邻高铁及站房富水砂层基坑变形控制对策研究

2022-09-30于廷新

铁道建筑技术 2022年8期

于廷新

(中铁第四勘察设计院集团有限公司湖北武汉 430063)

1 概述

随着城市地下空间开发和高铁建设的迅速发展，高铁及站房周边地下空间开发日益增多。由于站前广场等配套工程具有滞后性，故常在高铁及站房建设完成后施工[1]。而已建好的高铁及站房对位移和沉降要求极为严格，尤其在富水砂层地区，周边配套工程基坑围护资金投入少、设计薄弱，对高铁及站房重视程度不够、保护经验不足[2－3]，基坑开挖及降水极易产生地下水渗流破坏、涌水涌砂等问题，造成高铁及站房位移和沉降超标，损失巨大，影响高铁安全运营[4－5]，故急需针对富水砂层地区配套工程基坑对高铁、站房的影响及变形控制对策进行高精度研究。

诸多研究人员对基坑开挖及降水对周边环境的影响进行了研究:娄平等[6]采用理论分析、数值模拟等方法对砂卵地层基坑降水控制技术进行研究，得到降水稳定时间及沉降值；邱明明等[7]通过数值模拟和现场实测研究了降水渗流作用下富水砂层地下连续墙深基坑施工变形性状及影响因素；胡冰冰等[8]通过理论分析、现场实测、数值模拟，分析并优化了基坑下卧弱隔水层注浆加固方案；胡瑞清等[9]采用有限元法分析研究基坑卸载期间支护结构、基坑侧方地铁交叉隧道及车站的变形及受力特性；冯春蕾等[10]研究了考虑空间效应的砂卵石地区地铁车站基坑整体变形规律和模式，制定了以内支撑施加预应力为主的地铁车站基坑动态变形控制流程。

研究人员就基坑开挖和降水对建筑物的影响做了较多研究，但针对紧邻高铁及站房的后施工周边配套工程大型深基坑的影响分析及方案动态调整研究较少。本文依托某紧邻高铁及站房的站前广场粉细砂层基坑案例，案例中双排桩围护结构受力复杂，专家学者对双排桩受力有不同见解[11]。在高铁及站房的严格变形要求下，采用PLAXIS小应变土体硬化模型进行三维数值分析、围护方案动态调整、降水影响分析并进行现场监测，研究得出了基坑对土体、站房桩基和高铁路基的影响规律。并提出减小高铁及站房变形的控制对策。本基坑经验可为富水砂层地区紧邻高铁及站房的基坑施工提供借鉴。

2 工程概况

本站前广场项目基坑形状不规则，东西长约280 m，南北长约200 m，基坑面积50 500 m2。邻高铁及站房处基坑深度为11.6 m，属于深大基坑，基坑安全等级为一级，基坑使用年限一年。

基坑北侧距郑徐高铁路基60 m。郑徐高铁设计速度350 km/h，为无砟轨道，变形要求极为严格，影响高铁路基长度250 m。北侧距站房20 m，站房基础形式为钻孔桩基，桩长39 m。北侧7～13 m范围为高铁站地埋地热泵站。基坑其他三侧无重要建筑物。郑徐高铁路基采用素混凝土桩加固，素混凝土桩径0.6 m，桩长18 m，桩间距2.5 m。

3 工程地质与水文地质条件

场地地层属第四纪全新世(Q4)，地质成因以黄河冲积为主，自上而下为:

(1)粉砂:黄褐色，松散～稍密；

(2)粉质黏土:灰褐色，软塑；

(3)粉土:黄褐色，中密；

(4)粉质黏土:黄褐色，软～可塑；

(5)粉土:黄褐色，中密；

(6)粉质黏土:黄褐色，可塑；

(7)细砂:黄褐色，中密～密实；

(8)粉质黏土:黄褐色，硬～可塑；

(9)细砂:黄褐色，密实。

场地地下水主要为第四系潜水，局部为上层滞水，地下水位埋深5.0 m，水位年变幅1.0～3.0 m。

4 基坑围护最初方案

最初整个基坑围护费用投入少，北侧紧邻高铁及站房处基坑开挖深度11.6 m。原设计单位最初采用悬臂双排围护桩支护，前排桩及后排桩均采用ϕ600@1 200 mm的钻孔桩，排距2.4 m，嵌固深度均为18 m，两排桩桩顶设连梁及冠梁。基坑支护平面见图1，基坑支护剖面见图2。

图1 基坑支护平面

图2 邻站房及高铁侧基坑支护剖面(单位:m)

东侧、西侧、南侧基坑开挖深度为9.0～11.6 m，采用两级放坡开挖，坡率1∶1.5～1∶1.75，坡面挂网喷混。

地下水处理初步方案:站房及高铁侧基坑采用ϕ500@300 mm的单轴搅拌桩进行止水，桩长14 m。其他三侧未设止水帷幕。

基坑内采用管井降水，管井深度22 m。共布置管井196口，间距15 m，成孔直径600 mm，内径300 mm，井管外滤料采用2～4 mm级配均匀石英砂。施工期间连续降水至基坑底以下0.5 m。坑顶、平台、坑底设置排水沟和集水井。

5 三维数值分析及方案调整

5.1 模型及参数

鉴于本站前广场粉细砂层深大基坑紧邻既有站房及高铁，故进行三维数值分析，且本构模型采用专家学者推荐的用于基坑对敏感建筑物影响研究的小应变土体硬化本构模型[12]。根据原位钻孔剪切试验、自钻式旁压试验等原位测试及室内试验，确定主要土层的小应变土体硬化模型参数如表1所示。

表1 主要土层小应变土体硬化模型参数

运用PLAXIS软件建立三维有限元模型，针对基坑开挖对站房和高铁的影响进行有限元分析。高铁路基素混凝土桩基础、站房桩基础均采用embed桩模拟，支护桩采用板单元模拟，冠腰梁、内支撑按梁单元模拟。三维有限元模型如图3所示。

图3 三维有限元模型

本项目基坑施工分为三个工况:

初始工况:初始地基模型，激活所在位置原始土层信息、高铁路基及素混凝土桩、站房桩基等。

工况一:放坡开挖上部土体，模拟施作双排支护桩、止水帷幕、冠梁。

工况二:模拟开挖至基坑底。

5.2 数值分析及方案调整

通过对原基坑围护方案的三维数值分析，得出基坑开挖到底后土体、围护桩、站房桩基、高铁路基的位移云图。结果显示，基坑围护桩最大水平位移达115 mm，站房桩基最大水平位移为17.4 mm。而基坑水平位移和沉降控制值为40 mm，站房桩基水平位移控制值为10 mm，故基坑及站房地表水平位移和沉降、站房桩基水平位移均超过变形控制要求。同时，在基坑试验段局部施工过程中，通过现场监测发现北侧站房处基坑变形较大，产生较多裂缝，印证了数值分析结果，故急需对原基坑围护设计方案进行调整。

根据数值分析，最大变形在双排桩顶，原因为悬臂过高，需增设支撑，控制双排桩位移，进而控制站房及高铁位移。提取无支撑时、设支撑时围护桩水平位移数据，并与现场监测对比，绘制对比曲线，如图4所示。

图4 设支撑前后围护桩水平位移对比曲线

由图4可知，增设支撑后，双排桩最大水平位移由115 mm骤减为36 mm，现场监测的围护桩水平位移与数值分析基本一致，数值分析结果可靠，现场监测值偏大，是由于局部超挖、坑边超载等施工因素导致。

设置支撑前后站房桩基水平位移对比曲线如图5所示。

图5 设支撑前后站房桩基水平位移对比曲线

由图5可知，增设支撑后，站房桩基最大水平位移由17.4 mm减为8.1 mm。同时，高铁路基桩基最大水平位移由1.6 mm减至1.2 mm。围护设计调整后基坑、站房变形满足控制标准。

6 降水影响分析

由于原基坑设计仅在站房及高铁侧设置单侧止水帷幕，止水帷幕未封闭，无法隔断基坑与外侧的地下水，基坑降水会对站房及高铁造成影响。地下水位埋深为5 m，水位降至坑底下0.5 m，水位降深7.7 m，砂层渗透系数K＝0.5 m/d，基坑内降水井数量多达196口，降水影响分析复杂。

基坑内外任意点水位降幅s:

式中:q为单井涌水量(m3/d)；K为含水层渗透系数(m/d)；M为含水层厚度(m)；n为计算分层数；R为影响半径(m)；ri为任意点距降水井的平面距离(m)。

降水引起地面某点的沉降量按下式计算:

式中:Δsw为水位下降引起的地面沉降量(mm)；σwi为水位下降引起的各计算分层有效应力增量(kPa)；Δhi为受降水影响地层的分层厚度(mm)；Esi为各分层土体的压缩模量(kPa)；Ms为经验系数。

计算得出基坑内外各点水位降幅及沉降，沉降等值线如图6所示。

图6 站房及高铁处沉降等值线

沿1-1剖面作出站房及郑徐高铁水位降幅曲线、沉降曲线，如图7、图8所示。

图7 站房及郑徐高铁水位降幅曲线

图8 站房地表及郑徐高铁沉降曲线

由图7、图8可见，基坑群井降水影响半径达110 m，站房处水位降幅2～7 m，地表沉降为34～103 mm；郑徐高铁路基附近水位降幅为1～2 m，路基处沉降为17～34 mm。可见站房沉降、郑徐高铁沉降均超出铁路要求，故需在基坑四周设置封闭止水帷幕，隔断基坑与站房、高铁的水力联系，减少基坑内降水引起的沉降。

同时，基坑设置降水井数达196口，数量过多，应减少并按需降水；降水井深度过大，达22 m，应减小降水井深度，使其不超过止水帷幕深度、不深入下部细砂层。对现场降水井检查时发现水质混浊，粉土、粉砂颗粒随降水而流失，造成周边沉降，故应严格检查降水井出水含砂量，不得超过1/100 000，并在站房、高铁位置设置回灌井，在地下水位降低时及时进行回灌。

在止水方面，由于站房及高铁侧双排桩采用ϕ600@1 200 mm的钻孔桩，桩间净距较大，达600 mm。原设计单轴搅拌桩止水效果差，产生流土、流砂现象。为保证帷幕止水效果，站房侧应采用双排三轴搅拌桩作为止水帷幕。