基坑开挖对邻近高铁路基的影响分析

张世宁

(安徽铁建工程有限公司,安徽蚌埠 233040)

0 引言

随着我国高铁网络的不断拓展与延伸,出现越来越多的工程建设位于高铁路基或桥墩周边,在邻近运营高铁旁进行基坑开挖的现象屡见不鲜[1-3]。高铁对路基沉降要求极为严格,TB10621-2014《高速铁路设计规范》要求无砟轨道路基工后沉降量应符合扣件调整能力和线路竖曲线圆顺的要求,路基的工后沉降不宜超过15 mm,路基与桥梁、隧道或横向结构物交界处的工后沉降差不应大于5 mm,不均匀沉降造成的折角不应大于1/1000[4]。合理优化基坑设计与施工,降低基坑开挖对邻近高铁路基的影响,确保高铁线路的安全运营,是该类工程建筑中的关键问题[5-6]。

为此,本文基于有限元方法,对邻近高铁路基的某基坑工程进行分析,考察基坑开挖对高铁路基的影响,为确保高铁的安全运营提供技术参考。

1 有限元计算模型

某基坑工程距离高铁路基坡脚仅L=15.0 m,基坑开挖深度h=9.5 m,采用单排钻孔灌注桩与2道横向支撑进行支护。钻孔灌注桩φ1.0 m间距1.2 m,桩长H=19.0 m。第一道混凝土支撑位于-1.5 m处,第二道钢支撑位于-6.5 m处。原高铁路堤施工时对路堤下方土体进行了加固,加固深度7.5 m。计算断面如图1所示。

图1 计算断面示意

采用小应变土体硬化(HS-Small)本构模型对各土层进行模拟,主要计算参数见表1。基坑施工前,拟对高铁路基坡脚处宽度3.0 m范围的土体进行注浆加固。基坑长度超过100.0 m,故数值计算按平面应变问题考虑,抗滑桩等效为板单元,轴向刚度EA=2.367×107kN/m、抗弯刚度EI=1.227×106kN·m2/m。图2给出了有限元计算的网格剖分情况。

表1 土层计算参数

图2 有限元网格剖分

施工顺序为:①初始地应力平衡;②激活高铁路堤土体,原加固区土体参数换为加固后土性参数,施加路基竖向荷载;③新加固区土体参数换为加固后土性参数,位移清零;④激活抗滑桩;⑤开挖至-2.5 m,激活-1.5 m处第一道支撑;⑥开挖至-7.5 m,激活-6.5 m处第二道支撑;⑦开挖至-9.5 m。

2 计算结果分析

基坑开挖至底时,未对高铁路堤坡脚处土体进行加固时的土体位移矢量分布如图3所示。可见,基坑开挖时,由于卸荷效应坑底土体发生了较大的向上隆起,抗滑桩及坑壁土体向临空面发生较大的水平位移。总体上看,高铁路堤范围土体的位移矢量相对较小。

图3 土体位移矢量分布

各施工阶段抗滑桩的水平位移分布如图4所示。计算表明,高铁路堤坡脚处土体加固与否,对抗滑桩的变形影响非常小,可忽略不计。基坑开挖至底时,抗滑桩的水平位移达到最大,水平位移最大值位于桩顶,其数值为45.4 mm。

图4 抗滑桩的水平位移分布

高铁路堤坡脚处土体加固与未加固情况下基坑的水平位移等值线分布如图5所示。2种情况下的水平位移分布基本相同,水平位移最大值发生在抗滑桩顶部附近的土体中。高铁路堤坡脚处土体加固后,加固区的水平位移有所变化,但其它位置的水平位移基本无影响。

图5 土体水平位移等值线分布(单位:mm)

图6给出了高铁路堤坡脚外1.0 m处竖向断面水平位移分布情况。坡脚处土体加固后,该位置处2.0 m深度范围内土体的水平位移大大减小,而2.0 m深度以下土体的水平位移基本无影响。土体未加固时,该竖向断面处土体的水平位移最大值位于地面处,取值为6.53 mm;土体加固后,该竖向断面处土体的水平位移最大值位于坑底-9.5 m处,取值为5.6 mm。从图3与图5所示的变形分布也可以看出,位于抗滑桩顶部附近倒三角形范围内的土体变形较大,而该范围之外的土体变形较小,图6中土体未加固时的水平位移在-2.0 m处发生转折,说明该位置正是这种变形不同区域的分界面。

图6 高铁路堤坡脚外1.0m处竖向断面水平位移分布

图7给出了高铁路堤坡脚处土体加固后不同竖向断面的水平位移分布情况。可见,距离基坑越近,水平位移越大,水平位移最大值位于原地面处。堤坡脚处土体加固后,加固区内土体的水平位移分布较均匀,坡脚处竖向断面的水平位移最大值为5.3 mm,位于-7.5 m深度处。

图7 土体加固后不同竖向断面水平位移分布

图8给出了高铁路堤坡脚处不同深度的横断面竖向沉降分布情况。可见,距离地面越近,其竖向沉降越大;距离地面越远即横断面埋深越大,其竖向沉降越小。-0.5 m深度处横断面的竖向沉降最大值为25.1 mm,-3.5 m深度处横断面的竖向沉降最大值为16.2 mm。竖向沉降最大值基本位于距坑壁3.0 m远的位置处。

图8 土体加固后不同水平横断面竖向沉降分布

表2给出了基坑开挖对高铁路堤底面3个关键特征点的影响(具体位置见图1),基坑开挖诱发高铁路堤发生的水平位移最大值位于基坑一侧的坡脚处,取值为4.4 mm;高铁路堤发生的竖向沉降最大值位于路堤中部,取值为4.1 mm;路堤的最大倾斜为1/4 836。这些数据表明,基坑开挖对既有高铁路堤的影响在规范允许范围内。

表2 基坑开挖对高铁路基的影响

鉴于岩土工程的复杂性与不确定性,基坑施工过程中应加强高铁路堤附近的变形监测,若发现异常应及时处治,确保既有高铁线路的安全运营。

3 结束语

该基坑工程距离高铁路基坡脚15.0 m,基坑开挖由于卸荷效应坑底土体发生了较大的向上隆起,抗滑桩及坑壁土体向临空面发生较大的水平位移,高铁路堤范围土体的位移矢量相对较小。堤坡脚处土体加固后,上部土层的水平位移大大减小,加固区内土体的水平位移分布较均匀。基坑开挖诱发高铁路堤发生的水平位移最大值位于基坑一侧的坡脚处,竖向沉降最大值位于路堤中部。计算表明该基坑开挖对既有高铁路堤的影响在规范允许范围内。工程实施时应加强高铁路基范围内的变形监测,确保既有高铁线路的安全运营。