徐 俊

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 上海 200071)

1 引言

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。

2 工程概況

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。

3 數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型

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

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

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

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

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。

5 結(jié)論

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。