邻近高铁深基坑开挖坑外变形规律研究

杨义皊

（上海铁大建设工程质量检测有限公司，上海 200333）

1 引言

深基坑开挖过程中必须保证基坑自身变形和控制邻近建（构）筑物变形范围符合标准。基坑开挖后坑内土体卸除改变了坑外土体应力状态，导致坑外土体产生变形，变形超过邻近建（构）筑物变形控制标准势必影响建（构）筑物安全，因此，控制基坑本体变形是减小邻近建（构）筑物变形的关键。当深基坑邻近运营高铁时，由于高铁变形控制标准极其严格，一旦变形超过邻近高铁变形控制标准，势必影响高铁运营安全，因此对深基坑开挖控制变形提出了更为严格的要求。关于基坑开挖引起周边环境变形，国内外众多学者进行了研究，但运营高铁旁近距离深基坑开挖方面的研究甚少，尤其在坑外不同位置土体位移变化规律方面更少。文章依托具体工程实例，采用数值计算和现场监测手段，对深基坑开挖过程中基坑本体和坑外土体及邻近高铁位移进行分析研究，以便得出基坑开挖引起的坑外土体位移变化及传递规律，供以后类似工程参考和借鉴。

2 工程概况

上海市轨道交通机场联络线1号风井基坑工程位于七宝站与华泾站区间，小里程接明挖入地段，大里程接盾构段，基坑为盾构始发井兼中间风井，起讫里程为DK6 + 490.1～DK6 + 646.2，总长为156.1 m。围护结构采用地连墙+内支撑支护型式，除2号～5号基坑靠近西边沪杭铁路侧采用1.5 m厚地连墙外，其余地连墙均厚1.2 m、围护深度40～56 m、开挖深度16.657～25.533 m，支撑方式为钢筋混凝土支撑+钢支撑，并采取5段分坑措施。1号风井基坑工程四周环境复杂，基坑西侧为沪昆高铁，距沪杭高铁下行线路基坡脚最近距离约为10.6 m，为确保高铁行车安全，减少基坑开挖对沪杭高铁影响，邻近沪杭高铁侧距围护结构外侧3 m位置打设1排φ1 m、间距1.2 m的钻孔桩做隔离，桩长与地连墙同长。钻孔桩顶部采用系梁与地连墙的顶冠梁连接，系梁水平间距为6 m。1号风井5 个基坑与沪杭高铁关系示意图如图1所示。

3 数值计算分析

3.1 计算模型

采用有限元计算软件Plaxis 3D对明挖段和 1 号风井基坑开挖及回筑施工过程进行数值模拟，模型中土体采用小应变土体硬化本构模型。既有沪杭高铁路基下桩基采用Embedded桩单元模拟，桩板结构板采用线弹性实体单元进行模拟。基坑围护结构、隔离桩、工程桩等新建桩基采用线弹性实体单元模拟，内支撑、立柱及系梁采用线弹性梁单元模拟。围护结构实体单元厚度按抗弯刚度等效原则确定，并采用等效面荷载的形式模拟泥浆护壁。沿x、y、z3个方向的尺寸分别为 250 m、120 m、80 m，模型如图2所示。

3.2 计算工况

根据工程具体情况，有限元模拟计算共划分 22个计算工况，如表1、图3所示。

表1 计算工况

3.3 计算分析

根据上述施工过程模拟计算，选取沪杭高铁距离机场线路基最近的铁路股道作为分析对象，其股道中心距围护结构外边缘最近为 13.04 m。将不同工况下沪杭高铁股道累计水平位移计算曲线绘制如图4所示，最终，最大水平位移为1.94 mm。其中工况1、工况2分别为整个区域隔离桩和地连墙围护结构施工工况，该阶段引起的高铁最大水平位移为0.44 mm，占比22.68%，即基坑开挖前期影响高铁位移量约占整体位移量的1/5，最大位移位于5号基坑中部位置；工况 3 ～工况9分别为1号风井5号基坑分层开挖及回填阶段，随着基坑开挖深度的增加，高铁位移不断增大，工况9基坑底板、中板、侧墙及顶板并拆除支撑完成后高铁最大水平位移为1.26 mm，位移量占总位移量64.95%，阶段位移量为0.82 mm，占总位移量42.27%，最大位移仍位于5号基坑中部位置；工况10～工况16为一期明挖基坑开挖阶段，工况16一期明挖基坑依次浇筑底板、中板、侧墙及顶板，支撑拆除后，高铁最大水平位移为1.64 mm，位移量占总位移量84.54%，阶段位移量为0.38 mm，占总位移量19.59%，最大位移位置呈现逐渐向明挖段移动趋势；工况17～工况22为二期明挖基坑开挖阶段，工况22二期明挖基坑依次浇筑底板、中板、侧墙及顶板，支撑拆除后，高铁最大水平位移为1.94 mm，位于4号基坑位置，其中5号基坑位置高铁最大位移为1.88 mm。

4 监测分析

4.1 监测点布置

为保证基坑自身变形及邻近沪杭高铁变形在安全控制范围内，对基坑本体和坑外沪杭高铁布置了一系列监测点，以研究基坑及坑外环境变形。为此，布置了基坑围护结构、隔离桩、沪杭高铁路基、沪杭高铁支承层的位移监测点以及围护结构测斜和土体测斜监测点如图5所示。

4.2 监测数据分析

4.2.1 测斜监测分析

5号基坑开挖深度最深，基坑围护结构边缘距离沪杭高铁距离最近，选取5号基坑施工过程中，围护结构测斜、围护结构和隔离桩间土体测斜以及隔离桩外土体测斜绘制曲线如图6所示，以下结合施工工况对监测数据进行分析。

（1）结合施工工况，基坑第1层土方开挖，围护体变形稳定，未出现较大变形，2021年3月10日之后，由于基坑暴露时间较长，围护体变形速率明显加快，至3月15日第2道混凝土支撑浇筑完成，围护结构最大位移接近7 mm，变形速率达到1 mm/天，在此期间坑外土体侧向位移也表现为迅速增大；3月15日—3月25日，基坑第2层土方施工期间，由于开挖深度较浅，第2道混凝土支撑逐渐产生强度，对基坑变形控制作用较明显，因此，本层土方施工期间围护体变形基本稳定，仅有轻微变形趋势。

（2）3月25日— 3月31日，基坑第3层土方施工期间，随着开挖深度增加，暴露时间增加，基坑再次出现加速变形状态，至3月31日第4道混凝土支撑施工完成，铁路侧围护体测斜位移累计最大值13.87 mm； 3月31日— 4月11日，基坑第4层土方施工期间，受第4层混凝土支撑的控制作用，本层围护体变形速率再次减缓，但由于本层施工时间较长，基坑暴露时间较久，至第5道钢支撑施工完成时，铁路侧围护体测斜位移累计最大值16.61 mm，坑外土体深层位移达到17.16 mm，隔离桩外土体深层位移达到12.34 mm。

（3）4月11日— 4月17日，基坑第5层土方施工期间，因开挖深度较深，围护体变形速率始终较快，至第6道混凝土支撑施工完成，铁路侧围护体测斜位移累计最大值18.03 mm， 4月17日至结构施工完成，第6层土方开挖及第7道钢支撑施工，围护体变形速率基本一致，累计变形继续增加，至铁路侧围护体测斜位移累计最大值21.93 mm，围护结构和隔离桩间土体测斜位移最大20.65 mm，隔离桩外土体测斜孔CX5-3位移最大值14.44 mm。

（4）整体分析，随着基坑开挖深度不断增加，围护结构测斜、围护结构和隔离桩间土体测斜位移以及隔离桩外土体测斜位移均不断迅速增大。各位移最终变化值为：围护结构CX112测斜孔最大位移20.99 mm，位于深度19 m处；围护结构和隔离桩间土体测斜孔TX43最大位移20.65 mm，位于土体深度19 m处；CX5-2测斜孔最大位移21.93 mm，位于土体深度22 m处；隔离桩外土体测斜孔CX5-3最大位移14.44 mm，位于土体深度22.5 m处。从各监测点变化值分析，围护结构、围护结构和隔离桩间土体测斜位移累计值较接近，且产生最大位移的深度基本处于同一位置，说明围护结构和围护结构外一定范围内的土体基本呈整体朝向基坑侧变形，但隔离桩外侧土体测斜位移明显减小，说明隔离桩对于隔断坑外土体位移起到显著控制作用，从而对减小隔离桩外沪杭高铁变形起到重要作用。

（5）基坑开挖期间，各围护体测斜变形趋势一致，变形曲线及变形速率基本一致，符合变形规律。5号基坑开挖期间，随着开挖深度加深，围护结构测斜累计最大位移逐渐增大，最大位移位置逐渐下移，符合变形规律；5号坑基坑开挖期间，基坑前期变形速率较小，随基坑暴露时间增加，变形速率逐渐增大，符合变形规律；5号坑基坑开挖期间，随着开挖进度的加快，时空效应的变形响应时间逐渐缩短，后续逐渐出现开挖后，立刻出现变形增大现象，符合变形规律。

4.2.2 位移监测分析

整个基坑开挖及结构浇筑施工期间，围护结构顶部、隔离桩顶部、高铁路基、高铁支承层水平位移曲线图如图7所示，下面将结合施工工况对监测数据进行分析。

（1）围护结构顶部水平位移相对围护结构深层位移变化量较小，顶部位移最大值为-7.3 mm，且呈现朝向基坑外位移，围护结构顶部位移之所以呈现朝向基坑外位移与围护结构深层位移呈现较大的基坑内变形而导致顶部为反弯点有关。

（2）隔离桩顶部位移监测点在前期基坑期间相对变化较小，在3月31日基坑第3层土体开挖完成后，虽然围护结构和坑外土体位移较大，但隔离桩顶部水平位移仅为2 mm左右，说明基坑开挖较浅时，隔离桩抵抗变形的能力非常显著，后续随着基坑开挖深度加大，坑外深层土体位移加剧，在坑外土体整体发生较大位移后，隔离桩顶部位移增速明显，最终水平位移为11.8 mm。

（3）沪杭高铁路基监测点和支承层位移监测点在4月22日之前变化较稳定，累计变化值均较小，在4月22日路基监测点水平位移达到2.7 mm，支承层监测点水平位移达到1.9 mm，达到了预警值控制标准；前期铁路变形值之所以较小，与土体变形增加较缓，变形时间延迟有关；后续底板浇筑之前，高铁监测点变形继续增大，底板浇筑完成，基坑自身变形较稳定后，铁路路基及支承层监测点位移也逐渐趋于稳定。

5 数值及监测对比分析

前文分别对数值计算结果和监测数据实际值结合施工工况进行了分析，数值计算结果表明基坑开挖引起的5号基坑对应沪杭高铁水平位移变化量为1.88 mm，沪杭高铁监测实测值为2.7 mm，从变化绝对值上看，实测结果相较数值模拟计算结果偏大，结合现场施工实际情况分析，实测值偏大的原因与基坑开挖期间基坑暴露时间较长，且与坑外受施工机械等重型荷载和动荷载影响有关。

6 结论

文章采用数值计算和现场监测，对上海市轨道交通机场联络线1号风井施工期基坑本体和邻近沪杭高铁变形趋势进行了研究分析，结论如下。

（1）各围护结构测斜变形趋势一致，变形曲线及变形速率基本一致，随着开挖深度的加深，围护结构测斜累计最大位移逐渐增大，最大变形位置逐渐下移，符合变形规律。

（2）整个施工过程中，围护结构、围护结构和隔离桩间土体深层位移累计值较接近，且产生最大位移的深度基本处于同一位置，说明围护结构和围护结构外一定范围内的土体基本呈整体朝向基坑侧变形，但隔离桩外侧土体深层位移明显减小，说明隔离桩对于隔断坑外土体位移起到了显著控制作用，从而对减小隔离桩外沪杭高铁变形起到重要作用。

（3）基坑开挖前期高铁路基变形之所以较小，与土体变形增加较缓，变形时间延迟有关。临近底板浇筑之前，高铁监测点变形继续增大，底板浇筑完成、基坑自身变形较稳定后，高铁路基及支承层监测点位移也逐渐趋于稳定。