双排桩支护结构在紧邻既有线基坑中的应用

2014-05-07徐耀灯

铁道勘察 2014年2期

徐耀灯

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

紧邻铁路既有线的基坑施工不可避免会对周围环境产生影响，在确保基坑稳定性的基础上，如何方便施工的同时减少基坑位移和变形是必须考虑的重要因素。双排桩支护结构具有便于施工、控制变形能力强、前后排桩布置灵活的特点，已广泛应用于各种形式的基坑。以杭州火车东站新塘路地下通道基坑设计为例，对丁字式布置双排桩的情况分别采用弹性法和有限元法计算，介绍双排桩支护结构在工程中的应用情况。

1 工程实例

新塘路地下通道下穿杭州火车东站东西广场，根据施工进度安排，需要在既有线附近开挖基坑。基坑位于既有场以西，场地整平地面高程7.5 m，站场路基面高程8.1 m，基坑深度11.5 m，宽32.4 m，顺道路方向延伸。场地地貌属钱塘江冲海积平原，表层为人工填土，其下为粉土和粉砂，再下为淤泥质土，底层为细圆砾土，各土层物理力学指标及计算参数取值见表1。

地基上部主要为粉土和粉砂，坑底位于粉砂层，地下水位距地表约0.5 m。地基下部的淤泥质土层厚度较大，工程地质条件较差，给基坑的设计带来很大难度。在基坑开挖之前采用PHC500型管桩加固处理，桩位纵横间距均为1.6 m，桩长以进入穿越淤泥质土层进入其下持力层深度0.5 m控制。管桩地基处理一方面提高了地基土承载力，也使得主体结构的工后沉降得以控制，保证了地下通道上方杭州火车东站站场范围路基的稳定。

表1 土层物理参数

2 基坑支护方案

新塘路地下通道基坑工程临近既有营运铁路线，且基坑深度较大，保证铁路线路的安全，控制线路路基的位移是基坑设计的重点。基坑呈长条形，两侧采用钻孔咬合桩加设横向对撑的围护体系，整体稳定性较强，而基坑端部无法设纵向内撑，且基坑端部距铁路既有线20 m，若设置拉锚对锚杆的长度要求较大，则受制于铁路路基与基坑的距离，故考虑其他悬臂支护方案。目前单排桩的计算目前已较为成熟，但其围护属于悬臂式结构，结构刚度较小，计算显示桩顶位移较大，对于基坑深度在10 m以上，其位移控制很难达到铁路线路要求。双排桩的前后排桩同时受力，且前后排桩与刚性冠梁之间形成一个门式刚架结构，整体刚度较大，对位移控制效果明显。针对现场具体情况，本基坑的铁路端围护结构采用丁字式布置双排桩，在控制结构变形的基础上同时实现工程效益的最大化。

围护结构布置情况如下:前后排桩均采用直径1.0 m钻孔灌注桩，前排桩间距为1.2 m，后排桩间距为2.4 m，排距为4.0 m，两排桩间设双排水泥搅拌桩止水帷幕，搅拌桩桩长19 m，进入坑底约7 m，冠梁截面为1.4 m×0.8 m，连梁截面为1.4 m×0.8 m，双排桩冠梁端部与基坑两侧围护桩的冠梁连为整体，见图1、图2。

图1 基坑平面布置(单位:cm)

图2 支护结构剖面(单位:cm)

3 计算与分析

排桩支护结构的研究主要有经典法、弹性法和有限元法，有关双排桩支护结构的受力机理，许多专家学者提出了不同的计算模型，各种模型在实际应用中也各有优缺点。双排桩的前后排桩布置灵活，在《建筑基坑支护规程》(JGJ 120－2012)中给出了矩形布置双排桩的计算方法，其他布置形式并未介绍，在工程应用中需进一步推导。对于丁字式排列双排桩采用体积比例系数法的计算作如下考虑:基坑深H，双排桩排距L，取L0=H tg(45°－φ/2)，前后排桩均有主动土压力σa，按滑动体重量比例关系来确定桩间土在前后排桩的分担系数α，桩间土对前后排桩产生土压力α·σa，根据力的平衡，主动土压力计算公式为

后排桩Pab=(1－α)σa;前排桩 Paf=(1+α)σa;

对被动土压力同样有:

后排桩 Pab=(1－α)σp;前排桩 Paf=(1+α)σp。

其中分担系数α:

当L/L0≤1时，α=2L/L0－(L/L0)^2;当 L/L0＞1时，α =1。

实际基坑支护为三维结构，在平面计算软件中对冠梁侧向刚度K作如下考虑:

式中L为冠梁长度，a为计算点至梁端的距离，EI为冠梁横截面刚度。

由于前后排桩顶冠梁间的连梁刚度较大，可视为刚接，有关桩的内力与变形可按结构力学的计算方法，在结构所受的土压力确定之后计算得出。

根据以上计算原则，利用理正深基坑软件计算。由于地下水对基坑的影响很大，在计算过程中模拟工程现场实际情况，考虑基坑外侧降水在地面下6 m，坑内降水在基坑底下1 m。计算结果如图3所示。在基坑开挖到底的工况中，前排桩变形较大，桩顶水平位移18 mm，最大水平变形在基坑以下7 m位置，约24 mm。根据实测资料，现场沿桩顶冠梁长度方向的1/3位置共布设两个深层土体位移测点，测点位于后排桩之后。基坑开挖到底之后土体的实测位移值如图4所示。结果显示桩顶附近地面下0.5 m的水平位移约25 mm，土体的最大水平位移在地面下5 m左右，约31 mm。根据以上数据对比可知，对于基坑开挖面以上部分，计算的前排桩变形与实测土体水平位移较接近;而在地基的深层土体位移指标上后排桩的变形与实测土体水平位移较接近，计算结果较能反映土体的整体情况。

平面计算软件计算长条形的基坑较为准确，但对一些边界条件较为复杂和特殊的情况，不能做到精确模拟整个体系的变形分布，往往只能通过增加刚度限制条件或设定折减系数对基坑的特定断面进行简化计算。本基坑的边界条件相对复杂，在已有平面模拟计算的基础上，为了进一步复核基坑的变形情况，采用midas/GTS有限元分析软件对双排桩支护结构进行三维模拟。在有限元计算过程中，对土体采用实体建模，屈服准则采用常用的摩尔－库伦本构模型，围护桩采用弹性体本构模型，同时由于地基采用管桩加固，对被动区土体强度提高很大，计算时对相应土层的弹性模量进行了提高。受节点限制，模型的边界条件根据力学规则加以合理简化，对模型底部及外侧设置固定边界模拟无限远，在建模时利用对称性取基坑的半结构进行计算，在对称轴处加上相应的转动约束，施工工况考虑一次开挖到底，其余参数取值同表1，计算模型如图5所示。

图3 理正双排桩计算结果

图4 实测土体水平位移

图5 Midas/GTS计算模型

图6 Midas/GTS水平位移计算结果

软件分析控制主要考虑施工阶段，计算结果见图6。由图6可知，离基坑边越近土体的水平位移越大，较远处水平位移很小。本工程铁路线位远离基坑边约20 m，铁路既有线位置位移约5 mm，满足铁路线路的监测要求。显示桩顶附近土体位移约10 mm，在基坑外后排桩位置底部土体的水平位移最大约30 mm，深层土体位移较大约20 mm。以上结果表明，三维模拟计算的基坑上部数据与实测数据较为符合，能反映围护结构体系的真实情况，基坑下部的土体位移则与实际情况相差较大，主要与第四层淤泥质土的加固改善效果密切相关。整体来说，三维有限元分析对基坑的位移变形与应力应变规律是符合客观实际的。