基坑降水對京滬高速鐵路CFG樁－筏復合地基沉降的影響分析

張光宗，王連俊，朱孝笑

(北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044)

在工程中，當天然地基達不到建筑物對地基的要求時，為了保證建筑物的安全和正常使用，就需要對地基進行處理形成人工地基來滿足建筑物對地基的要求。經過地基處理后形成的人工地基可以分為均質地基、多層地基和復合地基。

復合地基［1］是指天然地基在地基處理過程中部分土體得到增強，或被置換，或在天然地基中設置加筋材料的地基。基體和增強體兩部分組成了加固區，加固區是由基體(天然地基土體或被改良的天然地基土體)和增強體兩部分組成的人工地基。

樁-筏復合地基體系由樁、土、褥墊層和鋼筋混凝土板組成，具有承載力高、穩定性好、地基總沉降及差異沉降小等優點。因此，京滬高速鐵路部分路段也將采用以CFG樁一筏復合地基為主的地基處理技術，以滿足設計標準。

京滬高速鐵路濟南西站范圍內為深厚松軟土地基，為了減少工后沉降，設計采用CFG樁基礎加固處理和路基預壓的措施，平均填土高5 m，預壓堆載3.5 m。

為了保持站房施工環境干燥，并且為了提高土體的固結程度，增加地基的抗剪強度，濟南西站在2009年9月15日進行了基坑降水。但是，隨著站房基坑降水的進行，原本沉降已經趨于穩定的高速鐵路路基又產生了二次加速沉降，根據現場監測沉降板、路基深層沉降的數據，分析濟南西站站房基坑降水對京滬高速鐵路路基沉降的影響。

1 工程概況

1.1 工程地質和水文地質

京滬高速鐵路濟南西站試驗段(DK418+300～DK419+575)位于濟南市西部。

地形地貌:濟南市位于黃河以南的沖積平原、丘陵及丘間平原，南部的丘陵區是以剝蝕為主山區向平原的過渡地帶，殘丘大多分布在丘間沖洪積平原，由于風化剝蝕使得山頂呈渾圓狀。

地層巖性:沿線的丘陵區前緣和丘間平原分布了第四系上更新統、中更新統沖洪積、坡洪積及殘坡積層;殘丘區出露灰巖;居民區附近和既有鐵路、公路表覆第四系全新統人工堆積層。

地質構造:濟南地區位于中朝準地臺次級構造單元魯西斷塊上，魯西斷塊位于沂沭斷裂帶西，齊河－廣饒斷裂南和聊考斷裂東地區。中生代斷塊主要以差異運動為主，形成了泰山，并伴隨著巖漿巖侵入，北西向、北東是區內主要斷裂。工程沿線新生代由于河流搬運的物質堆積，形成第四系的覆蓋層，其斷裂構造對鐵路和建筑物沒有明顯的影響。

水文地質:勘察范圍內勘察期間，從鉆孔內測得地下水靜止水位埋深3.50～7.50 m，水位高程為25.96～27.61 m。根據鉆孔水位情況，結合區域調查，確定該場地水位西南高，東北低，總體由西南向東北排泄，鉆探無漏漿情況，地下水量較豐富。場地地下水屬第四系孔隙潛水，補給來源為大氣降水和地下徑流。該地下水位年變化幅度不大，豐水期水位高程可按30.00 m考慮。水質對混凝土結構不具腐蝕性，對混凝土結構中的鋼筋具弱腐蝕性。長期浸水作用下，水質對混凝土結構中的鋼筋不具腐蝕性，對鋼結構具弱腐蝕性。

1.2 地基處理設計

濟南西站內，地形比較平坦，路基采用填方形式。正線無砟軌道板基礎按1∶1放坡至地面范圍以內部分。路堤基底設置0.5 m厚C30鋼筋混凝土板，板下設置0.15 m厚碎石墊層，其他部分設置0.6 m厚碎石墊層，中間鋪設2次高強度的土工格柵。

濟南西站均是深厚松軟土地基，為了減少工后沉降，地基采用管樁(PHC樁)、CFG樁(約282萬m)基礎進行加固處理和路基預壓措施。管樁(PHC樁)的直徑為0.4 m，CFG樁的直徑為0.5 m，沿線路方向間距為1.5 m，鋼筋混凝土板下管樁的橫向間距為2 m，板以外CFG樁的橫向間距為1.6 m。

板下管樁長35 m，咽喉區(DIK419+002)板外樁長25 m;站場(DIK419+251)板外側1～5排樁長25 m，再外側5～10排樁長20 m，最外側11～57排樁長15 m。設計單樁承載力是800 kN，在填筑基床表面以前路堤采用堆載預壓，咽喉區(DIK419+002)范圍內為堆載預壓，時間不少于12個月，預壓土高為3.5 m，站場(DIK419+251)范圍內為(正線兩側的站臺之間)堆載預壓，時間不少于12個月，預壓土高為3.5 m。預壓觀測期暫定12個月，預壓土與基床底層表面鋪1層經編復合土工膜。

1.3 基坑開挖實施方案

根據設計要求，基坑的總體施工順序，先期開挖國鐵范圍內的第一級基坑土方，根據市政配套工程整體進度安排，確定第一級基坑開挖范圍。由上至下開挖基坑土體，按需降水，邊開挖邊支護。濟南西站站房基坑平面布置如圖1所示。

圖1 濟南西站站房基坑平面布置

開挖深度要求如下:高鐵大通廊處基坑底高程為－7.770 m(22.590 m);主站房處基坑底高程為－10.80 m(19.560 m)，1號線基坑底高程為－18.21 m(12.150 m)。降水井設計按照開挖要求分為3個設計區域。

1.4 降水設計方案

降水施工順序應先施工高鐵站臺處，然后再施工1號線處基坑。本工程基坑降水計劃分2個降深:第一步基坑降水至降深8.10 m，開挖至7.60 m(第一步開挖基坑底)，采用周邊降水井(73眼:降水井編號J－1—J－21、J－42—J－93)進行降水，中間降水井(46眼:編號為J－22—J－41、S－1—S－18、J－94－J－101)做疏干井。第二步，全部降水井和疏干井均同時工作，基坑開挖至地鐵1號線設計高程(－18.21 m)，降深至設計基坑底(－18.21 m)以下1.0 m。第三步，降水滿足要求，經設計人員同意分階段、分批次停用疏干井。

降水井降水時，將產生降水曲線漏斗，對周邊建筑物(構筑物)有一定影響，為了確保止水帷幕外側已施工高鐵基礎(CFG樁)的安全，在止水帷幕外側設置回灌井，降水時進行回灌，確保地下水位高度，減少基坑降水對高鐵基礎的影響。

2 試驗方案

本次試驗共設置4個路基沉降觀測斷面，分別為:DIK418+298.8(正線)、DIK418+900(咽喉區)、DIK419+250(站場北側)、DIK419+650(站場南側)，監測斷面布置見圖2。分別在斷面處布置觀測元器件，通過現場對路堤填土期、堆載預壓期以及基坑降水期內的CFG樁樁-筏復合地基樁、板的沉降變形進行觀測。在文中只取咽喉區、站場北側斷面進行分析，見圖3、圖4。

圖2 京滬高速鐵路濟南西站站場斷面布置

圖3 咽喉區(DIK419+002)元器件平面布置(單位:m)

圖4 站場北側(DIK419+251)元器件平面布置

3 試驗結果與分析

3.1 咽喉區地基表面沉降變化特征

咽喉區(DIK419+002)位于濟南西站北京方向的咽喉部位，由于對稱性采用半斷面觀測模式，并選取西側半幅作為試驗斷面。咽喉區的半幅寬58.8 m，設置5排35 m PHC樁和33排25 m CFG樁。咽喉區沉降板的位置見圖3。

從圖5和表1中可以看出，其中對離基坑降水中心最近的35 m管樁影響最大，原本沉降趨于穩定的路基降水后108 d與降水前的沉降差BS1和BS2的沉降差分別為13.25 mm和13.30 mm;其次為BS3，其沉降差為12.69 mm;對處于路基邊緣的BS4影響最小，沉降差為6.66 mm。分析主要原因為，隨著與降水位置距離的增加，路基表面沉降所受影響減小，其中BS1距離降水位置最近，故表面沉降量最大。

圖5 咽喉區(DK419+002)沉降板變化趨勢

表1 咽喉區降水階段沉降板的沉降量 mm

3.2 站場地基表面沉降變化特征

站場北側(DIK419+251)位于濟南西站站房北側，由于對稱性斷面采用半斷面觀測模式，選取西側半幅作為試驗斷面。站場北側半幅寬100 m，設置5排35 m PHC樁和55排不同樁長的CFG樁，其中筏板外1～5排25 m CFG樁，再往外6～10排20 m CFG樁，其余均為15 m CFG樁。圖4可知站場北側沉降板的位置。

由圖6和表2可以看出，基坑降水對路基沉降有較大影響。其中對15 m CFG樁影響最大，CS10處在基坑降水階段沉降量占預壓土加載階段沉降量的91.88%，主要因為預壓土對豎向投影范圍內的復合地基的影響大于對45°擴散角范圍的復合地基的影響，所以基坑降水成為該處沉降的主要影響因素;20 m CFG樁影響次之，CS6處基坑降水階段沉降量占預壓土加載階段沉降量的86.12%;25 m CFG樁影響再次之，CS5處基坑降水階段沉降量占預壓土加載階段沉降量的71.49%;對35 m PHC樁影響最小，CS1處基坑降水階段沉降量占預壓土加載階段沉降量的65.66%。分析其主要原因為，填筑預壓土是在基坑降水之前進行的，且預壓土對豎向投影范圍內的復合地基的影響大于對45°擴散角范圍的復合地基的影響，所以35 m PHC樁在基坑降水前在預壓土的直接影響下，已經產生了很大固結。

但是值得注意的是CS2、CS4處受基坑降水的影響也比較大。分析其主要原因CS2處為樁間土處，由于樁的上刺入效應CS1處的沉降量小于CS2，故產生了較大沉降;CS4處沉降板下部處于35 m管樁和25 mCFG樁變樁長區域，也產生了較大影響。

圖6 站場北側(DK419+251)沉降板變化趨勢

表2 站場北側沉降板的沉降量 mm

4 結論

根據以上分析可以看出基坑降水對路基的沉降有很大影響，其對路基表面沉降的影響可以歸納為以下幾點。

(1)基坑降水對復合地基的影響程度因觀測斷面縱向的位置而有所不同。隨著與降水位置距離的增加，路基表面沉降所受影響減小，咽喉區路基所受降水影響小于站場路基。

(2)基坑降水對復合地基同一觀測斷面不同樁長處地基的影響程度不同。樁長越長所受影響越小。35 m管樁(PHC樁)所受影響小于25 m CFG樁，25 m CFG樁所受影響小于15 m CFG樁。

(3)基坑降水對復合地基的影響程度還與其上部預壓土的加載有關。復合地基受預壓土影響越大，受基坑降水的影響就越小，反之越大。35 m管樁(PHC樁)所受預壓土影響最大，故其所受基坑降水的影響最小。

(4)基坑降水對復合地基中變樁長處影響程度較大，其影響程度遠大于復合地基中其他樁長區。

(5)基坑降水對復合地基中樁間土的影響較對加固樁的影響大，樁的上刺入效應比較嚴重。

(6)停止基坑降水也會對復合地基產生影響，原本沉降趨于穩定的復合地基會產生回彈現象。

［1］龔曉南編著.復合地基［M］.杭州:浙江大學出版社，1992.

［2］龔曉南編著.復合地基理論及工程應用［M］.2版.北京:中國建筑工業出版社，2007.

［3］姜 龍.京滬高速鐵路鳳陽段樁板復合地基沉降時效特性研究［D］.北京:北京交通大學博士學位論文，2009.

［4］丁銘績.高速鐵路CFG樁樁板復合地基工后沉降數值模擬［J］.中國鐵道科學，2008，29(3):1-6.

［5］周全能，姜領發.客運專線路基沉降特征及其影響因素分析［J］.鐵道標準設計，2010(2):15-18.

［6］李廣信，劉早云，溫慶博.滲透對基坑水土壓力的影響［J］.水利學報，2002，5(5):75-80.