深基坑微扰动成桩及紧邻高铁站房变形特性研究

2022-09-19刘锦军吴怿华徐俊蒋明杰孙诚涛李平

广西大学学报（自然科学版） 2022年4期

刘锦军, 吴怿华, 徐俊, 蒋明杰, 孙诚涛, 李平

(1.南京上铁地方铁路开发有限公司, 江苏南京 210008；2.广西大学土木建筑工程学院, 广西南宁 530004；3.岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室, 江苏南京 210008)

0 引言

《新时代交通强国铁路先行规划纲要》提出至2035年全面形成全国1～3 h高铁出行圈，因此,既有高铁站房不满足要求时,需要对其进行扩容改造。基坑扩建施工必然引起土体应力释放,紧邻建筑物产生附加变形。Wang等[1]发现上海软黏土地层连续墙的侧向变形为(0.13%～0.43%)H(H为基坑开挖深度)。柏挺[2]发现基坑围护结构的侧向变形及其墙后地表沉降与支撑的竖向间距密切相关。因此,合适的围护结构能有效地控制基坑施工引起土体和构筑物的变形。

为了确保基坑施工时邻近构筑物安全,学者们开展了大量的基坑-构筑物相互作用机理研究[3-6]。基于新加坡、上海软黏土的现场实测数据,地连墙施工产生的土体变形介于(0.025%～0.056%)Hw(Hw为围护墙深度)[3-4]。郑翔等[5]开展了基坑施工全过程对邻近建筑物影响的现场试验研究,发现地下连续墙施工引起的建筑物沉降和倾斜分别占总变形的7.82%、16.47%。赵斌[6]结合成都轨道交通8号线一期工程发现,混合支护型式能有效控制基坑周围建筑物群的整体变形。

开展三维有限元数值分析,宫志群等[7]发现距离基坑围护结构10 m范围内建筑物产生较大沉降。黄钟晖等[8]研究了桩土的相对刚柔性对隧道开挖引起的邻近桩基附加位移和附加内力的影响规律。丁志刚等[9]发现盖挖逆作法施工能明显降低基坑周边的变形。秦会来等[10]研究隧道施工对桩基变形与内力影响规律发现当隧道开挖面距参照面在1.5倍的隧道直径范围内时,隧道开挖对桩基沉降和承载力的影响最为显著。上述数值模拟大都采用理想弹塑性模型模拟土体变形特性。研究发现隧道、深基坑等周围土体剪应变主要介于0.01%～1%,属于小应变范围,且此应变范围的土体刚度随剪切应变增加而快速衰减[11-12]，因此,考虑土体小应变刚度特性对预测土体、隧道、基坑变形至关重要[13-14]。

本文以海安高铁站站房基坑扩建工程为背景,开展现场试验和考虑土体小应变刚度特性的三维数值模拟,研究扩建基坑与紧邻站房的相互作用机理。为了减小基坑围护结构施工对临近站房的影响,采用MJS微扰动的成桩技术,分析围护结构和基坑施工对临近站房的影响。

1 依托项目工程概况

1.1 既有高铁站房基坑工程平面图

图1为海安火车站深基坑平面图,站房综合楼建筑长度为140.2 m,宽度为40.9 m。海安火车站站房综合楼高度为20.8 m,出站厅高度为15.9 m,站房桩基础间距为6～8 m。站房改造工程分为3期,即一期工程与既有地下停车场相连,二期工程为新建地下通道,三期工程为新建的地下出口站。二期、三期基坑的开挖形状为长条形,开挖宽度分别为 7.9、7.0 m,开挖长度分别为30、50 m。一期基坑开挖形状稍复杂,基坑的最大开挖宽度为20.0 m。既有高铁站房紧邻三期基坑,站房墙体与基坑工程桩中心线的距离仅为2.5 m。

图1 高铁站房扩建基坑平面布置图

1.2 既有高铁站房基坑剖面图

图2为高铁站房基坑工程的纵剖面和横剖面图。沿1-1纵剖面,三期基坑开挖深度自东往西逐渐增加,开挖深度为7.0～9.8 m。3期基坑采用3道水平支撑,即第1道混凝土支撑和第2、3道钢支撑。一期基坑的开挖形状较为复杂,且开挖宽度较大,采用2道混凝土支撑。混凝土支撑的尺寸长度×宽度为600 mm×600 mm,钢支撑直径和厚度分别为609、16 mm。冠梁、腰梁均为钢筋混凝土结构,截面尺寸长度×宽度为800 mm×800 mm。

(a)沿1-1方向纵剖面图

为了减小基坑围护结构施工引起的紧邻站房变形,二期和三期基坑的围护结构采用MJS工法成桩,桩径、间距和长度分别为1.8、1.1、24.0 m。MJS桩内部施工钻孔灌注桩,其直径、间距和长度分别为0.8、1.0、21.0 m。一期基坑的围护结构由钻孔灌注桩和双排高压旋喷桩组成。一期基坑的钻孔灌注桩的尺寸与二、三期基坑一致,高压旋喷桩的直径、间距和桩长分别为0.8、0.5、21.0 m。基坑底部以下4 m范围内满堂加固。三期基坑坑底采用MJS桩加固,桩径和间距分别为1.8、1.1 m。一、二期基坑坑底采用高压旋喷桩加固,桩径和间距分别为0.8、0.5 m。

2 基坑围护结构MJS微扰动成桩施工

MJS(metro jet system)工法在原来高压喷射注浆法的基础上,采用独特的多孔管和前端强制吸浆装置,实现了孔内强制排浆和地内压力监测。通过调整排浆量来控制地内压力,使深处排泥和地内压力得到合理控制，降低了施工中出现地表变形的可能性,大幅度减少对环境的影响，地内压力的降低进一步保证了成桩直径。

开展大尺寸的现场试验,研究MJS桩施工对既有站房桩基的影响。现场施工与高铁站房桩基尺寸一致的钻孔灌注桩,顶部施加竖向荷载,模拟海安站房桩基的真实受力状态。距离桩基2.5 m处,利用MJS工法施工围护结构的桩基,测量MJS桩施工引起的既有桩基位移。

图3所示为MJS桩施工引起的钻孔灌注桩位移。水平位移的正值代表既有桩基远离MJS桩,竖向位移正值代表隆起变形。利用MJS工法成桩时,既有桩基远离干扰源,并产生隆起变形。然而,MJS桩施工引起的既有桩基最大水平位移和沉降甚微,均小于0.25 mm，因此,三期基坑的围护结构采用MJS工艺成桩能够明显降低围护结构施工对既有站房的影响,为微扰动成桩施工技术。

图3 桩基荷载-位移曲线

3 围护结构和临近建筑物变形

3.1 三维有限元仿真模拟

① 围护结构的刚度取决于钻孔灌注桩的直径和间距。数值模拟时,将灌注桩等效成刚度一致的连续墙。高铁站房基坑扩建工程采用的钻孔桩桩径D和净间距d分别为0.80、0.2 m。基于公式(1),将单桩等效为长D+d的连续墙。站房基坑围护桩的等效厚度为630 mm。

(1)

② Plaxis 3D软件能模拟基坑施工全过程且内嵌反映土体小应变刚度特性的HSS模型，因此,数值计算采用此软件分析站房扩建基坑卸荷对紧邻建筑物的影响。图4为基坑-高铁站房相互作用的三维数值计算网格。Hsieh等[15]发现基坑施工引起墙后土体沉降的影响范围为4He(He为基坑最终开挖深度)。三维网格的长度和宽度均为250 m,深度为80 m。基坑围护结构到模型边界的距离均大于9He,满足边界条件要求。

(a)整体网格

土层采用10节点的实体单元模拟,围护结构、站房采用板单元模拟,内支撑、冠梁及腰梁采用梁单元模拟。基于网格密度敏感性分析,现有网格密度增加1倍后,站房最大沉降和桩基变形差异不足2%,表明现有网格密度满足要求。模型的单元、节点总数分别为396 072、583 232。地基土四周侧面采用法向位移约束,底部采用三向位移约束,即四周网格只能沿竖直方向运动,而底部网格不允许产生任何位移。

表1 各土层的HSS模型参数

采用线弹性模型模拟围护结构、支撑、冠梁、腰梁。混凝土的弹性模量和泊松比分别为25 GPa和0.2,钢支撑的弹性模量和泊松比分别为210 GPa和0.17。站房楼板为钢筋混凝土,墙体为砖头,均采用线弹性模型模拟。砖的弹性模量和泊松比取3 GPa和0.2。

④ 三维数值模拟的分析步与现场工序一致。模拟步骤为：初始应力场计算；施工既有高铁站房；施工围护结构；施工第1道支撑和冠梁；开挖第1层土；施工第2道支撑和腰梁；开挖第2层土；施工第3道支撑和腰梁；施工混凝土底板。

3.2 围护结构侧向变形云图

图5为基坑开挖至坑底时围护结构的侧向变形。坑内、外的土压力差导致围护结构的水平位移均指向坑内。二期基坑长度远小于三期基坑,因此,二期基坑的水平位移明显小于三期基坑。一期基坑由于南北侧墙高的差异,第1道支撑为斜撑,且开挖宽度明显大于二、三期基坑。因此,一期基坑的水平位移最大,且位移集中较为明显。这主要是因为一期基坑的围护结构高度不一致,相比于水平支撑,斜撑不能够很好的限值围护结构的水平向位移。一期、二期和三期基坑沿南北向的最大水平位移(x方向)分别为11.1、5.4、7.6 mm。

(a)沿南北方向位移Ux

二期、三期基坑沿东西方向的最大水平位移(y方向)小于1 mm,一期基坑沿东西方向的最大水平位移为26 mm。基坑最大开挖深度为9.8 m,最大侧向位移为0.11%He(He为基坑最终开挖深度)。一期、二期和三期基坑顶部和深层位移均满足《建筑基坑工程监测技术规范》[20]中围护结构顶部和深层水平位移为30、50 mm的限值。

3.3 围护结构侧向变形对比

图6为基坑围护结构的侧向变形对比。测点CX1、CX3、CX4和CX5的位置如图1所示。基坑工程桩等效为0.63 m厚的连续墙体,自身抗弯刚度较高。基坑最大开挖深度为9.8 m,布置了2道水平支撑,局部3道支撑，因此,围护结构的变形模式为鼓掌型,明显不同于钢板桩等柔性围护结构的变形模式。

(a)

第1道支撑为混凝土支撑,且围护结构插入砂土层，因此,围护结构顶部和底部的侧向位移接近于0。围护结构的最大侧向位移位于基坑开挖面上部约2～3 m位置处,与文献[1, 4]报告的监测结果一致。CX1、CX3、CX4和CX5测点的实测水平位移与数值计算结果十分接近,表明三维数值计算的模型和模型参数选择均是合理的。

选取了文献[20]报告的数据,分析不同围护结构的侧向变形。图7为不同基坑开挖深度下围护结构的最大侧向位移。新加坡和上海基坑工程的支护方式为厚度0.8 m以上的地连墙,围护结构刚度要高于海安高铁站房基坑工程的钻孔桩，然而,海安高铁站房基坑施工引起的围护结构变形介于(0.045%～0.11%)H,明显小于文献报道的结果。海安站房基坑工程场地主要为粉砂,力学特性明显好于新加坡和上海的软黏土,且围护结构的插入比为1.24。此外,此基坑的开挖宽度介于7.0～20.0 m,基坑三维约束效应明显,限值了围护结构的侧向变形。

图7 不同地层的围护结构侧向变形对比

3.4 紧邻基坑的高铁站房变形

图8(a)为紧邻基坑的高铁站房竖向变形云图。基坑施工到坑底后,紧邻站房产生沉降变形。高铁站房位于三期基坑的中间部位,靠近一期基坑侧的房屋墙体沉降较大。这主要是因为一期基坑施工亦会引起房屋沉降。高铁站房的基础形式为桩基础,桩长和直径分别为20、0.6 m,所有桩基均嵌入到粉砂层中，因此,基坑施工引起的房屋沉降较小,最大值仅为1.1 mm，表明MJS工法桩联合多道支撑的围护体系很好地限制了基坑施工对高铁站房的变形。

(a)房屋沉降云图

为了评估紧邻基坑高铁站房的安全性,对高铁站房的沉降进行了监测。图8(b)为沿3期基坑纵向和横向的房屋沉降。越靠近3期基坑的角点,沿基坑纵向的房屋沉降越小。房屋与基坑的水平距离达到2He(基坑最终开挖深度)时,沿基坑横向的房屋沉降可忽律不计。现场监测数据显示基坑施工引起的高铁站房沉降很小,最大值不超过1.5 mm。房屋沉降的测量值和计算值十分接近,再次验证了三维数值计算的合理性。

由于站房桩基础嵌入到粉砂层中,基坑施工引起的上部建筑物沉降很小。然而,基坑施工到坑底后,围护结构中部产生了较大的水平位移(如图5所示)。因此,深层土体水平位移必然诱发站房桩基变形(如图8所示)。发现：基坑施工导致高铁站房桩基的水平位移指向坑内。基坑开挖至5.25、9.8 m时,最靠近基坑侧的桩基产生了较大的水平位移,分别为1.78、5.73 mm。随着站房桩基远离基坑,桩基的水平位移急剧降低。当站房桩基与基坑围护结构的距离达到1.5He时,桩基水平位移接近于“0”。

4 紧邻高铁站房桩基位移的影响因素研究

开展有限元参数分析,研究基坑-站房净距、围护结构刚度、基坑开挖宽度对站房桩基的影响,为基坑避让距离和围护结构设计提供依据。

4.1 基坑-站房水平净距的影响

图9为不同基坑-站房水平净距下桩基的最大水平位移。随着水平净距的增加,站房桩基的水平位移快速降低。站房-基坑的水平净距从0.25He增加到0.50He后,桩基最大水平位移减小了53.4%。水平净距增至1.5He后,桩基水平位移接近于0,表明基坑施工对高铁站房的影响区域为1.5He。

图9 不同站房-基坑水平净距下桩基最大水平位移

4.2 围护结构刚度的影响

图10为不同围护结构刚度下桩基最大水平位移。地连墙的厚度分别为0.3、0.4、0.62、0.8、1.0 m,对应的围护结构系统刚度分别为17.2、40.9、152.2、326.9和638.6。围护结构的系统刚度增加后,站房桩基的最大水平位移快速降低。当系统刚度从17.2增加到152.2时,即地连墙厚度从0.3 m增至0.63 m,站房桩基的最大水平位移降幅为68.7%。继续增加围护结构的系统刚度后,桩基最大水平位移降幅度不明显。站房扩建基坑围护结构的等效墙体厚度为0.63 m。基于桩基位移随系统刚度的变化曲线,海安高铁站房基坑围护结构的设计是合理的。

图10 不同围护结构刚度下桩基最大水平位移

4.3 基坑开挖宽度的影响

图11为不同基坑开挖宽度的站房桩基最大水平位移。基坑开挖宽度的变化范围是(0.83～3.00)He。开挖宽度增加后,桩基最大水平位移逐渐增加,但增加的速率逐步放缓。基坑开挖宽度从0.83He增至2.0He后,桩基最大水平位移增加了29.7%。基坑三维约束效应随着基坑开挖宽度的增加而逐步减小。因此,桩基水平位移有所增加。继续增加基坑开挖宽度至3.0He后,桩基最大水平位移几乎未有变化,表明基坑开挖宽度为2.0He时站房桩基位移达到极值。总体来说,基坑开挖宽度对既有站房桩基的影响相对较小。