拉林鐵路深水橋沙石筑島臨水基坑模型試驗(yàn)研究

何 旭，馮圣康 ，王家鑫 ，周亞凱

（1.中鐵十九局集團(tuán)第六工程有限公司，江蘇無(wú)錫214028；2.淮陰工學(xué)院，江蘇淮安223003；3.江蘇省交通運(yùn)輸與安全保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇淮安223003）

拉林鐵路（Lhasa-Linzhi Railway），簡(jiǎn)稱(chēng)拉林線，是中國(guó)一條連接西藏自治區(qū)拉薩市拉薩站至西藏自治區(qū)林芝市巴宜區(qū)林芝站的國(guó)鐵Ⅰ級(jí)單線電氣化快速鐵路，是川藏鐵路的重要組成部分。拉林鐵路起于西藏自治區(qū)拉薩站（貨車(chē)起于拉薩南站），沿拉薩河而下，經(jīng)貢嘎轉(zhuǎn)向東，經(jīng)山南、朗縣、米林，跨越雅魯藏布江到林芝站，全長(zhǎng)433km。本文研究依托工程為“新建鐵路川藏線拉薩至林芝段LLZQ12標(biāo)段多卡3號(hào)特大橋6～13號(hào)深水墩基礎(chǔ)承臺(tái)筑島及深基坑鉆孔樁圍堰施工”。該工程中，采用沙石圍堰筑島，排樁+旋噴樁截水帷幕咬合支護(hù)結(jié)構(gòu)，開(kāi)挖深度10～14m。

對(duì)于筑島工程本身而言，作為一種工藝簡(jiǎn)單的土石方工程，其技術(shù)較為成熟，質(zhì)量容易得到保證。但在本項(xiàng)目依托工程中須解決的問(wèn)題是由于順河流向大面積筑島后開(kāi)挖，形成臨水基坑。由于筑島材料的選擇限制，臨水基坑須保證穩(wěn)定性，因此上述問(wèn)題能否合理解決，是筑島工程設(shè)計(jì)、施工成敗的關(guān)鍵。為定性驗(yàn)證筑島施工中存在的臨水基坑施工問(wèn)題，本文采用室內(nèi)臨水基坑縮尺模型試驗(yàn)的方式進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)拉林鐵路多卡3 號(hào)特大橋筑島開(kāi)挖基坑為原型，土體來(lái)自多卡特大橋施工現(xiàn)場(chǎng)，是一種真實(shí)土料，并沒(méi)有改變土質(zhì)的物質(zhì)組成，在室內(nèi)將土體用機(jī)械夯實(shí)使土體重度增大至與現(xiàn)場(chǎng)地層砂質(zhì)土重度相同，然后將土體靜置一定的時(shí)間再開(kāi)挖來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)施工，土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如下：最佳含水量為22%，最大干密度為1.58g/cm3，重度為18.82kN/cm3，內(nèi)摩擦角22°，天然密度為19.2g/cm3。根據(jù)相似性原理，試驗(yàn)采用室內(nèi)縮尺模型結(jié)構(gòu)。由于試驗(yàn)條件的限制，本試驗(yàn)并沒(méi)有嚴(yán)格按相似率進(jìn)行，是一種定性的模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)旨在通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程，測(cè)量土體應(yīng)力在各個(gè)階段的發(fā)展、變化過(guò)程，獲得在各個(gè)階段土體應(yīng)力的大小、分布及其他規(guī)律，并監(jiān)測(cè)在各個(gè)階段基坑壁側(cè)向位移的變化。

試驗(yàn)采用不銹鋼合金外殼支撐內(nèi)鑲有機(jī)玻璃板，槽內(nèi)凈空尺寸為1800mm×1500mm，長(zhǎng)度方向開(kāi)放方便進(jìn)出，如圖1所示。試驗(yàn)采用臨水堆載與臨水不堆載兩種情況。開(kāi)挖時(shí)完成支撐。采用微型觀測(cè)裝置測(cè)量應(yīng)力變化及模擬咬合樁頂部變形情況。應(yīng)力監(jiān)測(cè)位置如圖2所示，共計(jì)24個(gè)，沿土層豎直方向上、中、下均有布置，同時(shí)配以通道編號(hào)。位移觀測(cè)裝置如圖1 排列，測(cè)量咬合樁頂土體及外側(cè)位移。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 臨水基坑堆載狀態(tài)與應(yīng)力關(guān)系

伴隨著基坑開(kāi)挖施工的進(jìn)行，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)土壓力不斷增長(zhǎng)。隨著深度的增加，監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壓力呈現(xiàn)隨深度增加，變化量減小趨勢(shì)。在臨水狀態(tài)基坑同等深度處，可見(jiàn)應(yīng)力隨監(jiān)測(cè)水平位置變化情況（圖3）。

圖1 模型試驗(yàn)和堆載裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 土壓力盒埋置圖

圖3 鄰水狀態(tài)未堆載側(cè)壁主動(dòng)應(yīng)力與埋深變化規(guī)律

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表示，隨著開(kāi)挖擾動(dòng)的產(chǎn)生，土體應(yīng)力隨變形開(kāi)始增長(zhǎng)?？拷觾?nèi)壁位置處應(yīng)力變化較大，隨著距離增長(zhǎng)應(yīng)力影響減弱。隨著基坑進(jìn)一步開(kāi)挖，應(yīng)力隨之增長(zhǎng)。因此，在基坑開(kāi)挖施工作用下，應(yīng)力集中于側(cè)壁范圍，當(dāng)開(kāi)挖進(jìn)入臨水水位線以下后，應(yīng)力曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，體現(xiàn)了臨水狀態(tài)對(duì)基坑支護(hù)作用的影響幅度（圖4）。

2.2 基坑側(cè)向位移與開(kāi)挖過(guò)程的關(guān)系

圖4 臨水支撐側(cè)土體應(yīng)力—開(kāi)挖深度關(guān)系圖

基坑開(kāi)挖施工，必然帶來(lái)側(cè)壁土體位移，即便是進(jìn)行了咬合樁支護(hù)，位移依然僅僅是變形量數(shù)量級(jí)的區(qū)別，其趨勢(shì)與方向通常保持不變。本試驗(yàn)對(duì)基坑自坑頂?shù)脚R水邊緣布設(shè)8 個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，結(jié)果表明，除7、8號(hào)距離較遠(yuǎn)無(wú)明顯讀數(shù)外，1～6 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨基坑開(kāi)挖成變形趨緩的趨勢(shì)。由于水體存在，在一定變形后支護(hù)結(jié)構(gòu)可能發(fā)生整體移動(dòng)，因此存在此種規(guī)律現(xiàn)象，同時(shí)結(jié)果也體現(xiàn)了基坑變形隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)離坑邊而總體減小的趨勢(shì)（圖5）。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上模型箱定性縮尺試驗(yàn)，對(duì)于諸如拉—林多卡特大橋的沙石筑島上的臨水基坑工程具有如下理論規(guī)律：

（1）基坑的開(kāi)挖施工會(huì)顯著影響應(yīng)力變化，其隨深度增加而增長(zhǎng)。

（2）因?yàn)榕R水狀態(tài)的關(guān)系，土壓力增長(zhǎng)容易出現(xiàn)極值點(diǎn)，在支護(hù)配筋時(shí)應(yīng)尤為關(guān)注。

圖5 不同工況下側(cè)向位移—開(kāi)挖深度關(guān)系圖

（3）此類(lèi)基坑開(kāi)挖位移變化明顯，穩(wěn)定的滲流場(chǎng)會(huì)增強(qiáng)變形增長(zhǎng)趨勢(shì)。

此試驗(yàn)定性說(shuō)明了臨水基坑開(kāi)挖存在的一些風(fēng)險(xiǎn)與施工注意問(wèn)題，同時(shí)驗(yàn)證了砂石料筑島+咬合樁支護(hù)結(jié)構(gòu)施工技術(shù)方案的可行性，為地區(qū)的同類(lèi)工程提供了一定參考。