公鐵立交工程深基坑數值模擬及監控量測分析

曹鵬程

(中鐵二十三局集團有限公司 四川成都 610072)

1 工程概況

隨著我國經濟發展，城市化進程快速推進，公路與鐵路立交情況時有發生。城市施工場地緊張，尤其遇到深水基坑時，如何安全開挖施工是眾多設計和施工人員必須面對的問題。

哈佳鐵路學府路框構橋及佳木斯特大橋基坑施工項目位于黑龍江省佳木斯市，工程擬建2座框構中橋和哈佳鐵路佳木斯特大橋兩個橋墩，基坑面積為3 645.4 m2，周長為294.139 m，基坑在框構橋及封閉路塹處開挖深度為11.89 m，基坑內佳木斯特大橋橋墩基礎低于框構橋及封閉路塹底面5.74 m，總開挖深度為17.63 m，屬于特大深水基坑。該工程項目北側緊鄰鐵路施工便線，基坑與列車臨時過渡便線最小距離為11.3 m，易受列車振動影響。

本文依托該工程項目研究公鐵立交深水基坑開挖過程的土層及排樁側移、排樁沉降以及支撐應力的變化情況，分析基坑開挖過程的穩定性和安全性，為類似工程提供借鑒。

2 深基坑施工設計和數值計算

本項目鐵路基礎與公路基礎埋深大、開挖深度不一致，屬于特大型深水基坑，且鄰近鐵路干線，有列車振動源。項目初步設計采用首層設置混凝土排樁+混凝土冠梁+混凝土支撐組成的圍護結構，第二層采用預應力鋼管支撐結構。為了確保施工安全，首先對本工程的施工過程進行數值模擬計算，對初步設計的安全性進行評估。

2.1 地層地質參數確定

本項目地層采用Drucker-Prager彈塑性模型模擬[1]。地層的物理學參數通過地質勘查書數據選定。其中，彈性模量通過地質資料的壓縮模量換算得出，換算公式[2]為:

式中，Es為壓縮模量；E為彈性模量。

由于地質勘查書中數據沒有提供土層的泊松比，通過土性分類并參考《土的工程分類標準》(GB/T 50145-2007)的規定進行選取[3]。土層的物理學參數見表1。

表1 地層物理學參數

2.2 列車引起的振動激勵

考慮深基坑僅距下游車站400 m，基坑邊緣距進站鐵路繁忙干線僅11.3 m，基坑施工受列車振動影響較大，數值計算中需考慮列車振動激勵。本項目鄰近車站，列車進站時速大多降至45 km，列車數量多且有疊加效應，而現有的列車激勵標準時程曲線都是按標準速度給出且不考慮多車疊加效應。為準確模擬本項目施工過程，首先對工程地點的列車振動激勵進行實測。在施工位置預設的圍護結構和支撐試驗件上安裝6個拾振器，分別測試各測點的豎向及垂直于列車運行方向的振動響應。為了全面掌握列車振動的影響，進行24 h連續監測，共測試22趟列車，包含7趟客運列車和15趟貨運列車。測試得到的典型列車振動時程曲線如圖1a所示。現場振動測試結果表明，圍護結構和支撐的響應表現為垂直速度小于水平速度，貨車比客車響應大；經過對列車振動時程曲線進行頻譜分析，振動卓越頻率在10 Hz左右，振動頻率主要范圍在8～40 Hz之間，如圖1b所示。

圖1 列車振動時程曲線及頻譜分析

2.3 有限元數值建模

為了模擬基坑在開挖時土層內力變化，以及混凝土排樁、冠梁、混凝土支撐、鋼支撐和土層之間的共同作用，建立項目的三維整體有限元模型[4-6]。

有限元數值模型中，混凝土排樁、冠梁、混凝土支撐和鋼管支撐按標準彈性材料，采用beam188梁單元模擬；地層采用三維實體單元solid45模擬分析。模型單元劃分49 760個，地層土體單元44 080個，混凝土排樁單元4 112個，鋼筋混凝土支撐單元1 328個，鋼管支撐單元240個。深基坑邊界設置條件為:側向邊界受X軸和Z軸水平位移約束；基坑底部邊界受到Y軸方向豎向位移約束；地面為無約束邊界，不受方向限制。

基坑土層有限元模型以及支撐有限元模型如圖2所示。

圖2 深基坑有限元模型

模型的初擬建形態，首先對各層土在自身重力情況下進行分析，再將位移歸零，并且設置混凝土排樁進行穩定分析[7]。考慮每層開挖設置支撐時，每個重要關節單元功能按照逐層設置支撐的步驟，逐個激活各層支撐，實現對各層支撐的模擬。每一層支撐在混凝土排樁變形以后施加，利用改變節點位置的數值增減來實現。降水造成的地下水位變化采用水壓力施加給混凝土排樁來分析，基坑各層開挖采用土單元的重要關節功能來模擬。

2.4 模擬計算工況設計

合理的施工工序能夠保證基坑結構穩定、縮短工期和降低成本[8]。本項目擬定的施工工序如下:

(1)建立施工圍擋，破除既有道路及路面，按一定工序施作混凝土排樁、格構柱；待灌注樁混凝土達到一定強度后，施作旋噴止水帷幕；止水帷幕封閉后，布置疏干井；破除排樁樁頭，施工混凝土冠梁及擋土墻。

(2)基坑挖深至第1道混凝土支撐底面以下0.5 m標高時，為第1工況；設置第1道混凝土支撐，為第2工況；施作樁間網噴混凝土，至基底設計標高。

(3)基坑挖深至第2道鋼管撐底面以下0.5 m標高時，為第3工況；設置第2道鋼管撐，為第4工況；施作樁間網噴混凝土，至基底設計標高。

(4)基坑挖深至第3道鋼管撐底面以下0.5 m標高時，為第5工況；設置第3道鋼管撐后挖至坑底，為第6工況；施作樁間網噴混凝土，至基底設計標高。

2.4.1 土層變形計算結果

通過模擬計算基坑開挖全過程，提取各工況下的土層側向變形。通過分析可知，第1工況下土層水平方向最大變形為3.361 mm；第2工況下土層水平方向最大變形為2.40 mm；第3工況下土層水平方向最大變形為4.736 mm；第4工況下土層水平方向最大變形為4.742 mm；第5工況下土層水平方向最大變形為6.973 mm；第6工況下土層的水平方向最大變形為6.986 mm。變化較為明顯，基坑土方逐層開挖對地面沉降變形影響比較大。圖3為第3工況和第5工況情況下土層側向變形云圖。

圖3 施工過程土層側向變形云圖

2.4.2 排樁和支撐應力計算結果

不同工況下，混凝土排樁和內支撐軸向應力變化通過分析計算，第1工況下混凝土排樁和鋼管撐軸向應力最大值為0.102 MPa；第2工況下混凝土排樁和鋼管撐軸向應力最大值為0.597 MPa；第3工況下混凝土排樁和鋼管撐軸向應力最大值為0.637 MPa；第4工況下混凝土排樁和鋼管撐軸向應力最大值為5.07 MPa；第5工況下混凝土排樁和鋼管撐軸向應力最大值為5.6 MPa；第6工況下混凝土排樁和鋼管撐軸向應力最大值為5.6 MPa。均在規范允許范圍內。

3 開挖過程現場監測分析

本基坑屬于特大型深水基坑，存在較大的安全風險。在施工中對其開展實時監測，及時根據結構的變形和受力情況進行調整，確保施工安全；并且通過實際監測數據與數值計算結果進行比較，對有限元計算和設計的合理性進行檢驗，為以后同類型工程的設計提供借鑒。

3.1 監測項目和監測點布置

根據工程特點，主要進行混凝土排樁及立柱樁沉降監測[9]、混凝土排樁頂部水平位移監測、混凝土支撐及鋼支撐應力以及地下水位監測。監測點布置如圖4所示，其中G0～G14表示混凝土排樁沉降監測布置點；D1～D9表示立柱樁沉降監測布置點；B0～B13表示混凝土排樁頂部水平位移監測布置點；F1～F5表示混凝土支撐軸向應力監測布置點；Y1～Y5表示鋼支撐表面應力監測布置點；C1～C5表示地下水位監測布置點。

圖4 監測點平面布置

3.2 監測數據分析

(1)混凝土排樁和立柱樁沉降量

通過在混凝土排樁頂部冠梁對應位置和立柱樁頂部對應位置設置監測點，監測施工過程中排樁和立柱樁的沉降量，經過分析剔除異常數據后得到所需基礎數據，如圖5所示。

圖5 樁的沉降量變化曲線

從圖5可以看出，整個開挖過程沉降穩定，未出現日變化量或累計變化量超限的情況。整個監測過程沉降變化較為穩定，混凝土排樁和立柱樁沉降量都處在可控范圍內。

(2)混凝土排樁水平側移

通過在混凝土排樁頂部冠梁設置測點，監測施工過程中排樁水平側移，經過分析剔除異常數據后得到所需基礎數據[10]，如圖6所示。整個開挖過程側移穩定，未出現日變化量或累計變化量超限的情況，混凝土排樁水平位移變化量都處在可控范圍內[11]，且與有限元數值計算結果相近。

圖6 排樁水平側移變化曲線

(3)支撐應力

施工過程中對混凝土支撐和鋼支撐進行應力監測，數據如圖7所示。

圖7 支撐應力變化曲線

施工初期混凝土支撐軸力變化起伏不大，支撐結構整體較為穩定。4月20日以后為配合深基坑坑底作業，基坑整體快速降水，基坑原有穩定性暫時性改變，軸力出現較大波動，通過與其他監測數據對比綜合分析，認為基坑整體穩定性處于可控范圍，且與有限元數值計算結果變化趨勢一致。

在鋼板樁內側斜撐設置表面應力計監測開挖過程中整個鋼板樁結構受力情況[12]。由圖7可知，只有鋼斜撐受力變化較為明顯，4月26日以后基本穩定，處于可控范圍內，且與有限元數值計算結果變化趨勢一致。

4 結論

(1)根據基坑支護系統建立三維有限元模型經計算分析，混凝土排樁及立柱樁變形、混凝土支撐和鋼管撐應力都小于容許值，基坑設計合理。

(2)基坑各項監測數據顯示，作用在每一層混凝土支撐和鋼管撐上的軸向力并不是隨著開挖深度的增加而逐漸增大，而隨著不同工況的推進呈波動變化特征，且監測數據與數值分析一致。數值分析和監測過程精準地掌握了基坑在各種工況下的應力和位移，確保了在基坑安全穩定的情況下施工。

(3)理論計算結果和實際監測數據的變化趨勢基本相同，表明數值分析時建立的模型合理，參數選取可靠。