基坑降水对京沪高速铁路CFG桩－筏复合地基沉降的影响分析

2011-11-27张光宗王连俊朱孝笑

铁道标准设计 2011年12期

关键词：京沪高速铁路西站站场

张光宗，王连俊，朱孝笑

(北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)

在工程中，当天然地基达不到建筑物对地基的要求时，为了保证建筑物的安全和正常使用，就需要对地基进行处理形成人工地基来满足建筑物对地基的要求。经过地基处理后形成的人工地基可以分为均质地基、多层地基和复合地基。

复合地基［1］是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然地基中设置加筋材料的地基。基体和增强体两部分组成了加固区，加固区是由基体(天然地基土体或被改良的天然地基土体)和增强体两部分组成的人工地基。

桩-筏复合地基体系由桩、土、褥垫层和钢筋混凝土板组成，具有承载力高、稳定性好、地基总沉降及差异沉降小等优点。因此，京沪高速铁路部分路段也将采用以CFG桩一筏复合地基为主的地基处理技术，以满足设计标准。

京沪高速铁路济南西站范围内为深厚松软土地基，为了减少工后沉降，设计采用CFG桩基础加固处理和路基预压的措施，平均填土高5 m，预压堆载3.5 m。

为了保持站房施工环境干燥，并且为了提高土体的固结程度，增加地基的抗剪强度，济南西站在2009年9月15日进行了基坑降水。但是，随着站房基坑降水的进行，原本沉降已经趋于稳定的高速铁路路基又产生了二次加速沉降，根据现场监测沉降板、路基深层沉降的数据，分析济南西站站房基坑降水对京沪高速铁路路基沉降的影响。

1 工程概况

1.1 工程地质和水文地质

京沪高速铁路济南西站试验段(DK418+300～DK419+575)位于济南市西部。

地形地貌:济南市位于黄河以南的冲积平原、丘陵及丘间平原，南部的丘陵区是以剥蚀为主山区向平原的过渡地带，残丘大多分布在丘间冲洪积平原，由于风化剥蚀使得山顶呈浑圆状。

地层岩性:沿线的丘陵区前缘和丘间平原分布了第四系上更新统、中更新统冲洪积、坡洪积及残坡积层;残丘区出露灰岩;居民区附近和既有铁路、公路表覆第四系全新统人工堆积层。

地质构造:济南地区位于中朝准地台次级构造单元鲁西断块上，鲁西断块位于沂沭断裂带西，齐河－广饶断裂南和聊考断裂东地区。中生代断块主要以差异运动为主，形成了泰山，并伴随着岩浆岩侵入，北西向、北东是区内主要断裂。工程沿线新生代由于河流搬运的物质堆积，形成第四系的覆盖层，其断裂构造对铁路和建筑物没有明显的影响。

水文地质:勘察范围内勘察期间，从钻孔内测得地下水静止水位埋深3.50～7.50 m，水位高程为25.96～27.61 m。根据钻孔水位情况，结合区域调查，确定该场地水位西南高，东北低，总体由西南向东北排泄，钻探无漏浆情况，地下水量较丰富。场地地下水属第四系孔隙潜水，补给来源为大气降水和地下径流。该地下水位年变化幅度不大，丰水期水位高程可按30.00 m考虑。水质对混凝土结构不具腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性。长期浸水作用下，水质对混凝土结构中的钢筋不具腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。

1.2 地基处理设计

济南西站内，地形比较平坦，路基采用填方形式。正线无砟轨道板基础按1∶1放坡至地面范围以内部分。路堤基底设置0.5 m厚C30钢筋混凝土板，板下设置0.15 m厚碎石垫层，其他部分设置0.6 m厚碎石垫层，中间铺设2次高强度的土工格栅。

济南西站均是深厚松软土地基，为了减少工后沉降，地基采用管桩(PHC桩)、CFG桩(约282万m)基础进行加固处理和路基预压措施。管桩(PHC桩)的直径为0.4 m，CFG桩的直径为0.5 m，沿线路方向间距为1.5 m，钢筋混凝土板下管桩的横向间距为2 m，板以外CFG桩的横向间距为1.6 m。

板下管桩长35 m，咽喉区(DIK419+002)板外桩长25 m;站场(DIK419+251)板外侧1～5排桩长25 m，再外侧5～10排桩长20 m，最外侧11～57排桩长15 m。设计单桩承载力是800 kN，在填筑基床表面以前路堤采用堆载预压，咽喉区(DIK419+002)范围内为堆载预压，时间不少于12个月，预压土高为3.5 m，站场(DIK419+251)范围内为(正线两侧的站台之间)堆载预压，时间不少于12个月，预压土高为3.5 m。预压观测期暂定12个月，预压土与基床底层表面铺1层经编复合土工膜。

1.3 基坑开挖实施方案

根据设计要求，基坑的总体施工顺序，先期开挖国铁范围内的第一级基坑土方，根据市政配套工程整体进度安排，确定第一级基坑开挖范围。由上至下开挖基坑土体，按需降水，边开挖边支护。济南西站站房基坑平面布置如图1所示。

图1 济南西站站房基坑平面布置

开挖深度要求如下:高铁大通廊处基坑底高程为－7.770 m(22.590 m);主站房处基坑底高程为－10.80 m(19.560 m)，1号线基坑底高程为－18.21 m(12.150 m)。降水井设计按照开挖要求分为3个设计区域。

1.4 降水设计方案

降水施工顺序应先施工高铁站台处，然后再施工1号线处基坑。本工程基坑降水计划分2个降深:第一步基坑降水至降深8.10 m，开挖至7.60 m(第一步开挖基坑底)，采用周边降水井(73眼:降水井编号J－1—J－21、J－42—J－93)进行降水，中间降水井(46眼:编号为J－22—J－41、S－1—S－18、J－94－J－101)做疏干井。第二步，全部降水井和疏干井均同时工作，基坑开挖至地铁1号线设计高程(－18.21 m)，降深至设计基坑底(－18.21 m)以下1.0 m。第三步，降水满足要求，经设计人员同意分阶段、分批次停用疏干井。

降水井降水时，将产生降水曲线漏斗，对周边建筑物(构筑物)有一定影响，为了确保止水帷幕外侧已施工高铁基础(CFG桩)的安全，在止水帷幕外侧设置回灌井，降水时进行回灌，确保地下水位高度，减少基坑降水对高铁基础的影响。

2 试验方案

本次试验共设置4个路基沉降观测断面，分别为:DIK418+298.8(正线)、DIK418+900(咽喉区)、DIK419+250(站场北侧)、DIK419+650(站场南侧)，监测断面布置见图2。分别在断面处布置观测元器件，通过现场对路堤填土期、堆载预压期以及基坑降水期内的CFG桩桩-筏复合地基桩、板的沉降变形进行观测。在文中只取咽喉区、站场北侧断面进行分析，见图3、图4。

图2 京沪高速铁路济南西站站场断面布置

图3 咽喉区(DIK419+002)元器件平面布置(单位:m)

图4 站场北侧(DIK419+251)元器件平面布置

3 试验结果与分析

3.1 咽喉区地基表面沉降变化特征

咽喉区(DIK419+002)位于济南西站北京方向的咽喉部位，由于对称性采用半断面观测模式，并选取西侧半幅作为试验断面。咽喉区的半幅宽58.8 m，设置5排35 m PHC桩和33排25 m CFG桩。咽喉区沉降板的位置见图3。

从图5和表1中可以看出，其中对离基坑降水中心最近的35 m管桩影响最大，原本沉降趋于稳定的路基降水后108 d与降水前的沉降差BS1和BS2的沉降差分别为13.25 mm和13.30 mm;其次为BS3，其沉降差为12.69 mm;对处于路基边缘的BS4影响最小，沉降差为6.66 mm。分析主要原因为，随着与降水位置距离的增加，路基表面沉降所受影响减小，其中BS1距离降水位置最近，故表面沉降量最大。

图5 咽喉区(DK419+002)沉降板变化趋势

表1 咽喉区降水阶段沉降板的沉降量 mm

3.2 站场地基表面沉降变化特征

站场北侧(DIK419+251)位于济南西站站房北侧，由于对称性断面采用半断面观测模式，选取西侧半幅作为试验断面。站场北侧半幅宽100 m，设置5排35 m PHC桩和55排不同桩长的CFG桩，其中筏板外1～5排25 m CFG桩，再往外6～10排20 m CFG桩，其余均为15 m CFG桩。图4可知站场北侧沉降板的位置。

由图6和表2可以看出，基坑降水对路基沉降有较大影响。其中对15 m CFG桩影响最大，CS10处在基坑降水阶段沉降量占预压土加载阶段沉降量的91.88%，主要因为预压土对竖向投影范围内的复合地基的影响大于对45°扩散角范围的复合地基的影响，所以基坑降水成为该处沉降的主要影响因素;20 m CFG桩影响次之，CS6处基坑降水阶段沉降量占预压土加载阶段沉降量的86.12%;25 m CFG桩影响再次之，CS5处基坑降水阶段沉降量占预压土加载阶段沉降量的71.49%;对35 m PHC桩影响最小，CS1处基坑降水阶段沉降量占预压土加载阶段沉降量的65.66%。分析其主要原因为，填筑预压土是在基坑降水之前进行的，且预压土对竖向投影范围内的复合地基的影响大于对45°扩散角范围的复合地基的影响，所以35 m PHC桩在基坑降水前在预压土的直接影响下，已经产生了很大固结。

但是值得注意的是CS2、CS4处受基坑降水的影响也比较大。分析其主要原因CS2处为桩间土处，由于桩的上刺入效应CS1处的沉降量小于CS2，故产生了较大沉降;CS4处沉降板下部处于35 m管桩和25 mCFG桩变桩长区域，也产生了较大影响。