楊義皊

（上海鐵大建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，上海 200333）

1 引言

深基坑開挖過程中必須保證基坑自身變形和控制鄰近建（構(gòu)）筑物變形范圍符合標(biāo)準(zhǔn)?；娱_挖后坑內(nèi)土體卸除改變了坑外土體應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致坑外土體產(chǎn)生變形，變形超過鄰近建（構(gòu)）筑物變形控制標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)必影響建（構(gòu)）筑物安全，因此，控制基坑本體變形是減小鄰近建（構(gòu)）筑物變形的關(guān)鍵。當(dāng)深基坑鄰近運(yùn)營(yíng)高鐵時(shí)，由于高鐵變形控制標(biāo)準(zhǔn)極其嚴(yán)格，一旦變形超過鄰近高鐵變形控制標(biāo)準(zhǔn)，勢(shì)必影響高鐵運(yùn)營(yíng)安全，因此對(duì)深基坑開挖控制變形提出了更為嚴(yán)格的要求。關(guān)于基坑開挖引起周邊環(huán)境變形，國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了研究，但運(yùn)營(yíng)高鐵旁近距離深基坑開挖方面的研究甚少，尤其在坑外不同位置土體位移變化規(guī)律方面更少。文章依托具體工程實(shí)例，采用數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段，對(duì)深基坑開挖過程中基坑本體和坑外土體及鄰近高鐵位移進(jìn)行分析研究，以便得出基坑開挖引起的坑外土體位移變化及傳遞規(guī)律，供以后類似工程參考和借鑒。

2 工程概況

上海市軌道交通機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線1號(hào)風(fēng)井基坑工程位于七寶站與華涇站區(qū)間，小里程接明挖入地段，大里程接盾構(gòu)段，基坑為盾構(gòu)始發(fā)井兼中間風(fēng)井，起訖里程為DK6 + 490.1～DK6 + 646.2，總長(zhǎng)為156.1 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地連墻+內(nèi)支撐支護(hù)型式，除2號(hào)～5號(hào)基坑靠近西邊滬杭鐵路側(cè)采用1.5 m厚地連墻外，其余地連墻均厚1.2 m、圍護(hù)深度40～56 m、開挖深度16.657～25.533 m，支撐方式為鋼筋混凝土支撐+鋼支撐，并采取5段分坑措施。1號(hào)風(fēng)井基坑工程四周環(huán)境復(fù)雜，基坑西側(cè)為滬昆高鐵，距滬杭高鐵下行線路基坡腳最近距離約為10.6 m，為確保高鐵行車安全，減少基坑開挖對(duì)滬杭高鐵影響，鄰近滬杭高鐵側(cè)距圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)3 m位置打設(shè)1排φ1 m、間距1.2 m的鉆孔樁做隔離，樁長(zhǎng)與地連墻同長(zhǎng)。鉆孔樁頂部采用系梁與地連墻的頂冠梁連接，系梁水平間距為6 m。1號(hào)風(fēng)井5 個(gè)基坑與滬杭高鐵關(guān)系示意圖如圖1所示。

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型

采用有限元計(jì)算軟件Plaxis 3D對(duì)明挖段和 1 號(hào)風(fēng)井基坑開挖及回筑施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，模型中土體采用小應(yīng)變土體硬化本構(gòu)模型。既有滬杭高鐵路基下樁基采用Embedded樁單元模擬，樁板結(jié)構(gòu)板采用線彈性實(shí)體單元進(jìn)行模擬?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)、隔離樁、工程樁等新建樁基采用線彈性實(shí)體單元模擬，內(nèi)支撐、立柱及系梁采用線彈性梁?jiǎn)卧M。圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)體單元厚度按抗彎剛度等效原則確定，并采用等效面荷載的形式模擬泥漿護(hù)壁。沿x、y、z3個(gè)方向的尺寸分別為 250 m、120 m、80 m，模型如圖2所示。

3.2 計(jì)算工況

根據(jù)工程具體情況，有限元模擬計(jì)算共劃分 22個(gè)計(jì)算工況，如表1、圖3所示。

表1 計(jì)算工況

3.3 計(jì)算分析

根據(jù)上述施工過程模擬計(jì)算，選取滬杭高鐵距離機(jī)場(chǎng)線路基最近的鐵路股道作為分析對(duì)象，其股道中心距圍護(hù)結(jié)構(gòu)外邊緣最近為 13.04 m。將不同工況下滬杭高鐵股道累計(jì)水平位移計(jì)算曲線繪制如圖4所示，最終，最大水平位移為1.94 mm。其中工況1、工況2分別為整個(gè)區(qū)域隔離樁和地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工工況，該階段引起的高鐵最大水平位移為0.44 mm，占比22.68%，即基坑開挖前期影響高鐵位移量約占整體位移量的1/5，最大位移位于5號(hào)基坑中部位置；工況 3 ～工況9分別為1號(hào)風(fēng)井5號(hào)基坑分層開挖及回填階段，隨著基坑開挖深度的增加，高鐵位移不斷增大，工況9基坑底板、中板、側(cè)墻及頂板并拆除支撐完成后高鐵最大水平位移為1.26 mm，位移量占總位移量64.95%，階段位移量為0.82 mm，占總位移量42.27%，最大位移仍位于5號(hào)基坑中部位置；工況10～工況16為一期明挖基坑開挖階段，工況16一期明挖基坑依次澆筑底板、中板、側(cè)墻及頂板，支撐拆除后，高鐵最大水平位移為1.64 mm，位移量占總位移量84.54%，階段位移量為0.38 mm，占總位移量19.59%，最大位移位置呈現(xiàn)逐漸向明挖段移動(dòng)趨勢(shì)；工況17～工況22為二期明挖基坑開挖階段，工況22二期明挖基坑依次澆筑底板、中板、側(cè)墻及頂板，支撐拆除后，高鐵最大水平位移為1.94 mm，位于4號(hào)基坑位置，其中5號(hào)基坑位置高鐵最大位移為1.88 mm。

4 監(jiān)測(cè)分析

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為保證基坑自身變形及鄰近滬杭高鐵變形在安全控制范圍內(nèi)，對(duì)基坑本體和坑外滬杭高鐵布置了一系列監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以研究基坑及坑外環(huán)境變形。為此，布置了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、隔離樁、滬杭高鐵路基、滬杭高鐵支承層的位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜和土體測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖5所示。

4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.2.1 測(cè)斜監(jiān)測(cè)分析

5號(hào)基坑開挖深度最深，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊緣距離滬杭高鐵距離最近，選取5號(hào)基坑施工過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隔離樁間土體測(cè)斜以及隔離樁外土體測(cè)斜繪制曲線如圖6所示，以下結(jié)合施工工況對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（1）結(jié)合施工工況，基坑第1層土方開挖，圍護(hù)體變形穩(wěn)定，未出現(xiàn)較大變形，2021年3月10日之后，由于基坑暴露時(shí)間較長(zhǎng)，圍護(hù)體變形速率明顯加快，至3月15日第2道混凝土支撐澆筑完成，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移接近7 mm，變形速率達(dá)到1 mm/天，在此期間坑外土體側(cè)向位移也表現(xiàn)為迅速增大；3月15日—3月25日，基坑第2層土方施工期間，由于開挖深度較淺，第2道混凝土支撐逐漸產(chǎn)生強(qiáng)度，對(duì)基坑變形控制作用較明顯，因此，本層土方施工期間圍護(hù)體變形基本穩(wěn)定，僅有輕微變形趨勢(shì)。

（2）3月25日— 3月31日，基坑第3層土方施工期間，隨著開挖深度增加，暴露時(shí)間增加，基坑再次出現(xiàn)加速變形狀態(tài)，至3月31日第4道混凝土支撐施工完成，鐵路側(cè)圍護(hù)體測(cè)斜位移累計(jì)最大值13.87 mm； 3月31日— 4月11日，基坑第4層土方施工期間，受第4層混凝土支撐的控制作用，本層圍護(hù)體變形速率再次減緩，但由于本層施工時(shí)間較長(zhǎng)，基坑暴露時(shí)間較久，至第5道鋼支撐施工完成時(shí)，鐵路側(cè)圍護(hù)體測(cè)斜位移累計(jì)最大值16.61 mm，坑外土體深層位移達(dá)到17.16 mm，隔離樁外土體深層位移達(dá)到12.34 mm。

（3）4月11日— 4月17日，基坑第5層土方施工期間，因開挖深度較深，圍護(hù)體變形速率始終較快，至第6道混凝土支撐施工完成，鐵路側(cè)圍護(hù)體測(cè)斜位移累計(jì)最大值18.03 mm， 4月17日至結(jié)構(gòu)施工完成，第6層土方開挖及第7道鋼支撐施工，圍護(hù)體變形速率基本一致，累計(jì)變形繼續(xù)增加，至鐵路側(cè)圍護(hù)體測(cè)斜位移累計(jì)最大值21.93 mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隔離樁間土體測(cè)斜位移最大20.65 mm，隔離樁外土體測(cè)斜孔CX5-3位移最大值14.44 mm。

（4）整體分析，隨著基坑開挖深度不斷增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隔離樁間土體測(cè)斜位移以及隔離樁外土體測(cè)斜位移均不斷迅速增大。各位移最終變化值為：圍護(hù)結(jié)構(gòu)CX112測(cè)斜孔最大位移20.99 mm，位于深度19 m處；圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隔離樁間土體測(cè)斜孔TX43最大位移20.65 mm，位于土體深度19 m處；CX5-2測(cè)斜孔最大位移21.93 mm，位于土體深度22 m處；隔離樁外土體測(cè)斜孔CX5-3最大位移14.44 mm，位于土體深度22.5 m處。從各監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化值分析，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隔離樁間土體測(cè)斜位移累計(jì)值較接近，且產(chǎn)生最大位移的深度基本處于同一位置，說明圍護(hù)結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)外一定范圍內(nèi)的土體基本呈整體朝向基坑側(cè)變形，但隔離樁外側(cè)土體測(cè)斜位移明顯減小，說明隔離樁對(duì)于隔斷坑外土體位移起到顯著控制作用，從而對(duì)減小隔離樁外滬杭高鐵變形起到重要作用。

（5）基坑開挖期間，各圍護(hù)體測(cè)斜變形趨勢(shì)一致，變形曲線及變形速率基本一致，符合變形規(guī)律。5號(hào)基坑開挖期間，隨著開挖深度加深，圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜累計(jì)最大位移逐漸增大，最大位移位置逐漸下移，符合變形規(guī)律；5號(hào)坑基坑開挖期間，基坑前期變形速率較小，隨基坑暴露時(shí)間增加，變形速率逐漸增大，符合變形規(guī)律；5號(hào)坑基坑開挖期間，隨著開挖進(jìn)度的加快，時(shí)空效應(yīng)的變形響應(yīng)時(shí)間逐漸縮短，后續(xù)逐漸出現(xiàn)開挖后，立刻出現(xiàn)變形增大現(xiàn)象，符合變形規(guī)律。

4.2.2 位移監(jiān)測(cè)分析

整個(gè)基坑開挖及結(jié)構(gòu)澆筑施工期間，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部、隔離樁頂部、高鐵路基、高鐵支承層水平位移曲線圖如圖7所示，下面將結(jié)合施工工況對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移相對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層位移變化量較小，頂部位移最大值為-7.3 mm，且呈現(xiàn)朝向基坑外位移，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部位移之所以呈現(xiàn)朝向基坑外位移與圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層位移呈現(xiàn)較大的基坑內(nèi)變形而導(dǎo)致頂部為反彎點(diǎn)有關(guān)。

（2）隔離樁頂部位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)在前期基坑期間相對(duì)變化較小，在3月31日基坑第3層土體開挖完成后，雖然圍護(hù)結(jié)構(gòu)和坑外土體位移較大，但隔離樁頂部水平位移僅為2 mm左右，說明基坑開挖較淺時(shí)，隔離樁抵抗變形的能力非常顯著，后續(xù)隨著基坑開挖深度加大，坑外深層土體位移加劇，在坑外土體整體發(fā)生較大位移后，隔離樁頂部位移增速明顯，最終水平位移為11.8 mm。

（3）滬杭高鐵路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)和支承層位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)在4月22日之前變化較穩(wěn)定，累計(jì)變化值均較小，在4月22日路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移達(dá)到2.7 mm，支承層監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移達(dá)到1.9 mm，達(dá)到了預(yù)警值控制標(biāo)準(zhǔn)；前期鐵路變形值之所以較小，與土體變形增加較緩，變形時(shí)間延遲有關(guān)；后續(xù)底板澆筑之前，高鐵監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形繼續(xù)增大，底板澆筑完成，基坑自身變形較穩(wěn)定后，鐵路路基及支承層監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移也逐漸趨于穩(wěn)定。

5 數(shù)值及監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

前文分別對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)際值結(jié)合施工工況進(jìn)行了分析，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明基坑開挖引起的5號(hào)基坑對(duì)應(yīng)滬杭高鐵水平位移變化量為1.88 mm，滬杭高鐵監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值為2.7 mm，從變化絕對(duì)值上看，實(shí)測(cè)結(jié)果相較數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果偏大，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況分析，實(shí)測(cè)值偏大的原因與基坑開挖期間基坑暴露時(shí)間較長(zhǎng)，且與坑外受施工機(jī)械等重型荷載和動(dòng)荷載影響有關(guān)。

6 結(jié)論

文章采用數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)上海市軌道交通機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線1號(hào)風(fēng)井施工期基坑本體和鄰近滬杭高鐵變形趨勢(shì)進(jìn)行了研究分析，結(jié)論如下。

（1）各圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜變形趨勢(shì)一致，變形曲線及變形速率基本一致，隨著開挖深度的加深，圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜累計(jì)最大位移逐漸增大，最大變形位置逐漸下移，符合變形規(guī)律。

（2）整個(gè)施工過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和隔離樁間土體深層位移累計(jì)值較接近，且產(chǎn)生最大位移的深度基本處于同一位置，說明圍護(hù)結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)外一定范圍內(nèi)的土體基本呈整體朝向基坑側(cè)變形，但隔離樁外側(cè)土體深層位移明顯減小，說明隔離樁對(duì)于隔斷坑外土體位移起到了顯著控制作用，從而對(duì)減小隔離樁外滬杭高鐵變形起到重要作用。

（3）基坑開挖前期高鐵路基變形之所以較小，與土體變形增加較緩，變形時(shí)間延遲有關(guān)。臨近底板澆筑之前，高鐵監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形繼續(xù)增大，底板澆筑完成、基坑自身變形較穩(wěn)定后，高鐵路基及支承層監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移也逐漸趨于穩(wěn)定。