緊鄰鐵路深厚淤泥層基坑支護(hù)對(duì)策及影響研究

于廷新

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

沿海地區(qū)淤泥層深厚，具有高壓縮性、高含水量、低承載力、流塑的顯著特點(diǎn)。此類(lèi)地層中基坑開(kāi)挖變形大，難控制。緊鄰既有鐵路的此類(lèi)基坑開(kāi)挖日益增多，造成既有鐵路位移和沉降超標(biāo)，嚴(yán)重影響安全運(yùn)營(yíng)[1-2]。目前沿海地區(qū)鐵路旁深厚淤泥層基坑支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)策、變形規(guī)律影響研究尚不成熟[3-5]。

一些學(xué)者針對(duì)基坑影響開(kāi)展了相關(guān)研究。王菲、馬寧[6-7]分別采用ABAQUS軟件中Drucker-Prager模型、莫爾庫(kù)倫模型分析基坑開(kāi)挖對(duì)既有鐵路橋基礎(chǔ)、路基變位的影響。閆周福、劉少煒[8-9]采用FLAC軟件中的莫爾庫(kù)倫模型分析了基坑加固體、地連墻、支撐剛度對(duì)周邊環(huán)境的影響。周衡[10]對(duì)某鐵路沿線某小基坑開(kāi)挖監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，來(lái)驗(yàn)證支護(hù)設(shè)計(jì)。廖俊展[11]對(duì)軟土應(yīng)力各向異性對(duì)基坑開(kāi)挖后土體變形進(jìn)行了研究。付小雁[12]采用二維簡(jiǎn)單平面模型分析基坑開(kāi)挖影響既有鐵路軌道不平順的因素。劉玉恒[13]采用簡(jiǎn)單模型研究了基坑設(shè)置內(nèi)支撐前后土體的變形，對(duì)理論計(jì)算與數(shù)值分析進(jìn)行對(duì)比。石鈺鋒[14]采用FLAC的莫爾庫(kù)倫模型研究了偏壓基坑的圍護(hù)內(nèi)力、周邊位移，分析了列車(chē)動(dòng)載的影響。魯四平[15]采用ANSYS有限元模型研究了基坑開(kāi)挖時(shí)恒載、溫度對(duì)力學(xué)性能影響。上述學(xué)者雖然就基坑開(kāi)挖對(duì)周邊土體變形的影響進(jìn)行了一定的研究，但一般采用簡(jiǎn)單的莫爾庫(kù)倫等模型，與實(shí)際相差較大。根據(jù)徐中華、王衛(wèi)東等對(duì)基坑數(shù)值分析中土體本構(gòu)模型的研究，建議敏感環(huán)境下選擇小應(yīng)變土體硬化模型(HSS)[16]，緊鄰鐵路的深厚淤泥層基坑環(huán)境要求非?？量獭⒚舾?、精確，故應(yīng)選擇此模型。目前與鐵路相關(guān)基坑項(xiàng)目用實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證理論計(jì)算及數(shù)值分析結(jié)果合理性的成果較少[17-18]。本文依托緊鄰鐵路的沿海深厚淤泥層基坑實(shí)例，采用小應(yīng)變土體硬化模型(HSS)進(jìn)行三維數(shù)值分析，并對(duì)各施工階段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，對(duì)被動(dòng)區(qū)加固等支護(hù)對(duì)策、土體及鐵路變形規(guī)律進(jìn)行研究。

2 工程概況

溫州市域鐵路運(yùn)營(yíng)控制中心工程，為溫州市域鐵路S1～S4線4條線路運(yùn)營(yíng)指揮及管理中心，地上22層，建筑總高度96.0 m，地下2層。基坑面積約10 000 m2，基坑開(kāi)挖深度12～17 m。由于需要與溫州市域鐵路S1線同時(shí)投入運(yùn)營(yíng)，故工期十分緊張?；庸こ淌钦麄€(gè)控制中心工程的重中之重。基坑北側(cè)距溫州大道僅10 m；南側(cè)距既有金溫鐵路僅15 m，既有金溫鐵路為路基，運(yùn)營(yíng)車(chē)次多，線路繁忙，沉降、變形要求極為嚴(yán)格；周邊存在較多磚混結(jié)構(gòu)民房；東側(cè)為含一層地下室的民政大廈。根據(jù)JGJ120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》，本基坑安全等級(jí)為一級(jí)。

3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

3.1 工程地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地屬浙東南沿海淤積平原地貌，2-1層及2-2層淤泥厚度大，達(dá)25 m，自上而下各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 水文地質(zhì)條件

基坑影響范圍內(nèi)地下水為孔隙潛水，地下水位埋深為0.5～0.7 m。

4 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)策

由于鐵路位移和沉降要求嚴(yán)格，而深厚淤泥基坑開(kāi)挖變形大，通過(guò)多種方案比選，應(yīng)選擇樁(墻)撐支護(hù)體系?？晒┻x擇的支護(hù)樁(墻)有地下連續(xù)墻、鉆孔樁、SMW工法樁，地下連續(xù)墻造價(jià)高，SMW工法樁剛度小，故采用鉆孔樁；可供選擇的內(nèi)支撐有混凝土支撐和鋼支撐，鋼支撐剛度小，故采用混凝土支撐；對(duì)于內(nèi)支撐道數(shù)的選擇，為減小鐵路變形，應(yīng)選擇2道以上支撐；由于淤泥深厚，應(yīng)設(shè)置帷幕止水止住淤泥，效果最好的為三軸攪拌樁。故對(duì)緊鄰鐵路的深厚淤泥層基坑最終采用鉆孔樁結(jié)合三軸攪拌樁止水帷幕+2道混凝土內(nèi)支撐支護(hù)方案。

經(jīng)過(guò)彈性地基梁法計(jì)算、比選設(shè)計(jì)，鉆孔樁設(shè)計(jì)為φ1 m@1.2 m，樁頂設(shè)置冠梁及第一道混凝土內(nèi)支撐，支護(hù)樁中部設(shè)置腰梁及第二道混凝土內(nèi)支撐。止水帷幕采用φ0.65 m@0.45 m的三軸攪拌樁，本工程立柱樁大部分利用工程樁，其他采用φ0.8 m鉆孔樁，格構(gòu)柱插入立柱樁頂以下3 m。為減小鐵路位移，需對(duì)基坑內(nèi)土體采用三軸攪拌樁進(jìn)行被動(dòng)區(qū)加固，被動(dòng)區(qū)加固形式通過(guò)后面數(shù)值分析及造價(jià)比選確定?；又ёo(hù)平面、剖面分別見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 基坑支護(hù)平面(單位：m)

圖2 基坑支護(hù)剖面(單位：m)

5 數(shù)值分析

5.1 本構(gòu)模型

在敏感環(huán)境基坑中，土體剪應(yīng)變一般需控制在1×10-4～1×10-3之間。土體剛度隨應(yīng)變?cè)黾佣眲∷p，在小應(yīng)變階段土體的剛度要遠(yuǎn)大于較大應(yīng)變階段的剛度，相比其他本構(gòu)模型，HSS模型考慮此特性。

HS模型最先由Schanz(1998)在Vermeer(1978)的雙硬化模型的基礎(chǔ)上提出。該模型在p-q平面內(nèi)由一個(gè)雙曲線型的剪切屈服面以及一個(gè)橢圓型的蓋帽屈服面組成。Benz(2007)將小應(yīng)變范圍內(nèi)土體剪切剛度與應(yīng)變的非線關(guān)系考慮進(jìn)HS模型，提出了HSS模型，它在描述土體剪切硬化、壓縮硬化、加卸載、小應(yīng)變等方面有明顯優(yōu)勢(shì)，較常用本構(gòu)模型而言更適合于模擬基坑開(kāi)挖問(wèn)題[19-20]，故本基坑模型采用HSS模型。

5.2 計(jì)算參數(shù)

HSS模型的計(jì)算參數(shù)包括壓縮模量Es、割線模量E50、回彈模量Eur、初始剪切模量G0等，通過(guò)勘察報(bào)告及經(jīng)驗(yàn)公式確定，計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 HSS模型計(jì)算參數(shù) kPa

5.3 模型建立及工況

采用PLAXIS 3D巖土專(zhuān)用有限元分析軟件，按基坑與金溫鐵路的相對(duì)關(guān)系，建立三維有限元模型，對(duì)基坑開(kāi)挖對(duì)金溫鐵路的影響進(jìn)行有限元分析。

支護(hù)樁采用板單元模擬，冠腰梁、內(nèi)支撐按梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。模型邊界條件為邊界左右側(cè)設(shè)置X向位移約束，前后面設(shè)置Y方向約束，模型底邊設(shè)置X、Y、Z三向約束。

有限元模型長(zhǎng)度為263 m，寬度為172 m，深度為38 m，模型邊界為基坑外6倍基坑深度。有限元網(wǎng)格剖分如圖3所示。

圖3 有限元網(wǎng)格剖分

該模型按照施工先后順序，即分為如下6種工況。

初始工況：初始地基模型，激活所在位置原始土層信息、金溫鐵路。

工況1：模擬施做支護(hù)樁、止水帷幕、放坡開(kāi)挖第一道支撐以上土體。

工況2：模擬施作冠梁、第一道支撐，開(kāi)挖至第二道支撐底。

工況3：模擬施作第二道支撐、腰梁，開(kāi)挖至基坑底。

工況4：模擬施作底板換撐，拆除第二道支撐。

工況5：模擬施作地下室樓板換撐，拆除第一道支撐。

對(duì)逆工況的工況4、工況5進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)土體及金溫鐵路位移變化很小，故工況1、工況2、工況3為重點(diǎn)工況，進(jìn)行詳細(xì)分析。

5.4 土體及鐵路變形分析

通過(guò)數(shù)值分析得到各工況周邊水平位移云圖、沉降云圖。基坑開(kāi)挖到底后周邊沉降云圖，如圖4所示。

圖4 基坑開(kāi)挖到底后周邊沉降云圖

提取金溫鐵路股道的位移數(shù)據(jù)，對(duì)其工況1、工況2、工況3下位移進(jìn)行分析。3種工況下鐵路股道垂直鐵路方向位移曲線如圖5所示(向坑內(nèi)位移)。

圖5 3種工況下鐵路股道垂直鐵路方向位移曲線

3種工況下鐵路股道沉降曲線如圖6所示。

圖6 3種工況下鐵路股道沉降曲線

3種工況下鐵路股道沿鐵路方向位移曲線如圖7所示(向右位移為正)。

圖7 3種工況下鐵路股道沿鐵路方向位移曲線

從圖5～圖7可以看出：

(1)鐵路股道主要位移產(chǎn)生在工況2、工況3；

(2)鐵路股道沉降及垂直鐵路方向位移較大，兩者數(shù)值基本相等，由基坑中部向基坑兩側(cè)逐漸減小；鐵路股道沿鐵路方向位移較小，故鐵路股道沉降、垂直鐵路方向位移為研究重點(diǎn)；

(3)基坑中部一半?yún)^(qū)域的鐵路股道沉降及垂直鐵路方向位移基本相等；

(4)鐵路股道各工況最大位移及沉降如表3所示。

表3 3種工況下鐵路股道最大位移 mm

5.5 被動(dòng)區(qū)加固形式比選

為減小鐵路位移，需對(duì)基坑內(nèi)土體采用三軸攪拌樁進(jìn)行被動(dòng)區(qū)加固，被動(dòng)區(qū)加固形式有基坑內(nèi)滿堂加固、鐵路側(cè)裙邊加固+其他側(cè)墩式加固、全部墩式加固，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)各類(lèi)被動(dòng)區(qū)加固進(jìn)行分析，得到其對(duì)應(yīng)的鐵路最大垂直位移，同時(shí)對(duì)各類(lèi)被動(dòng)區(qū)加固造價(jià)進(jìn)行測(cè)算對(duì)比，如表4所示。

表4 各類(lèi)被動(dòng)區(qū)加固對(duì)比

由表4可見(jiàn)，裙邊+墩式加固經(jīng)濟(jì)合理性最佳，比滿堂加固降低造價(jià)86.9%，相比墩式加固，減小鐵路位移10.6 mm，故確定對(duì)鐵路側(cè)被動(dòng)區(qū)采用三軸攪拌樁裙邊加固，加固寬度5 m，加固深度4 m，非鐵路側(cè)被動(dòng)區(qū)采用三軸攪拌樁墩式加固，同時(shí)坑中坑周邊應(yīng)采用三軸攪拌樁加固。如圖8所示。

圖8 裙邊+墩式被動(dòng)區(qū)加固示意(單位：m)

6 彈性地基梁法、數(shù)值分析與實(shí)際監(jiān)測(cè)對(duì)比分析

將彈性地基梁法計(jì)算、數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)[20]所得的樁最大深層水平位移、地表最大沉降、鐵路路基最大沉降進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表5。

表5 彈性地基梁法、數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)對(duì)比 mm

3種方法所得樁深層水平位移對(duì)比曲線、坑外地表沉降對(duì)比曲線如圖9、圖10所示。

圖9 3種方法所得樁深層水平位移對(duì)比曲線

圖10 3種方法所得坑外地表沉降對(duì)比曲線

由圖9、圖10可見(jiàn)，三者曲線形狀基本一致，與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果相比，彈性地基梁法計(jì)算結(jié)果偏小，有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)基本吻合，由此可見(jiàn)，采用小應(yīng)變土體硬化模型的數(shù)值分析結(jié)果是可靠的，可用其預(yù)測(cè)基坑及鐵路變形。由圖9可見(jiàn)，樁深層水平位移最大值位于基坑底附近。由圖10可見(jiàn)，坑外地表沉降最大值位于距坑邊1.5倍基坑深度附近。深厚淤泥層基坑影響范圍很大，達(dá)5倍基坑深度。

7 結(jié)論

(1)對(duì)緊鄰鐵路的深厚淤泥基坑一般采用鉆孔樁結(jié)合三軸攪拌樁止水帷幕+多道混凝土內(nèi)支撐+被動(dòng)區(qū)加固支護(hù)。與實(shí)際監(jiān)測(cè)相比，彈性地基梁法所得土體及鐵路位移偏小；采用小應(yīng)變土體硬化模型的數(shù)值分析與實(shí)際監(jiān)測(cè)基本吻合，結(jié)果可靠。

(2)深厚淤泥基坑造成鐵路沉降及垂直鐵路方向位移較大，兩者基本相等，由基坑中部向兩側(cè)逐漸減小；基坑中部一半?yún)^(qū)域位移基本相等；沿鐵路方向鐵路位移較小。

(3)對(duì)于深厚淤泥基坑，樁深層水平位移最大值位于基坑底附近；坑外地表沉降最大值位于距坑邊1.5倍基坑深度附近；基坑影響范圍很大，達(dá)5倍基坑深度。

(4)通過(guò)數(shù)值分析及對(duì)比，對(duì)鐵路側(cè)被動(dòng)區(qū)采用攪拌樁裙邊加固，其他側(cè)被動(dòng)區(qū)采用攪拌樁墩式加固，相比滿堂加固節(jié)約造價(jià)86.9%；相比墩式加固，減小鐵路位移10.6 mm。同時(shí)坑中坑周邊應(yīng)采用三軸攪拌樁加固。

(5)采用數(shù)值分析對(duì)基坑及鐵路位移提前預(yù)測(cè)，保證了深厚淤泥基坑安全開(kāi)挖、金溫鐵路安全運(yùn)營(yíng)。通過(guò)基坑及鐵路監(jiān)測(cè)，結(jié)果符合設(shè)計(jì)預(yù)期。