臨近既有線門式墩基礎施工影響因素的正交分析

李明華，馮佳薈，韓雯靜

（1.南昌交通學院 土木建筑學院，江西 南昌 330013；2.福建福鐵地方鐵路開發有限公司，福建 福州 350013；3.華東交通大學 土木建筑學院，江西 南昌 330013）

0 引言

中國是世界上高速鐵路發展最快、規模最大的國家，截至2019 年底，已開通運營的高鐵里程達到35 000 km，占世界高鐵總里程的2/3 以上［1］。伴隨著高速鐵路的持續快速發展，出現了越來越多的新建項目臨近或交叉既有營業線（既有線）的情形［2-3］?？紤]到土地成本和建設指標等因素，高鐵修建過程中均頻繁采用了“以橋代路”的建設模式，故橋梁基礎開挖對既有線的影響成為臨近既有線施工中的一個重要研究課題［4］。

截至目前，國內外學者針對臨近既有線的橋梁基礎施工開展了大量研究。高顯平［5］采用數值仿真深入研究了深基坑開挖中各施工步對臨近既有高鐵路基變形的影響；高立剛等［6］采用FLAC3D軟件研究了承臺基坑開挖深度對既有線變形的影響；方浩［7］以軟土地區某鄰近運營高鐵路基的基坑工程為例，采用數值仿真研究了降水方案、坑底加固、圍護結構插入比以及基坑距路基坡腳距離等因素對高鐵路基變形的影響；付長凱［8］采用數值仿真手段分析了巖溶區橋梁樁基施工對鄰近既有鐵路路基的影響，發現距離大于6～8 m（3～4 倍樁徑）時，樁基施工對鄰近路基的影響很??；周希［9］研究了隔離樁施工對鐵路橋梁橋墩及樁基的位移影響，得到施工間隔越大，對鄰近地層的影響越小的結論；謝小山等［10］采用現場監測和數值模擬相結合手段研究了樁基鄰近匝道路基邊坡施工的影響，得到樁基成孔及灌注兩個施工過程影響最大。但已有研究大多側重于基坑或樁基的單一開挖分析，鮮有對包括樁基施工、基坑開挖和下部結構施工在內的綜合性影響因素的分析與研究。

綜上，本文將以新建連云港特大橋138 號門式墩基礎施工為工程背景，基于正交試驗方法，采用數值仿真的手段研究樁基施工、基坑開挖和下部結構施工3 個階段中，鉆孔樁長度、施工順序、承臺基坑開挖深度、鋼板樁長度和鋼板樁個數5 個因素對既有線影響程度，以期為既有線變形控制方案的制定提供綜合參考。

1 工程背景與場地條件

既有隴海鐵路為國鐵Ⅰ級客貨共線鐵路，線距5 m，設計速度（改造）140～200 km/h。新建連徐高鐵連云港特大橋在K41+247.05 上跨既有隴海鐵路，其中，138#墩與既有線最接近，左、右承臺基坑平面尺寸分別為7.1 m×9.8 m、7.1 m×8.4 m，距下、上行線中心（最近）距離為6.99 m、6.16 m，承臺基礎采用“左5+右4”根?1.25 m 鉆孔樁，具體平面布置如圖1所示。

圖1 138#墩基礎與隴海鐵路平面示意圖（單位：m）

根據138#墩鉆探揭露，鉆孔施工區域內地層從地表向下主要有：素填土、粉質黏土、黏土、全風化片麻巖和強風化片麻巖，圖2為138#墩下部地質剖面示意圖。

圖2 138#墩處地質剖面示意圖（單位：m）

2 基礎開挖對既有線影響因素的正交分析

2.1 正交試驗簡介

工程影響因素的評價問題中，考慮2個及以下影響因素對試驗結果的顯著性分析可選用一元或二元方差分析。對2 個以上的影響因素，正交試驗方法是合理且節約的評價方法［11］。正交試驗主要包括正交表確定、模型計算分析、極差分析、方差分析4 個方面內容。

極差分析是對正交試驗結果進行的分析。設Kij（i，j=1，2，3…）表示對第i個評價指標評價時，j水平所對應的試驗數據相加后取平均值；則極差=Kijmax-Kijmin。極差越大，說明該因素影響越大，極差最大的因素是最主要的影響因素，應當在設計中重點考慮。極差較小，說明該因素對指標影響不顯著［12］。

鑒于極差分析不能估計試驗過程和結果測定中必然存在的誤差大小，需進一步采用方差分析方法對試驗結果進行分析。方差分析中，顯著性水平α一般取0.01、0.05、0.1、0.2，不同的顯著水平表示使用相應的臨界值表，而臨界值表是根據不同自由度和顯著性水平的要求制定的［13］。以影響因素A為例，影響因素A的F值為FA，fA和fe分別為影響因素和誤差的自由度，通過查F表，得臨界值Fα（fA，fe），再比較FA與Fα，從而做出以下顯著性判斷：若FA>F0.01，說明因素A高度顯著，可記為**；若F0.01>FA>F0.05，說明因素A顯著，可記為*；若F0.05≥FA>F0.1，說明因素A有影響，可記為⊙；若F0.1≥FA≥F0.2，說明因素A有一定影響，可記為△；若F0.2≥FA，說明因素A無影響。

2.2 影響因素與因素水平確定

在施工平面布置已確定的基礎上，結合已有單一樁基或基坑開挖對既有線影響的研究成果［5-10］，知鉆孔樁長度（A）、基坑開挖深度（B）、鋼板樁長度（C）、鋼板樁個數（D）、鉆孔樁施工順序（E）等因素對既有線具有顯著影響?？紤]影響因素取值合理的情況下，設定試驗因素水平取值，如表1 所示。

表1 因素水平表

鉆孔樁位置編號如圖1 所示，X1表示按“1—4—3—2—5—7—9—6—8”號樁依次施工，X2表示“7—9—6—8—1—4—3—2—5”號 樁 依 次 施 工，X3表 示“2—5—3—1—4—6—8—7—9”號樁依次施工，X4表示“（26）—（58）—（17）—（49）—3”號樁依次施工，X5表示“（17）—（49）—3—（26）—（58）”號樁依次施工；注：（xy）示意為x、y同時施工。

2.3 考核指標的選擇

臨近既有線的基礎施工，會對既有線產生多方面的影響。參照《鐵路營業線施工安全管理辦法》（TG/CW106—2021）［14］：施工期間必須做好既有線路路基變形觀測。文中選擇“路肩沉降”作為主要考核指標，且為完整地分析基礎開挖全過程的影響，定義：樁基施工完成后的路肩沉降值為沉降1；基坑開挖完成后的路肩沉降值為沉降2；下部結構施工完成后的路肩沉降值為沉降3。

2.4 數值仿真模型

獲取各因素對既有線的影響，評價各因素的影響程度，并為設計階段選擇適宜的支護參數提供依據。本文采用Ansys 軟件對基礎開挖進行模擬，共計分析了25 個計算工況，如表2 所示?？紤]邊界效應影響［15］，即左右邊界與臨近鉆孔樁中心間的距離不小于3～5 倍樁徑，計算模型寬度取40 m，建立的模型如圖3 所示。

表2 正交試驗方案工況

圖3 數值計算模型

數值模擬過程中主要包含樁基施工、鋼板樁施工、承臺基坑開挖、下部結構施工4 個步驟。模擬中，利用生死單元的激活和殺死模擬從樁基鉆孔、承臺開挖到墩身澆筑、橫梁安裝的全部施工過程，每一施工步的具體含義以1 號正交試驗為例，見表3。

表3 詳細施工模擬步驟

模型計算參數如表4 所示。模型中土體、道砟、路基、鉆孔樁、承臺采用Solid 45 六面體單元，板樁及圍檁采用Beam 4 梁單元，利用生死單元的激活和殺死模擬施工過程；土體（路基、道砟、土層）采用的是D-P 本構；混凝土（鉆孔樁）及鋼材（鋼板樁、圍檁、橫梁）采用線彈性體本構。

表4 模型計算參數

3 計算結果分析

3.1 沉降1 分析

鉆孔樁施工階段相應正交試驗結果見表5。由表5 可知：鉆孔樁施工順序對沉降1 有較大影響，說明先開挖遠離路基處的樁后開挖與路基距離較近樁的開挖方式引起的沉降量最??；而鉆孔樁長度對沉降1 的影響不明顯。

表5 沉降1 極差分析結果

對沉降1 進行方差分析，A、B、C、D、E5 個影響因素的自由度n=4 與誤差的自由度n=4 是相同的。 對 應 的F分 布 表 中 查 出F0.01（4，4）=15.98，F0.05（4，4）=6.39，F0.1（4，4）=4.11，F0.2（4，4）=2.50。沉降1 方差分析中，A、B、C、D、E5 個因素對應的F值為21.19、17.11、24.32、11.60、1149.70?？梢钥闯鯝因素為**，B因素為**，C因素為**，D因素為*，E因素為**。鑒于沉降1 指標為鉆孔樁施工階段指標，故不涉及基坑開挖深度、鋼板樁長度、鋼板樁個數3個因素。根據F值的大小，可進一步確認影響因素重要性排序為E>A。

3.2 沉降2 分析

承臺基坑開挖后相應的正交試驗計算結果如表6 所示。

表6 沉降2 極差分析結果

由表6 可知：基坑開挖越深，沉降2 越大，兩者呈正相關，且基坑開挖深度對于沉降的影響遠明顯于其他因素；采用鉆孔樁施工順序X1對沉降2 影響最??；當鋼板樁長度越長，沉降2 越小，兩者呈負相關；而鋼板樁個數及鉆孔樁長度對沉降2 影響不明顯。

對沉降2 進行方差分析，A、B、C、D、E5 個因素對應的F值為1.34、225.08、23.05、1.44、31.49?？梢钥闯鯝因素為無影響，B因素為**，C因素為**，D因素為無影響，E因素為**。根據F值的大小進行影響因素重要性排序為B>E>C>D>A。

3.3 沉降3 分析

橋梁下部結構施工完成后相應的正交試驗計算結果如表7 所示。

由表7 可知：基坑開挖越深，沉降3 越大，兩者呈正相關；采用鉆孔樁施工順序X1對沉降3 影響最小，鋼板樁長度越長，沉降3 越小，兩者呈負相關；鋼板樁個數及鉆孔樁長度對沉降3 影響不明顯。說明對于鉆孔樁開挖順序積累的路肩沉降會繼續影響到基坑開挖階段及橋梁下部結構所有施工步完成后，且最優施工順序與鉆孔樁施工完成后階段的相同。

對沉降3 進行方差分析，A、B、C、D、E5 個因素對應的F值為1.84、846.93、37.20、4.08、33.90?？梢钥闯鯝因素為無影響，B因素為**，C因素為**，D因素為△，E因素為**。根據F值的大小進行影響因素重要性排序為B>C>E>D>A。

3.4 綜合分析

對比極差分析和方差分析結果，極差分析和方差分析結果基本相同，得出如下結論：

（1）鉆孔樁長度對樁基施工后路肩沉降值的影響為第2 位，最優水平為A1（對應鉆孔樁長度40 m）；對基坑開挖后路肩沉降值和下部結構施工后路肩沉降值的影響均為第5 位。綜合最優鉆孔樁長度為40 m。

（2）基坑開挖深度對基坑開挖后路肩沉降值和下部結構施工后路肩沉降值的影響均為第1 位，綜合最優基坑開挖深度為2 m。

（3）鋼板樁長度對基坑開挖后路肩沉降值的影響為第3 位，對下部結構施工后路肩沉降值的影響為第2 位，綜合最優鋼板樁長度為8 m。

（4）鋼板樁個數對基坑開挖后路肩沉降值和下部結構施工后路肩沉降值的影響為第4 位，綜合最優鋼板樁數為12 個。

（5）鉆孔樁施工順序對樁基施工后路肩沉降值的影響為第1 位，對基坑開挖后路肩沉降值的影響為第2位，對下部結構施工后路肩沉降值的影響為第3位。最優施工順序為X1，即“1—4—3—2—5—7—9—6—8”。

4 結論

通過正交試驗極差分析與方差分析，得出以下結論：

（1）在橋梁基礎施工的不同階段，不同影響因素的重要性是不相同的。鉆孔樁施工階段，最重要的因素是鉆孔樁施工順序；基坑開挖階段和下部結構施工階段，最重要的因素均是基坑開挖深度，鉆孔樁施工順序與鋼板樁長度也有明顯的影響，而鋼板樁個數與鉆孔樁長度的影響并不明顯。

（2）不同施工階段的最優鉆孔樁施工順序均相同，宜優先考慮一側樁基由遠及近進行施工。

（3）建議鄰近既有線施工應盡可能地提高承臺標高，減小基坑開挖深度；同時鑒于鋼板樁的防護作用明顯，應適當增加鋼板樁長度。上述措施均可對既有線有良好的保護效果。