紧邻铁路深厚淤泥层基坑支护对策及影响研究

2021-04-23于廷新

铁道标准设计 2021年4期

于廷新

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

沿海地区淤泥层深厚，具有高压缩性、高含水量、低承载力、流塑的显著特点。此类地层中基坑开挖变形大，难控制。紧邻既有铁路的此类基坑开挖日益增多，造成既有铁路位移和沉降超标，严重影响安全运营[1-2]。目前沿海地区铁路旁深厚淤泥层基坑支护设计对策、变形规律影响研究尚不成熟[3-5]。

一些学者针对基坑影响开展了相关研究。王菲、马宁[6-7]分别采用ABAQUS软件中Drucker-Prager模型、莫尔库伦模型分析基坑开挖对既有铁路桥基础、路基变位的影响。闫周福、刘少炜[8-9]采用FLAC软件中的莫尔库伦模型分析了基坑加固体、地连墙、支撑刚度对周边环境的影响。周衡[10]对某铁路沿线某小基坑开挖监测结果进行了简单分析，来验证支护设计。廖俊展[11]对软土应力各向异性对基坑开挖后土体变形进行了研究。付小雁[12]采用二维简单平面模型分析基坑开挖影响既有铁路轨道不平顺的因素。刘玉恒[13]采用简单模型研究了基坑设置内支撑前后土体的变形，对理论计算与数值分析进行对比。石钰锋[14]采用FLAC的莫尔库伦模型研究了偏压基坑的围护内力、周边位移，分析了列车动载的影响。鲁四平[15]采用ANSYS有限元模型研究了基坑开挖时恒载、温度对力学性能影响。上述学者虽然就基坑开挖对周边土体变形的影响进行了一定的研究，但一般采用简单的莫尔库伦等模型，与实际相差较大。根据徐中华、王卫东等对基坑数值分析中土体本构模型的研究，建议敏感环境下选择小应变土体硬化模型(HSS)[16]，紧邻铁路的深厚淤泥层基坑环境要求非常苛刻、敏感、精确，故应选择此模型。目前与铁路相关基坑项目用实测结果来验证理论计算及数值分析结果合理性的成果较少[17-18]。本文依托紧邻铁路的沿海深厚淤泥层基坑实例，采用小应变土体硬化模型(HSS)进行三维数值分析，并对各施工阶段进行现场监测，对被动区加固等支护对策、土体及铁路变形规律进行研究。

2 工程概况

温州市域铁路运营控制中心工程，为温州市域铁路S1～S4线4条线路运营指挥及管理中心，地上22层，建筑总高度96.0 m，地下2层。基坑面积约10 000 m2，基坑开挖深度12～17 m。由于需要与温州市域铁路S1线同时投入运营，故工期十分紧张。基坑工程是整个控制中心工程的重中之重。基坑北侧距温州大道仅10 m；南侧距既有金温铁路仅15 m，既有金温铁路为路基，运营车次多，线路繁忙，沉降、变形要求极为严格；周边存在较多砖混结构民房；东侧为含一层地下室的民政大厦。根据JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》，本基坑安全等级为一级。

3 工程地质与水文地质条件

3.1 工程地质条件

拟建场地属浙东南沿海淤积平原地貌，2-1层及2-2层淤泥厚度大，达25 m，自上而下各土层物理力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数表

3.2 水文地质条件

基坑影响范围内地下水为孔隙潜水，地下水位埋深为0.5～0.7 m。

4 基坑围护设计对策

由于铁路位移和沉降要求严格，而深厚淤泥基坑开挖变形大，通过多种方案比选，应选择桩(墙)撑支护体系。可供选择的支护桩(墙)有地下连续墙、钻孔桩、SMW工法桩，地下连续墙造价高，SMW工法桩刚度小，故采用钻孔桩；可供选择的内支撑有混凝土支撑和钢支撑，钢支撑刚度小，故采用混凝土支撑；对于内支撑道数的选择，为减小铁路变形，应选择2道以上支撑；由于淤泥深厚，应设置帷幕止水止住淤泥，效果最好的为三轴搅拌桩。故对紧邻铁路的深厚淤泥层基坑最终采用钻孔桩结合三轴搅拌桩止水帷幕+2道混凝土内支撑支护方案。

经过弹性地基梁法计算、比选设计，钻孔桩设计为φ1 m@1.2 m，桩顶设置冠梁及第一道混凝土内支撑，支护桩中部设置腰梁及第二道混凝土内支撑。止水帷幕采用φ0.65 m@0.45 m的三轴搅拌桩，本工程立柱桩大部分利用工程桩，其他采用φ0.8 m钻孔桩，格构柱插入立柱桩顶以下3 m。为减小铁路位移，需对基坑内土体采用三轴搅拌桩进行被动区加固，被动区加固形式通过后面数值分析及造价比选确定。基坑支护平面、剖面分别见图1、图2。

图1 基坑支护平面(单位：m)

图2 基坑支护剖面(单位：m)

5 数值分析

5.1 本构模型

在敏感环境基坑中，土体剪应变一般需控制在1×10-4～1×10-3之间。土体刚度随应变增加而急剧衰减，在小应变阶段土体的刚度要远大于较大应变阶段的刚度，相比其他本构模型，HSS模型考虑此特性。

HS模型最先由Schanz(1998)在Vermeer(1978)的双硬化模型的基础上提出。该模型在p-q平面内由一个双曲线型的剪切屈服面以及一个椭圆型的盖帽屈服面组成。Benz(2007)将小应变范围内土体剪切刚度与应变的非线关系考虑进HS模型，提出了HSS模型，它在描述土体剪切硬化、压缩硬化、加卸载、小应变等方面有明显优势，较常用本构模型而言更适合于模拟基坑开挖问题[19-20]，故本基坑模型采用HSS模型。

5.2 计算参数

HSS模型的计算参数包括压缩模量Es、割线模量E50、回弹模量Eur、初始剪切模量G0等，通过勘察报告及经验公式确定，计算参数如表2所示。

表2 HSS模型计算参数 kPa

5.3 模型建立及工况

采用PLAXIS 3D岩土专用有限元分析软件，按基坑与金温铁路的相对关系，建立三维有限元模型，对基坑开挖对金温铁路的影响进行有限元分析。

支护桩采用板单元模拟，冠腰梁、内支撑按梁单元进行模拟。模型边界条件为边界左右侧设置X向位移约束，前后面设置Y方向约束，模型底边设置X、Y、Z三向约束。

有限元模型长度为263 m，宽度为172 m，深度为38 m，模型边界为基坑外6倍基坑深度。有限元网格剖分如图3所示。

图3 有限元网格剖分

该模型按照施工先后顺序，即分为如下6种工况。

初始工况：初始地基模型，激活所在位置原始土层信息、金温铁路。

工况1：模拟施做支护桩、止水帷幕、放坡开挖第一道支撑以上土体。

工况2：模拟施作冠梁、第一道支撑，开挖至第二道支撑底。

工况3：模拟施作第二道支撑、腰梁，开挖至基坑底。

工况4：模拟施作底板换撑，拆除第二道支撑。

工况5：模拟施作地下室楼板换撑，拆除第一道支撑。

对逆工况的工况4、工况5进行计算，发现土体及金温铁路位移变化很小，故工况1、工况2、工况3为重点工况，进行详细分析。

5.4 土体及铁路变形分析

通过数值分析得到各工况周边水平位移云图、沉降云图。基坑开挖到底后周边沉降云图，如图4所示。

图4 基坑开挖到底后周边沉降云图

提取金温铁路股道的位移数据，对其工况1、工况2、工况3下位移进行分析。3种工况下铁路股道垂直铁路方向位移曲线如图5所示(向坑内位移)。

图5 3种工况下铁路股道垂直铁路方向位移曲线

3种工况下铁路股道沉降曲线如图6所示。

图6 3种工况下铁路股道沉降曲线

3种工况下铁路股道沿铁路方向位移曲线如图7所示(向右位移为正)。

图7 3种工况下铁路股道沿铁路方向位移曲线

从图5～图7可以看出：

(1)铁路股道主要位移产生在工况2、工况3；

(2)铁路股道沉降及垂直铁路方向位移较大，两者数值基本相等，由基坑中部向基坑两侧逐渐减小；铁路股道沿铁路方向位移较小，故铁路股道沉降、垂直铁路方向位移为研究重点；

(3)基坑中部一半区域的铁路股道沉降及垂直铁路方向位移基本相等；

(4)铁路股道各工况最大位移及沉降如表3所示。

表3 3种工况下铁路股道最大位移 mm

5.5 被动区加固形式比选

为减小铁路位移，需对基坑内土体采用三轴搅拌桩进行被动区加固，被动区加固形式有基坑内满堂加固、铁路侧裙边加固+其他侧墩式加固、全部墩式加固，通过数值模拟对各类被动区加固进行分析，得到其对应的铁路最大垂直位移，同时对各类被动区加固造价进行测算对比，如表4所示。

表4 各类被动区加固对比

由表4可见，裙边+墩式加固经济合理性最佳，比满堂加固降低造价86.9%，相比墩式加固，减小铁路位移10.6 mm，故确定对铁路侧被动区采用三轴搅拌桩裙边加固，加固宽度5 m，加固深度4 m，非铁路侧被动区采用三轴搅拌桩墩式加固，同时坑中坑周边应采用三轴搅拌桩加固。如图8所示。

图8 裙边+墩式被动区加固示意(单位：m)

6 弹性地基梁法、数值分析与实际监测对比分析

将弹性地基梁法计算、数值计算结果与实际监测[20]所得的桩最大深层水平位移、地表最大沉降、铁路路基最大沉降进行对比分析，见表5。

表5 弹性地基梁法、数值计算结果与实际监测对比 mm

3种方法所得桩深层水平位移对比曲线、坑外地表沉降对比曲线如图9、图10所示。

图9 3种方法所得桩深层水平位移对比曲线

图10 3种方法所得坑外地表沉降对比曲线

由图9、图10可见，三者曲线形状基本一致，与实际监测结果相比，弹性地基梁法计算结果偏小，有限元计算结果与实际监测基本吻合，由此可见，采用小应变土体硬化模型的数值分析结果是可靠的，可用其预测基坑及铁路变形。由图9可见，桩深层水平位移最大值位于基坑底附近。由图10可见，坑外地表沉降最大值位于距坑边1.5倍基坑深度附近。深厚淤泥层基坑影响范围很大，达5倍基坑深度。