緊鄰高鐵路基基坑施工環境效應分析

寧 龍，王 虎，徐永福

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；2.南京鐵路樞紐指揮部，江蘇 南京 210045)

城市化進程的加快在推動我國高速鐵路飛速發展的同時，不可避免地會出現很多新建鐵路線與既有線交叉、并行的情況.鐵路建設中橋涵的建造會涉及較深基坑的開挖降水，會對既有路基變形產生重要影響[1-2]，尤其在軟土遍布的沿海地區，對基坑開挖降水引起的既有路基變形研究尤為必要.基于實測的眾多研究均表明開挖降水引起的土體變形會對基坑周圍環境產生不可忽略的影響[3-5].理論研究方面，Mu等[6]通過考慮小應變特性的兩階段分析方法計算了基坑開挖引起的樁筏響應，為預測基坑開挖對臨近建筑的潛在危害提供了簡化的方法；歐雪峰等[7]以兩階段法為基礎，同時考慮降水的影響，探討了基坑施工對下臥隧道變形的影響.對于較為復雜的工程，目前數值模擬方法的應用更加廣泛，Xing等[8]通過理論和有限元模擬分析了復雜地質下上海地鐵10號線基坑降水和開挖對既有地鐵4號線車站的影響，并提出了地下水控制措施和地鐵車站保護措施.在基坑開挖對高鐵路基影響性研究方面，王培鑫等[9]基于現場實測數據，分析了緊鄰鐵路線基坑工程的變形規律以及控制措施；方浩[10]通過有限元分析計算提出了基坑開挖影響下路基變形的預測方法.雖然有更多的學者關注到了基坑開挖對路基的影響，但相比基坑開挖對建筑物、隧道、車站等影響研究還是顯得匱乏，故而以緊鄰高鐵路基和橋涵的基坑工程為例，采用有限元方法分析了基坑開挖降水耦合作用下基坑和路基橋涵的變形特征，以期為實際工程施工提供變形預測和監測指導，同時為今后類似工程設計提供參考.

1 工程簡介

1.1 工程概況

本工程為新建鐵路江蘇南沿江城際鐵路常州至太倉段陸窯塘中橋橋涵基坑.本基坑大致呈長方形，長約為63.3 m，寬約為40.3 m，面積約為2 581.1 m2，開挖深度為8 m.基坑周邊環境復雜，橫跨南北向河流，施工前已進行場地平整和土圍堰施工，基坑南側緊鄰既有滬通鐵路橋涵，基坑安全等級為一級.基坑總體平面如圖1所示.

1.2 工程水文地質

根據太倉站地質勘查說明，場區內地層從上至下依次為：2-1粉質黏土、3-1淤泥質粉質黏土、5-2粉土、5-3粉質黏土、6-1粉質黏土.場區地表水發育，主要為河、塘中水.地下水為孔隙水，較發育，水位埋深0.5～0.8 m，粉土層承壓水水頭高度按絕對標高1.5 m控制.

1.3 基坑施工方案

根據擬建場地工程地質、開挖深度及周邊環境情況，基坑支護設計方案如下：1)AB段采用φ1 000@1 200 mm鉆孔灌注樁(樁長24 m)+1道鋼筋混凝土支撐進行支護，樁頂設置1 200 mm×800 mm冠梁，冠梁頂設置2 m高擋土墻；2)BC、AD段采用一級放坡+φ1 000@1 200 mm鉆孔灌注樁(樁長24 m)+1道鋼筋混凝土支撐進行支護，放坡坡高1.5 m，坡比為1∶1，中間留2 m寬平臺，樁頂設置1 200 mm×800 mm冠梁；3)CD段采用φ1 000@1 200 mm鉆孔灌注樁(樁長24 m)+土圍堰支護，樁頂設置1 200 mm×800 mm冠梁，冠梁頂設置2 m高擋土墻；4)采用鋼結構立柱+φ1 000立柱樁作為臨時立柱支撐，基坑底板為200 mm素混凝土墊層；5)基坑底部采用φ600 PHC管樁(樁長36 m)進行坑底加固，兼做新建鐵路路基加固.基坑支護布置及其與鄰近高鐵路基位置關系見基坑剖面圖(圖2).

基坑降水方案為坑外截水，坑內降水.基坑頂面、坑底分別設置300 mm×300 mm截水溝，基坑底部每隔30～40 m設集水井.基坑開挖范圍內共布置6口真空管井，進行坑內疏干、降水和排水，井深為22 m，濾管長為6 m.

2 三維數值的模擬

2.1 計算模型的建立

考慮到既有路基的存在以及降水的影響，適當增大模型尺寸以減小邊界效應的影響，選取的三維模型計算尺寸為170 m×163 m×50 m(圖3).模型的力學邊界為遠離基坑兩側面邊界，僅約束其法向位移，底部邊界采用固定約束，頂部為自由邊界.模型的流體邊界為遠離基坑兩側面的定水頭邊界，頂部為自由邊界，底部為不透水邊界，地下初始水位設為地表以下1.5 m處.

圖3 三維計算模型

鉆孔灌注樁和旋噴樁止水帷幕按抗彎剛度相等原則等效為圍護墻，圍護墻與土體間建立界面單元，模擬墻土接觸作用以及止水帷幕的止水作用.土體、路基填土和圍堰采用實體單元模擬，圍護墻、路基橋涵和基坑底板采用板單元模擬，支撐、冠梁和立柱樁采用梁單元模擬.對于路基下部土體的加固以及基坑的加固，許多文獻均采用復合地基法等效模擬[11-12]，為了減小計算誤差同時兼顧計算的收斂性，采用植入式梁單元，模擬加固區PHC管樁.結構單元計算模型如圖4所示.

圖4 結構單元計算模型

2.2 計算參數的選取

表1 各土層土體計算參數

支護結構的混凝土強度等級為C30；表觀密度γ取25 kN·m-3；泊松比ν取0.2；考慮到混凝土剛度，折減彈性模量E取24 GPa；PHC管樁混凝土強度等級取C80；泊松比取0.167；彈性模量取30 GPa.圍護樁與土體的接觸參數通過以下公式確定：

Kn=Eoed,i/tv

,

(1)

Kt=Gi/tv

，

(2)

Eoed,i=2Gi(1-νi)/(1-2νi)

，

(3)

Gi=R×Gsoil

，

(4)

Gsoil=E/2(1+νsoil)

.

(5)

式中：Kn和Kt表示接觸面單元的切向和法向剛度模量；Eoed,i為界面初始模量；νi為界面泊松比，取0.45；tv為虛擬厚度系數，一般取值范圍為0.01～0.1；Gi為剪切模量；Gsoil為相應土層土體的剪切模量；E為相應土層土體的彈性模量；νsoil為對應土層土體的泊松比；R為強度折減系數，取0.7.

2.3 施工工況的模擬

根據具體工程情況，在有限元中模擬基坑實際施工過程的具體步驟如下：

1)初始滲流場和初始應力場的計算.

2)路基下土體PHC管樁的加固，施工鐵路路基和鐵路橋涵.

3)基坑下土體PHC管樁的加固，基坑放坡開挖至-1.5 m，施工放坡擋墻和圍堰.

4)坑內降水至-4 m，施工支撐、立柱樁、圍護樁和冠梁，基坑開挖至-3.5 m.

5)坑內降水至-8.5 m，基坑開挖至-8 m，施工基坑底板墊層.

3 基坑變形分析

3.1 圍護墻側向變形

圖5(a)為基坑開挖完成后圍護墻的側向變形沿深度方向的變形曲線，其中BC段與AD段由于模型對稱性變形基本一致，故僅考慮BC段變形.可以看出，圍護墻的變形趨勢基本一致，都呈拋物線型，圍護墻最大側移均位于開挖面附近，符合軟土地區圍護墻變形的一般規律[16].基坑長邊方向AB段和短邊方向BC段圍護墻最大側移分別為26、18 mm，約為0.33%H、0.23%H(H為基坑開挖深度)，均介于統計實測關系0.1%H～1.0%H之間[17]，與上海地區類似，因此太倉地區基坑圍護墻的最大側移可以使用上海地區已有的經驗關系進行預測.

進一步對比3段圍護墻變形情況，發現靠近高鐵路基側的CD段圍護墻變形較AB段和BC段略有不同，其頂部側移更大，但最大側移反而更小.通過對比各段圍護墻支護條件發現，CD段圍護墻缺少混凝土支撐，但增設了與開挖深度等高的梯形圍堰.為進一步探究圍堰存在的必要性，計算了不考慮圍堰的情況，計算結果如圖5(b)所示.對比圖5(a)、圖5(b)各段圍護墻側移可知，AB段和BC段圍護墻側移基本沒有變化，而CD段由于失去了圍堰的支護作用，變形呈懸臂狀，墻頂最大側移達85 mm，遠遠超出了圍護墻側移控制范圍.可以發現，圍堰使鐵路側無支護圍護墻最大側移減小82%,這是因為具有一定坡度的圍堰的存在對外側圍護墻起到了支護作用，限制了圍護墻上部側移的發展，在減小圍護墻側向變形的同時也間接起到了保護鄰近既有路基橋涵的效果.

圖5 圍護墻側向變形

3.2 坑外地表沉降

圖6給出了基坑開挖至坑底后長邊側AB段和短邊側BC段圍護墻后坑外地表沉降的發展形態.地表沉降的變形趨勢基本一致，均呈凹槽型，最大沉降發生在距離墻邊0.5～1.0倍開挖距離處，與已有實測資料統計結果較為接近[18]，與Heish等[19]提出的凹槽型沉降影響區不同的是地表沉降的影響范圍要明顯超過4倍開挖深度.考慮到場地存在較深厚的淤泥質軟土，地下水位較高且存在承壓含水層，導致了基坑開挖降水耦合作用下坑外地表沉降更大，并且影響范圍更廣.AB段和BC段坑外最大地表沉降分別為17.4、11.0 mm，約為圍護墻最大側移的0.67、0.61倍，介于上海地區統計區間的0.4～2.0倍之間.太倉地區基坑開挖引起的地表沉降也可以使用上海地區的經驗公式進行預測.

3.3 坑底隆起

圖7(a)為基坑開挖完成后有無PHC管樁時坑底隆起的分布云圖.可以看出，坑底有無PHC樁加固時最大隆起均出現在遠離鐵路側的AB段圍護墻中點附近，因為AB段圍護墻附近坑底沒有PHC管樁加固且在中間一定范圍內也沒有立柱樁支護，所以坑底隆起較大.在靠近鐵路側CD段，因為圍堰的存在，坑底無隆起現象，考慮到坑內降水的作用，出現一定的沉降.當坑底存在PHC樁加固時，基坑中部坑底隆起值明顯減小，從未加固的27.6 mm減小到3.6 mm，說明坑底加固對控制坑底隆起變形具有顯著作用.從AB段圍護墻附近坑底隆起值沿基坑長邊方向的變化曲線(圖7(b))可知，無加固措施時，越靠近基坑中部隆起值越大.坑底有無PHC樁加固時坑底最大隆起值分別為20.8、31.5 mm，PHC管樁使坑底隆起最大值減少34%,可見受到相鄰區域坑底加固影響，未加固區域坑底隆起也會有明顯減小.

圖7 坑底隆起

4 既有路基橋涵變形分析

4.1 路基沉降

基坑開挖影響下鄰近高鐵路基沉降分布如圖8所示.從圖8(a)沉降云圖可以看出，有無橋涵時路基兩端距離基坑較遠處沉降值都很小，隨著距離基坑越近沉降值越大.無橋涵時基坑界線范圍內路基處于基坑開挖引起的地表“沉降槽”范圍內，路基沉降值較大.當存在橋涵結構時，由于橋涵剛度要遠大于路基土的剛度，橋涵范圍內路基沉降明顯減小.根據國家鐵路局最新發布的《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》[20]，高速鐵路路基豎向位移控制值為5 mm，無橋涵結構時路基最大沉降值為8.45 mm，雖然由于路基下部PHC管樁加固相比基坑施工引起沉降減小很多，但仍超過了沉降控制值.當有橋涵存在時，路基最大沉降值進一步減小為2.19 mm，路基最大沉降減小74%,使路基沉降控制在允許范圍內，說明橋涵對路基沉降控制也起到了重要作用.圖8(b)為路肩處路基沉降沿縱向分布曲線.無橋涵時路基沉降先從兩端向中間緩慢遞增，到達基坑界線范圍時變形急劇增大，在路基中軸線處達到最大值.縱向最大差異沉降達8 mm，基坑施工影響顯著.有橋涵時路基沉降沿縱向變化趨勢與無橋涵類似，但沉降值很小，差異沉降為0.7 mm.由于橋涵與路基土的剛度差異，有橋涵時路基最大沉降出現在橋涵與路基過渡段處.路基沉降橫向分布如圖8(c)所示,無橋涵時路基沉降沿橫向先增大后減小，與坑外地表沉降形態一致，最大橫向差異沉降約為8 mm.有橋涵時路基沉降沿橫向離基坑越遠沉降值逐漸減小，差異沉降約為2 mm.由此可見，橋涵結構由于剛度較大，可以起到減小路基差異沉降的作用且對縱向差異沉降控制效果更明顯.存在橋涵時，需要注意橋涵與路基過渡段的差異沉降的影響.

圖8 既有路基沉降

4.2 路基水平位移

同路基沉降分析一樣，考慮了有無橋涵時路基水平位移的分布，如圖9所示.從路基水平位移云圖(圖9(a))可以看出，路基水平位移在有無橋涵存在時變化較大，存在橋涵時最大水平位移為5.47 mm，而無橋涵時最大水平位移達到13.46 mm,最大水平移減小59.4%.與路基沉降不同的是有無橋涵時最大側移均出現在基坑中軸線處.圖9(b)為路基水平位移沿縱向分布曲線，在基坑縱向界線范圍內，路基水平位移受圍護墻側移影響較大，兩側離圍護墻越遠水平位移越小.無橋涵時縱向差異水平位移為12.5 mm，有橋涵時縱向差異水平位移為4.5 mm，橋涵對縱向差異水平位移控制效果較好.圖9(c)為路基水平位移橫向分布曲線，可以看出，無橋涵時路基水平位移隨著離基坑距離越遠位移逐漸減小，橫向差異水平位移為6.6 mm.當有橋涵存在時，橫向差異水平位移減小為0，因此當有橋涵存在時僅需重點監測縱向差異水平位移即可.

圖9 路基水平位移

4.3 橋涵沉降

既有橋涵作為排水結構和路基連接結構，也是變形監測的重點.由于橋涵結構剛度較大，基坑施工對其水平變形影響基本可以忽略，僅分析基坑施工對橋涵豎向變形的影響.圖10(a)為橋涵沉降云圖，由圖可知，橋涵沉降在靠近基坑側沉降較大，最大沉降值為1.17 mm.《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》中規定了鐵路橋梁墩臺豎向位移控制值為2 mm，以此為標準，橋涵沉降在控制范圍內，可以認為基坑施工對鄰近橋涵擾動較小.橋涵沉降在縱向(沿EF方向)范圍內變化較小，而在橫向(沿EH方向)范圍內變化較大，橋涵沉降的橫向分布曲線如圖10(b)所示.可以看出，橋涵沉降在橫向范圍內呈線性分布，沉降值隨距基坑距離的增大而線性減小.橋涵在EH段橫向最大沉降為1.15 mm，最小沉降為0.1 mm，差異沉降為1.14 mm，因此需要加強對橋涵橫向差異沉降的監測.

圖10 橋涵沉降

5 結論

對鄰近高鐵路基基坑施工工程實例進行的數值模擬中具體分析了基坑施工引起的基坑變形和既有路基橋涵變形特征，得出以下結論：

1)基坑施工引起的圍護墻側向變形和坑外地表沉降變形特征與上海地區實測統計結果接近，因而參考上海地區經驗關系對太倉地區基坑變形進行預測是合理的.

2)靠近鐵路側圍堰是控制無支護圍護墻變形的必要措施，坑底PHC管樁加固對控制坑底隆起變形具有顯著效果.

3)既有高鐵路基受鄰近基坑施工影響顯著，有無橋涵結構對路基沉降和水平位移影響較大.橋涵結構對控制路基差異水平位移較差異沉降效果更好.實際施工過程中基坑界線范圍內路基以及路基與橋涵過渡段是變形監測重點.

4)基坑施工對既有橋涵結構擾動較小，橋涵沉降沿橫向距離呈線性遞減分布，施工中應加強橋涵橫向差異沉降的監測.