地塊基坑臨近鐵路橋梁開挖安全影響分析

黃 偉

(中鐵二院華東勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司,浙江 杭州 310004)

1 工程概況

溫州市瑤溪北單元11-A-24地塊工程位于甌海大道以南,規(guī)劃水埠路以北,場(chǎng)地中分布有區(qū)間道路站東路、浹底路。北面與溫州市域鐵路S1線南洋大道特大橋接壤,基坑邊線與橋梁26號(hào)墩最短距離為12 m。場(chǎng)地東西兩側(cè)有內(nèi)河,有公路直通現(xiàn)場(chǎng),交通便利。

本地塊所處地層主要以淤泥為主,這類土強(qiáng)度低、含水量高、壓縮性高,滲透系數(shù)非常小,并且具有明顯的流變性,多數(shù)還具有高靈敏度的結(jié)構(gòu)性。基坑開挖引起的變形主要是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、基坑底部土體的變形以及基坑外土體的變形,將對(duì)基坑周邊的環(huán)境產(chǎn)生一定的影響[1]。如果不采取相應(yīng)措施,基坑北側(cè)市域鐵路橋梁結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生總體沉降量過大,兩墩臺(tái)沉降差過大,進(jìn)而影響市域鐵路運(yùn)營(yíng)安全等問題。因此,需要對(duì)地塊基坑臨近鐵路橋梁進(jìn)行安全影響分析,確保鐵路橋梁結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)營(yíng)安全。

2 工程地質(zhì)條件

本工程場(chǎng)地沿線為軟土路段,均有軟土分布,工程地質(zhì)性質(zhì)差—極差,具有高壓縮性、低承載力、抗剪強(qiáng)度低、含水量高、孔隙比大、靈敏度高等特點(diǎn)。基坑底部為淤泥層,路基填筑時(shí)易產(chǎn)生過量的沉降及不均勻沉降,屬軟土路基,須進(jìn)行軟基處理。北側(cè)鐵路橋梁為摩擦樁,樁底位于⑤1黏土層。

3 設(shè)計(jì)概況

瑤溪北單元11-A-24地塊項(xiàng)目位于溫州市龍灣區(qū),北面與溫州市域鐵路S1線南洋大道特大橋接壤,其基坑與S1線橋梁承臺(tái)最短凈距僅為12 m,相互位置關(guān)系見圖1、圖2。S1線為雙線電氣化鐵路,設(shè)計(jì)時(shí)速120 km,平均旅行時(shí)速50～60 km。橋梁孔跨布置采用25、30、35、40 m雙線簡(jiǎn)支箱梁,橋臺(tái)采用矩形空心臺(tái),橋墩采用矩形墩,采用1、1.25、1.5 m樁徑鉆孔樁基礎(chǔ)。

橋梁臨近11-A-24地塊的里程為DK27+776～DK27+951,主要橋墩編號(hào)為23～29號(hào)橋墩。橋梁正線橋面寬度11 m,其中,23～25號(hào)墩承臺(tái)長(zhǎng)9.5 m,寬5.9 m,樁徑/長(zhǎng)分別為φ1 m 6根/59 m、φ1 m 6根/61 m、φ1 m 6根/58.5 m；26～28號(hào)墩承臺(tái)長(zhǎng)10.2 m,寬6.9 m,樁長(zhǎng)分別為φ1.25 m 6根/58 m、φ1.25 m 6根/58.5 m、φ1.25 m 6根/58 m；墩臺(tái)樁均采用摩擦樁。

圖2 地塊基坑與橋梁相互位置關(guān)系圖

溫州市瑤溪北單元11-A-24地塊工程位于甌海大道以南,地坪高程4.90 m。

本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系[2]： 基坑南側(cè)及東南角采

用雙排PC工法組合鋼管樁進(jìn)行圍護(hù),東側(cè)鄰近主樓區(qū)域及西側(cè)鄰近主樓區(qū)域采用門架式雙排鉆孔灌注樁進(jìn)行圍護(hù),東側(cè)非主樓區(qū)域采用SMW工法樁加一道鋼筋混凝土斜支撐進(jìn)行圍護(hù),西側(cè)非主樓區(qū)域采用鉆孔灌注樁加一道鋼筋混凝土斜支撐進(jìn)行圍護(hù)；基坑西北角、東北角、西南角(西側(cè))采用鉆孔灌注樁加一道鋼筋混凝土水平支撐進(jìn)行圍護(hù),售樓處南側(cè)及西南角(南側(cè))采用PC工法組合鋼管樁加一道鋼筋混凝土水平支撐進(jìn)行圍護(hù)；基坑北側(cè)采用門架式雙排鉆孔灌注樁加一道鋼筋混凝土支撐進(jìn)行圍護(hù)(支撐在頂板上)；基坑主動(dòng)區(qū)采用水泥攪拌樁(北側(cè)采用三軸水泥攪拌樁)進(jìn)行止土；坑內(nèi)增加被動(dòng)區(qū)加固以控制土體位移。

4 控制標(biāo)準(zhǔn)

任何基坑的開挖都必然會(huì)引起基坑周邊地層發(fā)生不均勻的沉降變形,周邊建筑結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生很大反應(yīng)；倘若不均勻沉降過大,必然造成建筑物的傾斜、變形、開裂甚至倒塌；若不均勻沉降不大,但是總的沉降量過大,則會(huì)造成建筑物在使用功能上產(chǎn)生很大的負(fù)面影響,特別是對(duì)于市政工程的影響最大,例如造成市政管網(wǎng)的破壞。

結(jié)合鐵路沉降觀測(cè)技術(shù)規(guī)程以及鐵路線路維修管理標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)橋梁變形限值的要求,并參考浙江省《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程(DB33/T 1139—2017)》《鐵路沉降變形觀測(cè)及評(píng)估技術(shù)規(guī)程(Q/CR 9230—2016)》《鐵路線路修理規(guī)則》(鐵運(yùn)[2006]146)等規(guī)范對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)變形要求,綜合分析并考慮監(jiān)控量測(cè)技術(shù)措施,采用橋墩頂位移值和墩身傾斜率作為基坑施工對(duì)鐵路橋梁的安全控制指標(biāo),具體見表1。

表1 安全控制指標(biāo)及限值

5 影響分析

5.1 基坑變形、穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)浙江省標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(DB33/1096—2014)》和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ 120—2012)》及工程經(jīng)驗(yàn)確定基坑安全等級(jí)為一級(jí)。基坑驗(yàn)算結(jié)果見表2、圖3、圖4。

表2 基坑穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果匯總

根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果,第一道支撐拆除前,必須采取換撐措施或回筑頂板覆土回填,方可保證結(jié)構(gòu)變形安全,基坑變形及各項(xiàng)穩(wěn)定性安全系數(shù)均滿足一級(jí)基坑的設(shè)計(jì)要求。

圖3 臨近23～24號(hào)橋墩圍護(hù)樁彎矩、變形包絡(luò)圖

圖4 臨近25～29號(hào)橋墩圍護(hù)樁彎矩、變形包絡(luò)圖

5.2 三維數(shù)值分析

基坑開挖時(shí),通過地層應(yīng)力釋放與土層變形對(duì)周邊土層產(chǎn)生影響,因此基坑開挖的關(guān)鍵是分析其對(duì)周邊建筑物等環(huán)境的影響。對(duì)基坑開挖方案與支護(hù)措施進(jìn)行設(shè)計(jì),并制訂合理的開挖工序,確保基坑開挖和基礎(chǔ)施工可以順利、安全、可靠地實(shí)施。另外，基坑開挖過程中,充分考慮基坑開挖對(duì)建筑物的影響,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)周邊建筑物的沉降變形觀測(cè),防止因基坑開挖導(dǎo)致周邊建筑物發(fā)生過大變形或不均勻沉降,從而導(dǎo)致建筑物開裂甚至倒塌。對(duì)于溫州市域S1線溫州特大橋而言,如果沉降過大,或相鄰兩橋墩沉降差過大,將影響溫州鐵路的行車舒適度、耐久性,更嚴(yán)重者可能發(fā)生安全事故。因此,控制基坑開挖對(duì)周邊建筑物的影響是避免周邊建筑物或構(gòu)筑物變形過大引起的安全隱患。

本文采用有限元軟件MIDAS GTS進(jìn)行三維計(jì)算分析[3],根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和理論分析,取模型大小為240 m×80 m×65 m。采用內(nèi)力收斂條件,收斂精度為0.001。對(duì)巖土體、橋墩、承臺(tái)采用實(shí)體單元模擬,橋樁、冠梁、支撐采用梁?jiǎn)卧?基坑圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)根據(jù)剛度等效原理采用板單元。巖土體本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫(kù)倫(Modified Mohr-Coulomb)模型進(jìn)行模擬,其余采用彈性模型。網(wǎng)格剖分時(shí)考慮了不同巖土的特性、圍護(hù)樁等介質(zhì)的不同處理。整個(gè)三維有限元計(jì)算模型共83 350個(gè)單元,50 034個(gè)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。模型采用標(biāo)準(zhǔn)約束型式,模型左右、前后邊界固定水平位移,底部邊界固定豎向位移,約束其豎向及水平向位移,上部邊界為地表自由面；自重荷載取重力加速度,計(jì)算結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 基坑開挖引起地層水平位移云圖

圖6 基坑開挖引起地層豎直位移云圖

由于11-A-24基坑與溫州市域鐵路S1線橋梁結(jié)構(gòu)最小凈距離僅12 m,基坑距離橋梁結(jié)構(gòu)較近,基坑開挖后對(duì)S1線橋梁結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力均產(chǎn)生了一定的影響。11-A-24基坑開挖對(duì)溫州市域鐵路的影響[4]主要體現(xiàn)在其結(jié)構(gòu)沉降量,其中橋梁墩臺(tái)頂?shù)木鶆虺两底畲笾岛退轿灰谱畲笾捣謩e為5.96 mm和6.12 mm,滿足15 mm控制值的要求；橋墩頂?shù)淖畲蟾叩蛢A斜率為0.389‰,滿足0.6‰控制值的要求；橋墩頂間差異沉降最大值為0.77 mm,滿足允許最大沉降差4 mm控制值的要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

1)考慮11-A-24地塊工程基坑的開挖深度、周邊環(huán)境及地質(zhì)條件,結(jié)合類似的工程經(jīng)驗(yàn),靠近市域鐵路 S1 線北側(cè)采用雙排鉆孔灌注樁加一道鋼筋

混凝土支撐進(jìn)行圍護(hù)(支撐在頂板上)；基坑西北角、東北角、西南角(西側(cè))采用鉆孔灌注樁加一道鋼筋混凝土水平支撐進(jìn)行圍護(hù)；基坑主動(dòng)區(qū)采用水泥攪拌樁(北側(cè)采用三軸水泥攪拌樁)進(jìn)行加固；坑內(nèi)增加被動(dòng)區(qū)加固以控制土體位移,排樁外側(cè)采用φ600@450水泥攪拌樁加固,并對(duì)基坑內(nèi)側(cè)采用5排φ600@500的水泥攪拌樁加固。該種支護(hù)形式具有側(cè)向支撐剛度大和基坑開挖變形小的特點(diǎn),可有效控制基坑開挖過程中對(duì)周邊設(shè)施的影響[4],在項(xiàng)目所在地區(qū)已有大量成功實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)。并對(duì)臨近S1線和基坑被動(dòng)區(qū)采用水泥攪拌樁加固,以有效減小基坑土體位移,確保結(jié)構(gòu)安全。

2)根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，基坑開挖后對(duì)S1線橋梁結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力均產(chǎn)生一定的影響。橋梁墩臺(tái)頂?shù)木鶆虺两底畲笾岛退轿灰浦怠蚨枕數(shù)淖畲蟾叩蛢A斜率、橋墩頂間差異沉降均滿足相應(yīng)控制值的要求，建議加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)的管控和監(jiān)測(cè)。