臨近既有高鐵路基的基坑開挖數值分析研究
——以福州市晉安區三環路某建筑工程為例

陳寶林

(1.福建省建筑科學研究院有限責任公司 福建福州 350108； 2.福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350108)

0 引言

隨著我國國民經濟與基建的不斷發展，基坑的開挖深度、外輪廓形狀以及周邊環境越發復雜[1-3]。近年來城市規模不斷擴大，高速鐵路周邊工程項目日益增加。而高速鐵路正常運營時對軌道的變形有著極其嚴格的要求。為保證基坑開挖順利進行和鐵路線的正常運營，一般需要對臨近既有高鐵的基坑開挖進行專項設計并進行系統的工程安全評估工作，但是按現有的規范標準很難對此類工程項目進行評估[4-5]。因此，有必要采用數值分析方法對此類工程進行分析。本文用三維有限元軟件ABAQUS[6]對福州市區某臨近既有高鐵運營線的深基坑開挖進行數值分析，以期能得到基坑支護體系、周圍建筑物和土體的受力和變形特性，能給類似基坑開挖的設計、施工、監測提供有利的參考。

1 工程概況

1.1 項目簡介

該項目為棚戶區改造安置用房，含主樓(14F)、裙房(2F)及地下2F，地下室基坑長約6.3m，寬約46m，設計開挖深度約為5.6m～7.4m。擬建工程位于福州市晉安區北三環路琴亭高架橋附近，場地南側約20m處為既有高鐵營業線(合福下行線中心線)。基坑平面示意如圖1所示。

圖1 基坑平面示意圖

1.2 工程地質特征(表1)

表1 場地巖土體設計參數取值

1.3 基坑支護設計方案

基坑南側臨近既有高鐵營業線，其控制軌道路基的最大沉降值不大于3mm，上浮控制值為2mm；水平位移：-3mm～+3mm。針對基坑所處的特殊位置，且為深基坑。在基坑南側設計采用φ1000mm，間距750mm，樁長約27m的咬合樁并布置一道混凝土支撐，距坑邊3m處布置一排φ1000mm，間距750mm，樁長約20m的素混凝土隔離樁；其余各側均采用φ1000mm，間距1500mm，樁長約12m～15m的圍護樁，在外側布置φ750mm，樁長約27m的雙輪攪拌止水帷幕，設置一道混凝土支撐。基坑南側典型剖面圖如圖2所示。

圖2 基坑南側典型剖面圖

2 基坑三維有限元模型

由于基坑形狀的不規則，且在南側臨近既有高鐵營業線，受力分析和變形特性較復雜，局部地區可能存在較大變形，采用傳統二維分析方法將無法客觀全面地反映基坑開挖時各種性狀。因此，本文應用三維大型有限元軟件ABAQUS在三維空間狀態下模擬基坑開挖，但同時為了不使問題變得復雜，本文作如下假定：

(1)假設基坑開挖時已完成降水，在開挖時土體中產生的超孔隙水壓力消散緩慢，此時進行短期穩定性分析時不考慮流固耦合和時間效應。

(2)假設基坑圍護結構和隔離樁為線彈性材料，在整個基坑開挖過程中，其受力狀態始終處于彈性階段。

(3)不考慮開挖和支護結構的施工過程，開挖為分期開挖，每層開挖為線性卸載過程。

2.1 幾何模型與單元選擇

圖3 模型示意圖及網格劃分(一)

圖4 模型示意圖及網格劃分(二)

根據實際工程特點建立三維基坑有限元分析模型，模型示意及網格劃分如圖3～圖4所示。路基面寬度為8.8m，軌道分布寬度為3.4m，軌道自重17.3kN/m2，列車荷載36.8kN/m2，總荷載54.1kN/m2，同時考慮地面超載20kPa以及鋼筋混凝土支撐梁頂部超載4kPa。模型中土層由上到下依次為雜填土、淤泥、卵石、全風化花崗巖、強風化花崗巖。模型在與X軸、Y軸垂直的4個側面邊界上將其法向位移約束，在模型的底面(垂直于Z方向的法平面)約束X、Y、Z三個方向的位移。隔離樁和圍護樁與土的接觸的法向模型采用硬接觸來模擬，切向模型采用罰函數的黏滑接觸摩擦模型，樁土摩擦系數通過式μ=tan(0.75φ)計算得到。模型土體和路基均采用六面體線性應力單元(C3D8)，基坑圍護樁、隔離樁均采用殼單元(S4)，支撐桁架采用梁單元(B31)。

2.2 材料本構關系及計算參數

土體采用摩爾-庫倫理想彈塑性模型，隔離樁和圍護結構采用線彈性模型。根據勘查資料及工程經驗確定模型計算參數，如表2所示。

表2 模型計算參數表

3 有限元結果分析

3.1 基坑南側水平位移分析

基坑開挖過程中，對基坑圍護樁、周邊建筑、臨近高鐵路基進行了全程監測。在基坑開挖結束后，選取靠近高鐵路基的基坑南側兩個監測點的實測水平位移與計算模型數據進行對比,如圖5所示。

圖5 基坑南側監測點示意圖

1#、2#監測點水平位移如圖6～圖7所示。從位移曲線的變化特征來看，支撐極大地限制了基坑頂的位移，位移隨著深度增加而增大，位移在靠近基坑底面處達到最大值，隨后位移逐漸減少，在圍護樁底部位移趨于零。由圖可知，實測值與計算值曲線形態相近，數值相差不大，說明計算模型較好地模擬了現場基坑的開挖。實測值較計算值偏小，考慮到前文的假設及土本構關系、計算模型參數的選取問題，模型計算是偏于安全的，也說明了該支護方案是安全可行的。

圖6 1#監測點水平位移曲線圖

圖7 2#監測點水平位移曲線圖

圖8 路基水平位移云圖

3.2 臨近路基位移分析

由于該基坑開挖周邊環境復雜，尤其在南側為現有運營高鐵線，現有高鐵線對變形要求極其嚴格。經模型計算，基坑開挖過程中，線路路基產生的最大水平位移為1.54mm，最大豎向位移為2.51mm。實測最大水平位移為1.71mm，最大豎向位移為2.63mm。說明該基坑支護方案針對南側運營高鐵線加設隔離樁的支護方案有效地控制了臨近路基的變形且提高了基坑的穩定性。

圖8～圖9為路基的水平及豎向位移云圖。由圖可知沿著路基中軸線，位移在靠近基坑的位置處達到最大值，遠離基坑位置逐漸減少。從靠近基坑處的路基橫斷面來看，遠離基坑方向的水平位移在路基邊坡坡肩處最大，朝向基坑方向的位移在路基坡趾處最大。豎向位移(方向向下)在路基橫斷面的中心處最大，豎向位移(方向向上)在路基坡趾處最大。

圖9 路基豎向位移云圖

圖10 基坑支撐變形云圖

圖11 基坑等效偏應力云圖

3.3 基坑支撐分析

圖10～圖11為基坑支撐變形云圖、等效偏應力云圖。由圖可知，基坑支撐變形在圖10中標示處達到最大值，說明該處位移大，比較容易失穩，在支撐設計時可加大該處的支撐剛度。基坑支撐等效偏應力在圖11所示處達到最大值，說明該處為支撐受力較薄弱的位置，可適當增加該處的強度。

3.4 基坑周圍土體分析

圖12為基坑周圍土體的等效塑性應變云圖，由圖可知，塑性應變沿著基坑邊呈弧形向外擴散，在基坑邊中點較大，兩邊較小，遠離基坑邊塑性應變趨于零；在基坑南側只有局部區域發生了塑性應變。圖13為基坑周圍土體等效偏應力云圖，由圖知，其呈3/4圓包圍住基坑；在基坑南側，土體等效應力幾乎為零。

圖12 基坑周圍土體等效塑性應變云圖

圖13 基坑周圍土體等效偏應力云圖

圖14為基坑周圍土體豎向位移云圖。由圖知，其沉降最大值在距離基坑邊一定距離的位置，位移等值線以最大值為中心呈扁條形向外擴散。基坑內有向上的隆起的位移。靠近基坑南側的土體的沉降和隆起都很小。

圖14 基坑周圍土體豎向位移云圖

綜上分析說明，通過模型計算由基坑周圍土體等效塑性應變云圖、等效偏應力云圖及豎向位移云圖可確定基坑開挖時周圍土體的受力變形特性、影響區域范圍和極值點，能給基坑開挖的設計、施工、監測提供有利的參考。該工程實例說明，在基坑南側加設隔離樁有效地阻斷了臨近高鐵正常運營和基坑開挖之間的相互影響，達到了該基坑設計要求的目標。

4 結論

(1)該工程周邊環境復雜又臨近既有運營高鐵路線，采用ABAQUS軟件對基坑開挖進行數值分析模擬，對該支護方案進行驗算，經過施工監測，數據表明，模型計算結果與監測結果誤差控制在15%以內。數值分析能較好地模擬基坑開挖的過程，能給基坑開挖的設計、施工、監測提供有利參考。

(2)臨近路基水平位移在路基邊坡坡肩處、路基坡趾處最大。豎向位移在路基橫斷面的中心處及路基坡趾處最大。施工監測時，應重點監測路基坡肩、坡趾及路基橫斷面的中心處，并采取一定的加固措施。

(3)通過數值分析模擬，找到基坑支撐體系的較薄弱位置，在設計和施工時應予以重點考慮。可采用增加該處支撐強度、剛度、加密該處的支撐等，使受力更加合理，節約成本。

(4)基坑開挖時，周圍土體的塑性應變和等效偏應力的最大值在基坑邊靠近中心處的位置。沉降最大值在距離基坑邊一定距離的位置。在基坑南側加設隔離樁，有效阻斷了路基周圍土體因基坑開挖而產生的變形，既保證了基坑的正常開挖施工，又不影響高鐵線的正常運營，達到了該基坑設計要求的目標。