鄰近鐵路隧道的深基坑雙排樁支護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及優(yōu)化設(shè)計分析

金 座 中鐵城建集團第一工程有限公司

1 前言

在鄰近鐵路隧道的建筑工程建設(shè)中，由于施工受到周邊條件的影響，對安全施工和施工技術(shù)要求十分高，為了確保施工的安全性和質(zhì)量性，在鄰近鐵路隧道的施工中深基坑雙排樁支護結(jié)構(gòu)需要具有良好的性能，但由于此結(jié)構(gòu)受到影響因素比較復(fù)雜，對結(jié)構(gòu)性能造成很大的影響，如果不能夠有效控制結(jié)構(gòu)的性能變化，勢必對工程安全、穩(wěn)定建設(shè)造成威脅，因此這就掌握深基坑雙排樁支護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，并根據(jù)實際情況制定優(yōu)化方案，確保支護結(jié)構(gòu)長期作用的發(fā)揮。

2 工程概況

在某商業(yè)樓的建設(shè)中，和鐵路隧道的鄰近區(qū)域同時施工，此商業(yè)樓的地上部分共有10 層，而地下部門共3 層。在擬建場地中，地層按從上到下順序分別是最大埋深是6.56m 的填土、最大埋深是11.9m的黃土、最大埋深是15.7m的古土壤、最大埋深是39.9m的砂土、最大埋深是60.1m的粉質(zhì)黏土?；邮┕た偯娣e約是2480m2，對基坑設(shè)計的開挖深度是20m，且基坑支護主要包括前后的排樁和樁間梁，也就是雙排樁的支護形式。基坑的西側(cè)和鐵路施工的線路毗鄰，地下的管網(wǎng)十分多且繁雜，地質(zhì)的條件比較復(fù)雜，尤其是和鄰近的鐵路隧道進行同步施工，這對工程安全性與穩(wěn)定性造成很大影響。

3 模型建立

3.1 簡化計算

因為基坑的周邊地質(zhì)十分復(fù)雜，諸多因素都會對基坑造成變形的影響，為了便于和簡化計算，就假設(shè)因為施工的周期比較短，對地下水的影響不考慮，按照不固結(jié)和不排水的條件實施分析，對基坑周邊和其他荷載的作用也不考慮；支護的結(jié)構(gòu)和周圍的土體間通過面面接觸的單元變形對相互作用實現(xiàn)協(xié)調(diào)；把冠梁與樁頂當作剛性體，對土體考慮是彈塑性的材料，且滿足摩爾庫倫的準則，樁體的材料是彈性體，他們都是以C3D8R為單位類型[1]。

3.2 設(shè)置參數(shù)

在雙排樁的支護中，計算的基本參數(shù)包括：樁排距是2.0 m；樁間距是1.5m；樁徑是1m；樁長是31m；冠梁的高度是1m，寬度是4m?；诨緟?shù)共設(shè)計有5 種樁長的類型，分別是27m、29m、31m、33m、35m；樁徑也設(shè)計5 種類型，分別是0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m，且樁體的剛度分別是0.50倍EI、0.75倍EI、1.00 倍EI、1.25 倍EI 和1.50 倍EI（其中EI 是樁體的基本性剛度），而樁間距與樁排距分是樁徑的2 倍、3 倍、4 倍、5 倍、6倍。管梁和雙排樁重度是2560kN/m3，其泊松比是0.2、彈性的模量是31.5GPa。

3.3 設(shè)定模型和邊界的條件

通過Abaqus 軟件建立模型，其中x 方向是基坑的東西向（東正西負），y方向是南北向（北正南負），z方向是深度的方向（向上為正）。在模型中，范圍大小為東西150m、南北130m、深60m，以地表當作自由的邊界，且基坑的四周是法向約束的條件，而基坑底部是全約束的條件[2]。

4 模擬結(jié)果的分析

4.1 改變樁長的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和優(yōu)化

在其它基本參數(shù)保持不變的條件下，對樁長改變，發(fā)現(xiàn)樁體最大的位移量比樁頂以及樁底位移量顯著增加，表明雙排樁的支護變形是中間大和兩端小的特點。由于樁頂有冠梁，對樁頂位移產(chǎn)生限制，且樁底嵌固在巖石或者堅硬的土層中，存在較大約束力，則樁身的變形呈現(xiàn)出弓字形態(tài)。

在樁長在33m之下時，其樁頂發(fā)生的位移超過樁底位移，而在樁長在33m之上時，則樁頂發(fā)生的位移要比樁底位移小，同時發(fā)生的最大位移也隨著樁長的增長而不斷減小。此情況主要是樁長的增加導(dǎo)致嵌入深度的加深，增加了基坑以下的被動性土體的面積，則樁體的前后存在的被動以及主動土的壓力差值在不斷減小，所以樁長增長能夠提高支護的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增加樁長并不能實現(xiàn)對樁底變形的有效抑制，甚至?xí)黾訕兜鬃冃?，此時樁身變形出現(xiàn)雙反彎點的特點[3]。

通過樁長增長能夠改善樁體的受力以及變形，但達到的效果比較有限，在樁長增長8m 后，則樁體最大的位移僅減小了2cm，卻顯著增加了施工的成本，所以通過樁長增長來提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并非有效手段。按照模擬的結(jié)果，在樁長是33m，其樁頂與樁底位移是較小的，就選擇雙排樁是33m樁長。

4.2 改變樁徑的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和優(yōu)化

在樁長是33m 和其它基本的參數(shù)不變條件下，對樁徑改變，發(fā)現(xiàn)改變樁徑對樁頂存在較大影響。在對樁徑不斷增加時，樁頂?shù)奈灰瞥尸F(xiàn)先增大而后減小特點，但樁底位移基本是不變的，因為在較小樁徑時，其冠梁約束樁頂位移，且樁徑越小的話，這種約束就越顯著；在增加樁徑后，對冠梁約束力減小，但樁徑會影響樁頂位移，且樁徑越大的話，這種約束就越顯著；隨著不斷增大樁徑，前后排的樁體最大位移呈現(xiàn)逐漸減小的特點，則說明樁徑增大能夠提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而樁徑增大到一定值，則對變形約束就減弱。通過模擬分析，選擇1.2m樁徑。

4.3 改變樁體剛度的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和優(yōu)化

在樁長是33m且樁徑是1.2m和其它基本的參數(shù)保持不變條件下，對樁體剛度改變。發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變化和樁徑的影響是類似的，改變樁體剛度并沒有對樁底位移產(chǎn)生顯著的影響，而對樁頂位移產(chǎn)生很大影響，在增加樁體剛度時，樁頂?shù)奈灰瞥尸F(xiàn)冪函數(shù)的減小狀態(tài)。通過樁體的剛度反映出樁體變形抵抗能力，在相同受力條件下，對剛度增加能夠降低樁體的位移。很具前后排的樁體最大位移變化得知，其變化的趨勢和樁頂位移是呈現(xiàn)冪函數(shù)的降低情況，則對剛度增加能夠提升支護的穩(wěn)定性，但增加剛度會減弱變形抑制的效果，在增加剛度到1.0EI 時，再對剛度增加效果就會很小，所以本工程保持1.0EI的樁體剛度[4]。

4.4 改變樁間距的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和優(yōu)化

在樁徑是1.2m、樁長是33m、樁體的剛度是1.0EI和其它基本的參數(shù)保持不變條件下，對樁間距改變，發(fā)現(xiàn)不斷增加樁間距，則前后排的樁頂位移也在不斷的增加，而樁底值的變化基本不變，進而呈現(xiàn)出雙反彎點的形變特點。因為增大樁間距時，樁底部需要承擔(dān)的土壓力更大，使樁底位移發(fā)生增加，但上部受冠梁約束，呈現(xiàn)出雙反彎點的變形。當不斷增加樁間距，樁體的最大位移也在逐漸增加，當間距到4倍樁徑后，樁體的位移發(fā)生顯著增大，同時前排樁位移遠超過后排樁，所以施工中對前后排樁采用非對稱性布置，且按照樁徑大小對樁間距合理選擇。因為深基坑對支護的安全系數(shù)要求比較高，則選擇2倍樁徑的樁間距。

4.5 改變樁排距的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和優(yōu)化

在保持上述參數(shù)不變的條件下，對樁排距改變，發(fā)現(xiàn)增加樁排距，前排的樁體要承受更大土壓力，但后排的樁體所承擔(dān)土壓力就會降低，而樁頂受冠梁約束，使前后排位移一致，因為前排樁發(fā)生位移逐漸增大，但后排樁樁頂發(fā)生位移較大，樁底位移則變化較小。不斷增加樁排距，其最大位移逐漸減小，在樁排距是4 倍樁徑時，前后排樁間和土體間存在良好協(xié)同性，在對排距繼續(xù)增加時，會使樁間的土對前排樁的壓力增加，減弱后排樁支護效果，且變形的協(xié)同性也會下降。在施工時建議把樁排距設(shè)置為4倍樁徑，并通過非對稱的配筋方式優(yōu)化配筋方案，對前后的排樁彎矩差異性進行降低[5]。

5 工程實際運用的效果分析

按照分析的結(jié)果，選擇33m 樁長、1.2m 樁徑、1.0EI 樁體剛度、2D 樁間距和4D 樁排距等參數(shù)，來對現(xiàn)場基坑實施支護處理，且對基坑的兩側(cè)位移和變形實施全程的監(jiān)測和分析。通過對結(jié)果沉降曲線實施分析，發(fā)現(xiàn)基坑的兩側(cè)發(fā)生沉降的變形呈現(xiàn)出“凹”形的分布狀態(tài)，基坑的東側(cè)沉降變形比西側(cè)要明顯，這主要是由于存在鐵路隧道對基坑發(fā)生遮擋的作用；東側(cè)的基坑最大的位移是3.3cm，比設(shè)計的規(guī)范值要小，且最大的位移在東側(cè)的基坑4m 左右位置；和離基坑的遠側(cè)位置，地表的沉降量隨著距離增加而增加，這主要因為鐵路隧道的兩側(cè)土存在壓力的分布不均情況而導(dǎo)致的。因此，對深基坑采用雙排樁的支護結(jié)構(gòu)，具有很好的效果，實現(xiàn)鐵路隧道以及基坑的安全性和穩(wěn)定性提升。

6 結(jié)束語

綜上所述，在建立模型基礎(chǔ)上，通過對樁長、樁體的剛度、樁徑、樁間距和樁排距等參數(shù)改變，來對和鐵路隧道臨近深基坑的雙排樁支護結(jié)構(gòu)變形的規(guī)律實施分析，并根據(jù)變形規(guī)律進行支護方案的優(yōu)化，通過后期實踐表明，優(yōu)化后的支護結(jié)構(gòu)具有很好的效果，能夠確保鐵路隧道以及基坑具有良好穩(wěn)定性與安全性。