿線路縱向沉降曲線。由圖8可知,由于地下框架結(jié)構(gòu)的存在,與地下框架結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的路基位置沉降變形較小,最大沉降出現(xiàn)在斷面1-2位置,最大值為3.85 mm,此后沉降曲線逐漸收斂。
圖8 股道中心位置累計(jì)沉降曲線
提取1-2斷面鐵路路基范圍內(nèi)各工況下的最大變形位置及鐵路股道中心位置的沉降變形,見(jiàn)表2。結(jié)果顯示,隨著基坑開挖工序推進(jìn),鐵路路基的沉降變形逐漸增大,最大值為4.19 mm,正線中心沉降最大值為3.85 mm。
表2 基坑開挖鐵路路基累計(jì)沉降變形 mm
實(shí)際基坑開挖過(guò)程中對(duì)鐵路路基沉降進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè),選取距離基坑最近的杭長(zhǎng)正線股道中心進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)(監(jiān)測(cè)點(diǎn)JL1~JL3),監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖9。監(jiān)測(cè)頻率為6次/d,提取工況一~工況四對(duì)應(yīng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖10。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,各沉降觀測(cè)點(diǎn)的沉降量隨著基坑開挖逐步增大,JL1節(jié)點(diǎn)的最大沉降變形為4.4 mm。沉降變形主要發(fā)生在工況三,即開挖至坑底工況,與數(shù)值模擬基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律一致。淺層開挖工況及拆撐工況對(duì)鐵路路基的沉降變形影響較小。
圖9 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置
圖10 路基沉降位移實(shí)測(cè)值與模擬結(jié)果對(duì)比曲線
由圖10可知,有限元模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值接近,驗(yàn)證了有限元模型的正確性,但由于實(shí)際施工質(zhì)量的不確定及模型本構(gòu)選取的土層參數(shù)與實(shí)際土層存在差異,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的變形值略大于數(shù)值模擬結(jié)果。
本文基于某鐵路站房基坑工程實(shí)例,建立有限元模型,研究了深基坑開挖對(duì)鄰近運(yùn)營(yíng)鐵路的影響,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證,得出以下結(jié)論:
(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開挖時(shí)承擔(dān)坑外水平水土壓力,開挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐步向坑內(nèi)變形。圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平變形位置隨著開挖深度的加大而逐步下移,開挖至坑底時(shí)結(jié)構(gòu)水平變形達(dá)到最大值10.39 mm,位于坑底以下3 m處。
(2)開挖導(dǎo)致基坑周邊出現(xiàn)較大范圍的沉降槽,沉降主要影響范圍為0.5~2倍的基坑開挖深度。鐵路路基位于主要影響范圍以內(nèi),路基范圍內(nèi)最大沉降4.19 mm,杭長(zhǎng)高鐵正線中心最大沉降3.85 mm,滿足施工變形要求。距離開挖基坑的2倍基坑深度以外施工所造成的地表沉降顯著減小并趨于收斂。
(3)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)鐵路股道位置的最大沉降變形為4.4 mm,數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致,驗(yàn)證了有限元模型的正確性。