深基坑施工对邻近高铁桥梁影响研究

2014-11-27王升

铁道建筑 2014年9期

王升

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处，天津 300142)

随着地方经济发展和基础设施建设的加快，邻近铁路工程深基坑与日俱增。然而，深基坑施工对周边土体影响可能会对邻近铁路的运营带来安全隐患，特别是高速铁路。临近铁路线路的深基坑在施工过程中会面临各种风险，各种因素关联作用可能会危害到铁路线路的安全。本项目以北京市区高铁桥梁附近的调蓄池基坑施工为研究背景，利用大型通用有限元软件对基坑开挖施工过程进行了数值模拟计算分析和评估，以规避可能的铁路运营风险。分析结果可为基坑施工时对高铁桥梁的实时监控和预警提供充分的理论依据，确保基坑施工时铁路运营的安全。

1 工程概述

本工程位于北京市二环路附近，调蓄池基坑的长×宽×深为44.6 m×28.1 m×15.95 m，位于高铁铁路桥梁的北侧，基坑边缘距既有高铁铁路下行线最近距离33.64 m，与高铁桥梁桥墩基础的最小距离30.46 m，距离高速铁路信号塔基础21.91 m，距离北侧护城河12.18 m。高铁桥梁桥墩基础为桩基，采用12根直径1.50 m钻孔灌注桩，桩长50 m。信号塔基础为明挖基础，钢筋混凝土结构，基础尺寸是7.5 m×7.5 m×0.8 m。

调蓄池基坑开挖深度较深，为了保证基坑自身安全，各项位移指标要满足《建筑基坑支护技术规程》的规定［1］。此基坑靠近铁路一侧采用直径1.25 m的钻孔桩防护，桩间距1.5 m，桩长23.0 m，桩顶设冠梁，冠梁截面尺寸1.45 m×1.0 m。其它三面采用直径0.80 m的钻孔桩防护，桩间距1.2 m，桩长23.0 m，桩顶设冠梁，冠梁截面尺寸1.0 m×1.0 m。每根防护桩上均设4根锚索，锚索设置深度分别为3.0，6.0，9.0，12.0 m。

2 地质和水文条件

根据现场勘探、原位测试与室内土工试验成果的综合分析，在本次岩土工程勘察的勘探深度范围内(最深33.00 m)的地层，按成因年代可划分为人工堆积层和第四纪沉积层二大类，并按岩性及工程特性划分为7个大层及其亚层。

表层为厚度1.60～1.90 m的人工堆积之黏质粉土素填土、粉质黏土素填土①层，碎石素填土①1层。

人工堆积层以下为第四纪沉积的黏质粉土、砂质粉土②层，粉质黏土、黏质粉土②1层及黏土、重粉质黏土②2层;粉砂、细砂③层;黏土、重粉质黏土④层，粉质黏土、黏质粉土④1层及砂质粉土、黏质粉土④2层;细砂、中砂⑤层;卵石⑥层;黏质粉土、粉质黏土⑦层，砂质粉土、黏质粉土⑦1层及细砂⑦2层。

本次岩土工程勘察期间(2012年10月下旬)于钻孔中实测到2层地下水，第1层水位标高为20.57～20.66 m(埋深19.00 m)，地下水类型为层间水;第2层水位标高为 16.56～16.57 m(埋深 23.00～23.10 m)，地下水类型为潜水。

本工程距离护城河较近仅有12.18 m，河底距离地面深度约为6.0 m，调蓄池基坑深度为15.95 m。

在城市中由于深基坑降水，总会引起地面产生一定的沉降，影响邻近建筑物和管线［2-7］。为了防止基坑降水对高铁桥梁造成不利影响，在综合考虑铁路安全与环境保护等各方面因素的前提下，基坑采用高压旋喷止水帷幕对基坑进行防水处理。

3 深基坑开挖施工对邻近高铁桥梁影响的数值模拟

3.1 三维空间有限元模型

为消除计算边界效应的影响，考虑到施工过程中的空间效应，土体计算模型在Y方向上的尺寸为调蓄池基坑、防护桩和铁路桥墩尺寸总和的5倍，在X方向的水平尺寸为调蓄池基坑尺寸的7倍。计算模型沿X轴方向取350 m，Y轴方向取350 m，Z轴方向取为100 m。有限元计算模型如图1所示。

图1 有限元模型

采用ABAQUS建立模型，计算模型中土体、高铁桥梁和基坑防护桩单元均采用三维八节点六面体线性减缩积分单元。高铁和基坑防护桩与土体间采用嵌入的连接方式，土体模型的顶面设为自由边界，底面采用三向约束，其它面均采用法向约束。土体的材料类型选用摩尔库仑模型，高铁和基坑防护桩的材料类型选用弹性模型。

计算中土体计算模型的网格划分与计算结果的收敛性密切相关，因此，在划分土体网格时，对开挖部分和铁路桥梁部分的土体需要加密划分网格，而对于远离工作坑和铁路桥墩的土体区域可粗略划分网格，这样既保证计算收敛性，又可提高计算效率。

3.2 施工步骤

根据工程施工步骤，施工模拟防护桩及冠梁施工和土体开挖。其中，将调蓄池基坑的动态开挖过程按施工组织分为以下6个分析步:开挖步1，土深0～3.50 m;开挖步2，土深3.50～6.50 m;开挖步 3，土深6.50～9.50 m;开挖步4，土深9.50～12.50 m;开挖步5，土深12.50～15.95 m;回填步，采用结构重换算面荷载作用于基坑地面模拟后期调蓄池结构施工。

模型中采用设定生死单元的方法来实现具体的开挖步骤。单元的生死采用有限元软件所提供的修改keywords中的remove和add关键字实现。第5开挖步结束后，调蓄池基坑开挖完毕，将挖掉的土体全部杀死。

在实际工程中，由于天然土层在土体自重和周围建筑荷载作用下，已经固结沉降完毕，在此基础上进行工作坑开挖，需要将已经固结沉降完成的原状土作为后续开挖步的初始状态。因此，在利用有限元模拟工作坑开挖过程中，为了达到天然土层的初始状态，开挖前平衡土体初始地应力，使得在土体模型中只存在初始应力场而不出现初始位移。

3.3 计算结果

经计算分析，当基坑分层开挖施工时，高铁21#桥墩产生的水平和竖向位移见表1和图2。开挖完成后，变形云图见图3。

表1 桥墩位移 mm

图2 桥墩位移

图3 基坑开挖完成后变形云图

4 数值模拟计算结果分析

从计算结果可知，由于开挖基坑卸载了土体，导致坑底的土应力释放，致使基坑底部的土体产生隆起现象，基坑边缘发生沉降现象。由于土体的流动性，高铁桥梁的桥墩跟随桩基发生了轻微的隆起和靠向基坑方向的水平位移。其中桥墩最大的隆起值为0.66 mm，最大的水平位移为0.51 mm。

以《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》(TG/GW115—2012)［8］要求的容许偏差管理值作为控制标准，竖向位移和横向水平位移容许偏差均为2 mm。根据计算结果可知，此基坑施工时对高铁桥墩的位移影响均能满足相关规范要求。

根据结果可知基坑开挖会对高铁桥墩产生一定的影响，施工时必须对高铁桥墩进行实时监控，以保证铁路的运营安全可靠。

5 监测结果及分析

为及时收集、反馈、分析深基坑工程施工对高速铁路的影响，设置了以下监测内容:①高速铁路竖向位移监测;②高速铁路水平位移监测。监测点布置于邻近高铁桥墩，每墩2个水平测点和2个竖向测点。

21#桥墩监测点C21-1竖向变形—时间变化曲线如图4所示，水平变形—时间变化曲线如图5所示。5月15开始基坑开挖，6月12日基坑开挖完成，7月15日调蓄池结构施工完成。

图4 竖向变形曲线(正值表示隆起)

图5 水平变形曲线(正值表示指向基坑方向)

本工程已经安全施工结束，基坑开挖对高速铁路影响基本和模型分析结果一致。前期随基坑开挖深度增加，变形影响逐渐增大，后期随调蓄池结构实施及土体回填，对高铁桥墩的影响有一定反弹。桥墩变形监测的最大隆起值为0.53 mm，靠向基坑方向的最大位移值为0.42 mm。由于多种原因，如现场的地质情况的变化、开挖深度的不一致、测量误差等等，导致计算结果和实测有一定的差异，但是两者的吻合度非常高。