紧邻高铁路基基坑施工环境效应分析

宁 龙，王 虎，徐永福

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2.南京铁路枢纽指挥部，江苏 南京 210045)

城市化进程的加快在推动我国高速铁路飞速发展的同时，不可避免地会出现很多新建铁路线与既有线交叉、并行的情况.铁路建设中桥涵的建造会涉及较深基坑的开挖降水，会对既有路基变形产生重要影响[1-2]，尤其在软土遍布的沿海地区，对基坑开挖降水引起的既有路基变形研究尤为必要.基于实测的众多研究均表明开挖降水引起的土体变形会对基坑周围环境产生不可忽略的影响[3-5].理论研究方面，Mu等[6]通过考虑小应变特性的两阶段分析方法计算了基坑开挖引起的桩筏响应，为预测基坑开挖对临近建筑的潜在危害提供了简化的方法；欧雪峰等[7]以两阶段法为基础，同时考虑降水的影响，探讨了基坑施工对下卧隧道变形的影响.对于较为复杂的工程，目前数值模拟方法的应用更加广泛，Xing等[8]通过理论和有限元模拟分析了复杂地质下上海地铁10号线基坑降水和开挖对既有地铁4号线车站的影响，并提出了地下水控制措施和地铁车站保护措施.在基坑开挖对高铁路基影响性研究方面，王培鑫等[9]基于现场实测数据，分析了紧邻铁路线基坑工程的变形规律以及控制措施；方浩[10]通过有限元分析计算提出了基坑开挖影响下路基变形的预测方法.虽然有更多的学者关注到了基坑开挖对路基的影响，但相比基坑开挖对建筑物、隧道、车站等影响研究还是显得匮乏，故而以紧邻高铁路基和桥涵的基坑工程为例，采用有限元方法分析了基坑开挖降水耦合作用下基坑和路基桥涵的变形特征，以期为实际工程施工提供变形预测和监测指导，同时为今后类似工程设计提供参考.

1 工程简介

1.1 工程概况

本工程为新建铁路江苏南沿江城际铁路常州至太仓段陆窑塘中桥桥涵基坑.本基坑大致呈长方形，长约为63.3 m，宽约为40.3 m，面积约为2 581.1 m2，开挖深度为8 m.基坑周边环境复杂，横跨南北向河流，施工前已进行场地平整和土围堰施工，基坑南侧紧邻既有沪通铁路桥涵，基坑安全等级为一级.基坑总体平面如图1所示.

1.2 工程水文地质

根据太仓站地质勘查说明，场区内地层从上至下依次为：2-1粉质黏土、3-1淤泥质粉质黏土、5-2粉土、5-3粉质黏土、6-1粉质黏土.场区地表水发育，主要为河、塘中水.地下水为孔隙水，较发育，水位埋深0.5～0.8 m，粉土层承压水水头高度按绝对标高1.5 m控制.

1.3 基坑施工方案

根据拟建场地工程地质、开挖深度及周边环境情况，基坑支护设计方案如下：1)AB段采用φ1 000@1 200 mm钻孔灌注桩(桩长24 m)+1道钢筋混凝土支撑进行支护，桩顶设置1 200 mm×800 mm冠梁，冠梁顶设置2 m高挡土墙；2)BC、AD段采用一级放坡+φ1 000@1 200 mm钻孔灌注桩(桩长24 m)+1道钢筋混凝土支撑进行支护，放坡坡高1.5 m，坡比为1∶1，中间留2 m宽平台，桩顶设置1 200 mm×800 mm冠梁；3)CD段采用φ1 000@1 200 mm钻孔灌注桩(桩长24 m)+土围堰支护，桩顶设置1 200 mm×800 mm冠梁，冠梁顶设置2 m高挡土墙；4)采用钢结构立柱+φ1 000立柱桩作为临时立柱支撑，基坑底板为200 mm素混凝土垫层；5)基坑底部采用φ600 PHC管桩(桩长36 m)进行坑底加固，兼做新建铁路路基加固.基坑支护布置及其与邻近高铁路基位置关系见基坑剖面图(图2).

基坑降水方案为坑外截水，坑内降水.基坑顶面、坑底分别设置300 mm×300 mm截水沟，基坑底部每隔30～40 m设集水井.基坑开挖范围内共布置6口真空管井，进行坑内疏干、降水和排水，井深为22 m，滤管长为6 m.

2 三维数值的模拟

2.1 计算模型的建立

考虑到既有路基的存在以及降水的影响，适当增大模型尺寸以减小边界效应的影响，选取的三维模型计算尺寸为170 m×163 m×50 m(图3).模型的力学边界为远离基坑两侧面边界，仅约束其法向位移，底部边界采用固定约束，顶部为自由边界.模型的流体边界为远离基坑两侧面的定水头边界，顶部为自由边界，底部为不透水边界，地下初始水位设为地表以下1.5 m处.

图3 三维计算模型

钻孔灌注桩和旋喷桩止水帷幕按抗弯刚度相等原则等效为围护墙，围护墙与土体间建立界面单元，模拟墙土接触作用以及止水帷幕的止水作用.土体、路基填土和围堰采用实体单元模拟，围护墙、路基桥涵和基坑底板采用板单元模拟，支撑、冠梁和立柱桩采用梁单元模拟.对于路基下部土体的加固以及基坑的加固，许多文献均采用复合地基法等效模拟[11-12]，为了减小计算误差同时兼顾计算的收敛性，采用植入式梁单元，模拟加固区PHC管桩.结构单元计算模型如图4所示.

图4 结构单元计算模型

2.2 计算参数的选取

表1 各土层土体计算参数

支护结构的混凝土强度等级为C30；表观密度γ取25 kN·m-3；泊松比ν取0.2；考虑到混凝土刚度，折减弹性模量E取24 GPa；PHC管桩混凝土强度等级取C80；泊松比取0.167；弹性模量取30 GPa.围护桩与土体的接触参数通过以下公式确定：

Kn=Eoed,i/tv

,

(1)

Kt=Gi/tv

，

(2)

Eoed,i=2Gi(1-νi)/(1-2νi)

，

(3)

Gi=R×Gsoil

，

(4)

Gsoil=E/2(1+νsoil)

.

(5)

式中：Kn和Kt表示接触面单元的切向和法向刚度模量；Eoed,i为界面初始模量；νi为界面泊松比，取0.45；tv为虚拟厚度系数，一般取值范围为0.01～0.1；Gi为剪切模量；Gsoil为相应土层土体的剪切模量；E为相应土层土体的弹性模量；νsoil为对应土层土体的泊松比；R为强度折减系数，取0.7.

2.3 施工工况的模拟

根据具体工程情况，在有限元中模拟基坑实际施工过程的具体步骤如下：

1)初始渗流场和初始应力场的计算.

2)路基下土体PHC管桩的加固，施工铁路路基和铁路桥涵.

3)基坑下土体PHC管桩的加固，基坑放坡开挖至-1.5 m，施工放坡挡墙和围堰.

4)坑内降水至-4 m，施工支撑、立柱桩、围护桩和冠梁，基坑开挖至-3.5 m.

5)坑内降水至-8.5 m，基坑开挖至-8 m，施工基坑底板垫层.

3 基坑变形分析

3.1 围护墙侧向变形

图5(a)为基坑开挖完成后围护墙的侧向变形沿深度方向的变形曲线，其中BC段与AD段由于模型对称性变形基本一致，故仅考虑BC段变形.可以看出，围护墙的变形趋势基本一致，都呈抛物线型，围护墙最大侧移均位于开挖面附近，符合软土地区围护墙变形的一般规律[16].基坑长边方向AB段和短边方向BC段围护墙最大侧移分别为26、18 mm，约为0.33%H、0.23%H(H为基坑开挖深度)，均介于统计实测关系0.1%H～1.0%H之间[17]，与上海地区类似，因此太仓地区基坑围护墙的最大侧移可以使用上海地区已有的经验关系进行预测.

进一步对比3段围护墙变形情况，发现靠近高铁路基侧的CD段围护墙变形较AB段和BC段略有不同，其顶部侧移更大，但最大侧移反而更小.通过对比各段围护墙支护条件发现，CD段围护墙缺少混凝土支撑，但增设了与开挖深度等高的梯形围堰.为进一步探究围堰存在的必要性，计算了不考虑围堰的情况，计算结果如图5(b)所示.对比图5(a)、图5(b)各段围护墙侧移可知，AB段和BC段围护墙侧移基本没有变化，而CD段由于失去了围堰的支护作用，变形呈悬臂状，墙顶最大侧移达85 mm，远远超出了围护墙侧移控制范围.可以发现，围堰使铁路侧无支护围护墙最大侧移减小82%,这是因为具有一定坡度的围堰的存在对外侧围护墙起到了支护作用，限制了围护墙上部侧移的发展，在减小围护墙侧向变形的同时也间接起到了保护邻近既有路基桥涵的效果.

图5 围护墙侧向变形

3.2 坑外地表沉降

图6给出了基坑开挖至坑底后长边侧AB段和短边侧BC段围护墙后坑外地表沉降的发展形态.地表沉降的变形趋势基本一致，均呈凹槽型，最大沉降发生在距离墙边0.5～1.0倍开挖距离处，与已有实测资料统计结果较为接近[18]，与Heish等[19]提出的凹槽型沉降影响区不同的是地表沉降的影响范围要明显超过4倍开挖深度.考虑到场地存在较深厚的淤泥质软土，地下水位较高且存在承压含水层，导致了基坑开挖降水耦合作用下坑外地表沉降更大，并且影响范围更广.AB段和BC段坑外最大地表沉降分别为17.4、11.0 mm，约为围护墙最大侧移的0.67、0.61倍，介于上海地区统计区间的0.4～2.0倍之间.太仓地区基坑开挖引起的地表沉降也可以使用上海地区的经验公式进行预测.

3.3 坑底隆起

图7(a)为基坑开挖完成后有无PHC管桩时坑底隆起的分布云图.可以看出，坑底有无PHC桩加固时最大隆起均出现在远离铁路侧的AB段围护墙中点附近，因为AB段围护墙附近坑底没有PHC管桩加固且在中间一定范围内也没有立柱桩支护，所以坑底隆起较大.在靠近铁路侧CD段，因为围堰的存在，坑底无隆起现象，考虑到坑内降水的作用，出现一定的沉降.当坑底存在PHC桩加固时，基坑中部坑底隆起值明显减小，从未加固的27.6 mm减小到3.6 mm，说明坑底加固对控制坑底隆起变形具有显著作用.从AB段围护墙附近坑底隆起值沿基坑长边方向的变化曲线(图7(b))可知，无加固措施时，越靠近基坑中部隆起值越大.坑底有无PHC桩加固时坑底最大隆起值分别为20.8、31.5 mm，PHC管桩使坑底隆起最大值减少34%,可见受到相邻区域坑底加固影响，未加固区域坑底隆起也会有明显减小.

图7 坑底隆起

4 既有路基桥涵变形分析

4.1 路基沉降

基坑开挖影响下邻近高铁路基沉降分布如图8所示.从图8(a)沉降云图可以看出，有无桥涵时路基两端距离基坑较远处沉降值都很小，随着距离基坑越近沉降值越大.无桥涵时基坑界线范围内路基处于基坑开挖引起的地表“沉降槽”范围内，路基沉降值较大.当存在桥涵结构时，由于桥涵刚度要远大于路基土的刚度，桥涵范围内路基沉降明显减小.根据国家铁路局最新发布的《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》[20]，高速铁路路基竖向位移控制值为5 mm，无桥涵结构时路基最大沉降值为8.45 mm，虽然由于路基下部PHC管桩加固相比基坑施工引起沉降减小很多，但仍超过了沉降控制值.当有桥涵存在时，路基最大沉降值进一步减小为2.19 mm，路基最大沉降减小74%,使路基沉降控制在允许范围内，说明桥涵对路基沉降控制也起到了重要作用.图8(b)为路肩处路基沉降沿纵向分布曲线.无桥涵时路基沉降先从两端向中间缓慢递增，到达基坑界线范围时变形急剧增大，在路基中轴线处达到最大值.纵向最大差异沉降达8 mm，基坑施工影响显著.有桥涵时路基沉降沿纵向变化趋势与无桥涵类似，但沉降值很小，差异沉降为0.7 mm.由于桥涵与路基土的刚度差异，有桥涵时路基最大沉降出现在桥涵与路基过渡段处.路基沉降横向分布如图8(c)所示,无桥涵时路基沉降沿横向先增大后减小，与坑外地表沉降形态一致，最大横向差异沉降约为8 mm.有桥涵时路基沉降沿横向离基坑越远沉降值逐渐减小，差异沉降约为2 mm.由此可见，桥涵结构由于刚度较大，可以起到减小路基差异沉降的作用且对纵向差异沉降控制效果更明显.存在桥涵时，需要注意桥涵与路基过渡段的差异沉降的影响.

图8 既有路基沉降

4.2 路基水平位移

同路基沉降分析一样，考虑了有无桥涵时路基水平位移的分布，如图9所示.从路基水平位移云图(图9(a))可以看出，路基水平位移在有无桥涵存在时变化较大，存在桥涵时最大水平位移为5.47 mm，而无桥涵时最大水平位移达到13.46 mm,最大水平移减小59.4%.与路基沉降不同的是有无桥涵时最大侧移均出现在基坑中轴线处.图9(b)为路基水平位移沿纵向分布曲线，在基坑纵向界线范围内，路基水平位移受围护墙侧移影响较大，两侧离围护墙越远水平位移越小.无桥涵时纵向差异水平位移为12.5 mm，有桥涵时纵向差异水平位移为4.5 mm，桥涵对纵向差异水平位移控制效果较好.图9(c)为路基水平位移横向分布曲线，可以看出，无桥涵时路基水平位移随着离基坑距离越远位移逐渐减小，横向差异水平位移为6.6 mm.当有桥涵存在时，横向差异水平位移减小为0，因此当有桥涵存在时仅需重点监测纵向差异水平位移即可.

图9 路基水平位移

4.3 桥涵沉降

既有桥涵作为排水结构和路基连接结构，也是变形监测的重点.由于桥涵结构刚度较大，基坑施工对其水平变形影响基本可以忽略，仅分析基坑施工对桥涵竖向变形的影响.图10(a)为桥涵沉降云图，由图可知，桥涵沉降在靠近基坑侧沉降较大，最大沉降值为1.17 mm.《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》中规定了铁路桥梁墩台竖向位移控制值为2 mm，以此为标准，桥涵沉降在控制范围内，可以认为基坑施工对邻近桥涵扰动较小.桥涵沉降在纵向(沿EF方向)范围内变化较小，而在横向(沿EH方向)范围内变化较大，桥涵沉降的横向分布曲线如图10(b)所示.可以看出，桥涵沉降在横向范围内呈线性分布，沉降值随距基坑距离的增大而线性减小.桥涵在EH段横向最大沉降为1.15 mm，最小沉降为0.1 mm，差异沉降为1.14 mm，因此需要加强对桥涵横向差异沉降的监测.

图10 桥涵沉降

5 结论

对邻近高铁路基基坑施工工程实例进行的数值模拟中具体分析了基坑施工引起的基坑变形和既有路基桥涵变形特征，得出以下结论：

1)基坑施工引起的围护墙侧向变形和坑外地表沉降变形特征与上海地区实测统计结果接近，因而参考上海地区经验关系对太仓地区基坑变形进行预测是合理的.

2)靠近铁路侧围堰是控制无支护围护墙变形的必要措施，坑底PHC管桩加固对控制坑底隆起变形具有显著效果.

3)既有高铁路基受邻近基坑施工影响显著，有无桥涵结构对路基沉降和水平位移影响较大.桥涵结构对控制路基差异水平位移较差异沉降效果更好.实际施工过程中基坑界线范围内路基以及路基与桥涵过渡段是变形监测重点.

4)基坑施工对既有桥涵结构扰动较小，桥涵沉降沿横向距离呈线性递减分布，施工中应加强桥涵横向差异沉降的监测.