临近既有线门式墩基础施工影响因素的正交分析

2023-11-10李明华冯佳荟韩雯静

中外公路 2023年4期

李明华，冯佳荟，韩雯静

（1.南昌交通学院土木建筑学院，江西南昌 330013；2.福建福铁地方铁路开发有限公司，福建福州 350013；3.华东交通大学土木建筑学院，江西南昌 330013）

0 引言

中国是世界上高速铁路发展最快、规模最大的国家，截至2019 年底，已开通运营的高铁里程达到35 000 km，占世界高铁总里程的2/3 以上［1］。伴随着高速铁路的持续快速发展，出现了越来越多的新建项目临近或交叉既有营业线（既有线）的情形［2-3］。考虑到土地成本和建设指标等因素，高铁修建过程中均频繁采用了“以桥代路”的建设模式，故桥梁基础开挖对既有线的影响成为临近既有线施工中的一个重要研究课题［4］。

截至目前，国内外学者针对临近既有线的桥梁基础施工开展了大量研究。高显平［5］采用数值仿真深入研究了深基坑开挖中各施工步对临近既有高铁路基变形的影响；高立刚等［6］采用FLAC3D软件研究了承台基坑开挖深度对既有线变形的影响；方浩［7］以软土地区某邻近运营高铁路基的基坑工程为例，采用数值仿真研究了降水方案、坑底加固、围护结构插入比以及基坑距路基坡脚距离等因素对高铁路基变形的影响；付长凯［8］采用数值仿真手段分析了岩溶区桥梁桩基施工对邻近既有铁路路基的影响，发现距离大于6～8 m（3～4 倍桩径）时，桩基施工对邻近路基的影响很小；周希［9］研究了隔离桩施工对铁路桥梁桥墩及桩基的位移影响，得到施工间隔越大，对邻近地层的影响越小的结论；谢小山等［10］采用现场监测和数值模拟相结合手段研究了桩基邻近匝道路基边坡施工的影响，得到桩基成孔及灌注两个施工过程影响最大。但已有研究大多侧重于基坑或桩基的单一开挖分析，鲜有对包括桩基施工、基坑开挖和下部结构施工在内的综合性影响因素的分析与研究。

综上，本文将以新建连云港特大桥138 号门式墩基础施工为工程背景，基于正交试验方法，采用数值仿真的手段研究桩基施工、基坑开挖和下部结构施工3 个阶段中，钻孔桩长度、施工顺序、承台基坑开挖深度、钢板桩长度和钢板桩个数5 个因素对既有线影响程度，以期为既有线变形控制方案的制定提供综合参考。

1 工程背景与场地条件

既有陇海铁路为国铁Ⅰ级客货共线铁路，线距5 m，设计速度（改造）140～200 km/h。新建连徐高铁连云港特大桥在K41+247.05 上跨既有陇海铁路，其中，138#墩与既有线最接近，左、右承台基坑平面尺寸分别为7.1 m×9.8 m、7.1 m×8.4 m，距下、上行线中心（最近）距离为6.99 m、6.16 m，承台基础采用“左5+右4”根ϕ1.25 m 钻孔桩，具体平面布置如图1所示。

图1 138#墩基础与陇海铁路平面示意图（单位：m）

根据138#墩钻探揭露，钻孔施工区域内地层从地表向下主要有：素填土、粉质黏土、黏土、全风化片麻岩和强风化片麻岩，图2为138#墩下部地质剖面示意图。

图2 138#墩处地质剖面示意图（单位：m）

2 基础开挖对既有线影响因素的正交分析

2.1 正交试验简介

工程影响因素的评价问题中，考虑2个及以下影响因素对试验结果的显著性分析可选用一元或二元方差分析。对2 个以上的影响因素，正交试验方法是合理且节约的评价方法［11］。正交试验主要包括正交表确定、模型计算分析、极差分析、方差分析4 个方面内容。

极差分析是对正交试验结果进行的分析。设Kij（i，j=1，2，3…）表示对第i个评价指标评价时，j水平所对应的试验数据相加后取平均值；则极差=Kijmax-Kijmin。极差越大，说明该因素影响越大，极差最大的因素是最主要的影响因素，应当在设计中重点考虑。极差较小，说明该因素对指标影响不显著［12］。

鉴于极差分析不能估计试验过程和结果测定中必然存在的误差大小，需进一步采用方差分析方法对试验结果进行分析。方差分析中，显著性水平α一般取0.01、0.05、0.1、0.2，不同的显著水平表示使用相应的临界值表，而临界值表是根据不同自由度和显著性水平的要求制定的［13］。以影响因素A为例，影响因素A的F值为FA，fA和fe分别为影响因素和误差的自由度，通过查F表，得临界值Fα（fA，fe），再比较FA与Fα，从而做出以下显著性判断：若FA>F0.01，说明因素A高度显著，可记为**；若F0.01>FA>F0.05，说明因素A显著，可记为*；若F0.05≥FA>F0.1，说明因素A有影响，可记为⊙；若F0.1≥FA≥F0.2，说明因素A有一定影响，可记为△；若F0.2≥FA，说明因素A无影响。

2.2 影响因素与因素水平确定

在施工平面布置已确定的基础上，结合已有单一桩基或基坑开挖对既有线影响的研究成果［5-10］，知钻孔桩长度（A）、基坑开挖深度（B）、钢板桩长度（C）、钢板桩个数（D）、钻孔桩施工顺序（E）等因素对既有线具有显著影响。考虑影响因素取值合理的情况下，设定试验因素水平取值，如表1 所示。

表1 因素水平表

钻孔桩位置编号如图1 所示，X1表示按“1—4—3—2—5—7—9—6—8”号桩依次施工，X2表示“7—9—6—8—1—4—3—2—5”号桩依次施工，X3表示“2—5—3—1—4—6—8—7—9”号桩依次施工，X4表示“（26）—（58）—（17）—（49）—3”号桩依次施工，X5表示“（17）—（49）—3—（26）—（58）”号桩依次施工；注：（xy）示意为x、y同时施工。

2.3 考核指标的选择

临近既有线的基础施工，会对既有线产生多方面的影响。参照《铁路营业线施工安全管理办法》（TG/CW106—2021）［14］：施工期间必须做好既有线路路基变形观测。文中选择“路肩沉降”作为主要考核指标，且为完整地分析基础开挖全过程的影响，定义：桩基施工完成后的路肩沉降值为沉降1；基坑开挖完成后的路肩沉降值为沉降2；下部结构施工完成后的路肩沉降值为沉降3。

2.4 数值仿真模型

获取各因素对既有线的影响，评价各因素的影响程度，并为设计阶段选择适宜的支护参数提供依据。本文采用Ansys 软件对基础开挖进行模拟，共计分析了25 个计算工况，如表2 所示。考虑边界效应影响［15］，即左右边界与临近钻孔桩中心间的距离不小于3～5 倍桩径，计算模型宽度取40 m，建立的模型如图3 所示。

表2 正交试验方案工况

图3 数值计算模型

数值模拟过程中主要包含桩基施工、钢板桩施工、承台基坑开挖、下部结构施工4 个步骤。模拟中，利用生死单元的激活和杀死模拟从桩基钻孔、承台开挖到墩身浇筑、横梁安装的全部施工过程，每一施工步的具体含义以1 号正交试验为例，见表3。

表3 详细施工模拟步骤

模型计算参数如表4 所示。模型中土体、道砟、路基、钻孔桩、承台采用Solid 45 六面体单元，板桩及围檩采用Beam 4 梁单元，利用生死单元的激活和杀死模拟施工过程；土体（路基、道砟、土层）采用的是D-P 本构；混凝土（钻孔桩）及钢材（钢板桩、围檩、横梁）采用线弹性体本构。

表4 模型计算参数

3 计算结果分析

3.1 沉降1 分析

钻孔桩施工阶段相应正交试验结果见表5。由表5 可知：钻孔桩施工顺序对沉降1 有较大影响，说明先开挖远离路基处的桩后开挖与路基距离较近桩的开挖方式引起的沉降量最小；而钻孔桩长度对沉降1 的影响不明显。

表5 沉降1 极差分析结果

对沉降1 进行方差分析，A、B、C、D、E5 个影响因素的自由度n=4 与误差的自由度n=4 是相同的。对应的F分布表中查出F0.01（4，4）=15.98，F0.05（4，4）=6.39，F0.1（4，4）=4.11，F0.2（4，4）=2.50。沉降1 方差分析中，A、B、C、D、E5 个因素对应的F值为21.19、17.11、24.32、11.60、1149.70。可以看出A因素为**，B因素为**，C因素为**，D因素为*，E因素为**。鉴于沉降1 指标为钻孔桩施工阶段指标，故不涉及基坑开挖深度、钢板桩长度、钢板桩个数3个因素。根据F值的大小，可进一步确认影响因素重要性排序为E>A。

3.2 沉降2 分析

承台基坑开挖后相应的正交试验计算结果如表6 所示。

表6 沉降2 极差分析结果

由表6 可知：基坑开挖越深，沉降2 越大，两者呈正相关，且基坑开挖深度对于沉降的影响远明显于其他因素；采用钻孔桩施工顺序X1对沉降2 影响最小；当钢板桩长度越长，沉降2 越小，两者呈负相关；而钢板桩个数及钻孔桩长度对沉降2 影响不明显。

对沉降2 进行方差分析，A、B、C、D、E5 个因素对应的F值为1.34、225.08、23.05、1.44、31.49。可以看出A因素为无影响，B因素为**，C因素为**，D因素为无影响，E因素为**。根据F值的大小进行影响因素重要性排序为B>E>C>D>A。

3.3 沉降3 分析

桥梁下部结构施工完成后相应的正交试验计算结果如表7 所示。

由表7 可知：基坑开挖越深，沉降3 越大，两者呈正相关；采用钻孔桩施工顺序X1对沉降3 影响最小，钢板桩长度越长，沉降3 越小，两者呈负相关；钢板桩个数及钻孔桩长度对沉降3 影响不明显。说明对于钻孔桩开挖顺序积累的路肩沉降会继续影响到基坑开挖阶段及桥梁下部结构所有施工步完成后，且最优施工顺序与钻孔桩施工完成后阶段的相同。

对沉降3 进行方差分析，A、B、C、D、E5 个因素对应的F值为1.84、846.93、37.20、4.08、33.90。可以看出A因素为无影响，B因素为**，C因素为**，D因素为△，E因素为**。根据F值的大小进行影响因素重要性排序为B>C>E>D>A。