緊鄰鐵路深厚淤泥層基坑支護對策及影響研究

于廷新

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

沿海地區淤泥層深厚，具有高壓縮性、高含水量、低承載力、流塑的顯著特點。此類地層中基坑開挖變形大，難控制。緊鄰既有鐵路的此類基坑開挖日益增多，造成既有鐵路位移和沉降超標，嚴重影響安全運營[1-2]。目前沿海地區鐵路旁深厚淤泥層基坑支護設計對策、變形規律影響研究尚不成熟[3-5]。

一些學者針對基坑影響開展了相關研究。王菲、馬寧[6-7]分別采用ABAQUS軟件中Drucker-Prager模型、莫爾庫倫模型分析基坑開挖對既有鐵路橋基礎、路基變位的影響。閆周福、劉少煒[8-9]采用FLAC軟件中的莫爾庫倫模型分析了基坑加固體、地連墻、支撐剛度對周邊環境的影響。周衡[10]對某鐵路沿線某小基坑開挖監測結果進行了簡單分析，來驗證支護設計。廖俊展[11]對軟土應力各向異性對基坑開挖后土體變形進行了研究。付小雁[12]采用二維簡單平面模型分析基坑開挖影響既有鐵路軌道不平順的因素。劉玉恒[13]采用簡單模型研究了基坑設置內支撐前后土體的變形，對理論計算與數值分析進行對比。石鈺鋒[14]采用FLAC的莫爾庫倫模型研究了偏壓基坑的圍護內力、周邊位移，分析了列車動載的影響。魯四平[15]采用ANSYS有限元模型研究了基坑開挖時恒載、溫度對力學性能影響。上述學者雖然就基坑開挖對周邊土體變形的影響進行了一定的研究，但一般采用簡單的莫爾庫倫等模型，與實際相差較大。根據徐中華、王衛東等對基坑數值分析中土體本構模型的研究，建議敏感環境下選擇小應變土體硬化模型(HSS)[16]，緊鄰鐵路的深厚淤泥層基坑環境要求非常苛刻、敏感、精確，故應選擇此模型。目前與鐵路相關基坑項目用實測結果來驗證理論計算及數值分析結果合理性的成果較少[17-18]。本文依托緊鄰鐵路的沿海深厚淤泥層基坑實例，采用小應變土體硬化模型(HSS)進行三維數值分析，并對各施工階段進行現場監測，對被動區加固等支護對策、土體及鐵路變形規律進行研究。

2 工程概況

溫州市域鐵路運營控制中心工程，為溫州市域鐵路S1～S4線4條線路運營指揮及管理中心，地上22層，建筑總高度96.0 m，地下2層。基坑面積約10 000 m2，基坑開挖深度12～17 m。由于需要與溫州市域鐵路S1線同時投入運營，故工期十分緊張。基坑工程是整個控制中心工程的重中之重。基坑北側距溫州大道僅10 m；南側距既有金溫鐵路僅15 m，既有金溫鐵路為路基，運營車次多，線路繁忙，沉降、變形要求極為嚴格；周邊存在較多磚混結構民房；東側為含一層地下室的民政大廈。根據JGJ120—2012《建筑基坑支護技術規程》，本基坑安全等級為一級。

3 工程地質與水文地質條件

3.1 工程地質條件

擬建場地屬浙東南沿海淤積平原地貌，2-1層及2-2層淤泥厚度大，達25 m，自上而下各土層物理力學參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數表

3.2 水文地質條件

基坑影響范圍內地下水為孔隙潛水，地下水位埋深為0.5～0.7 m。

4 基坑圍護設計對策

由于鐵路位移和沉降要求嚴格，而深厚淤泥基坑開挖變形大，通過多種方案比選，應選擇樁(墻)撐支護體系。可供選擇的支護樁(墻)有地下連續墻、鉆孔樁、SMW工法樁，地下連續墻造價高，SMW工法樁剛度小，故采用鉆孔樁；可供選擇的內支撐有混凝土支撐和鋼支撐，鋼支撐剛度小，故采用混凝土支撐；對于內支撐道數的選擇，為減小鐵路變形，應選擇2道以上支撐；由于淤泥深厚，應設置帷幕止水止住淤泥，效果最好的為三軸攪拌樁。故對緊鄰鐵路的深厚淤泥層基坑最終采用鉆孔樁結合三軸攪拌樁止水帷幕+2道混凝土內支撐支護方案。

經過彈性地基梁法計算、比選設計，鉆孔樁設計為φ1 m@1.2 m，樁頂設置冠梁及第一道混凝土內支撐，支護樁中部設置腰梁及第二道混凝土內支撐。止水帷幕采用φ0.65 m@0.45 m的三軸攪拌樁，本工程立柱樁大部分利用工程樁，其他采用φ0.8 m鉆孔樁，格構柱插入立柱樁頂以下3 m。為減小鐵路位移，需對基坑內土體采用三軸攪拌樁進行被動區加固，被動區加固形式通過后面數值分析及造價比選確定。基坑支護平面、剖面分別見圖1、圖2。

圖1 基坑支護平面(單位：m)

圖2 基坑支護剖面(單位：m)

5 數值分析

5.1 本構模型

在敏感環境基坑中，土體剪應變一般需控制在1×10-4～1×10-3之間。土體剛度隨應變增加而急劇衰減，在小應變階段土體的剛度要遠大于較大應變階段的剛度，相比其他本構模型，HSS模型考慮此特性。

HS模型最先由Schanz(1998)在Vermeer(1978)的雙硬化模型的基礎上提出。該模型在p-q平面內由一個雙曲線型的剪切屈服面以及一個橢圓型的蓋帽屈服面組成。Benz(2007)將小應變范圍內土體剪切剛度與應變的非線關系考慮進HS模型，提出了HSS模型，它在描述土體剪切硬化、壓縮硬化、加卸載、小應變等方面有明顯優勢，較常用本構模型而言更適合于模擬基坑開挖問題[19-20]，故本基坑模型采用HSS模型。

5.2 計算參數

HSS模型的計算參數包括壓縮模量Es、割線模量E50、回彈模量Eur、初始剪切模量G0等，通過勘察報告及經驗公式確定，計算參數如表2所示。

表2 HSS模型計算參數 kPa

5.3 模型建立及工況

采用PLAXIS 3D巖土專用有限元分析軟件，按基坑與金溫鐵路的相對關系，建立三維有限元模型，對基坑開挖對金溫鐵路的影響進行有限元分析。

支護樁采用板單元模擬，冠腰梁、內支撐按梁單元進行模擬。模型邊界條件為邊界左右側設置X向位移約束，前后面設置Y方向約束，模型底邊設置X、Y、Z三向約束。

有限元模型長度為263 m，寬度為172 m，深度為38 m，模型邊界為基坑外6倍基坑深度。有限元網格剖分如圖3所示。

圖3 有限元網格剖分

該模型按照施工先后順序，即分為如下6種工況。

初始工況：初始地基模型，激活所在位置原始土層信息、金溫鐵路。

工況1：模擬施做支護樁、止水帷幕、放坡開挖第一道支撐以上土體。

工況2：模擬施作冠梁、第一道支撐，開挖至第二道支撐底。

工況3：模擬施作第二道支撐、腰梁，開挖至基坑底。

工況4：模擬施作底板換撐，拆除第二道支撐。

工況5：模擬施作地下室樓板換撐，拆除第一道支撐。

對逆工況的工況4、工況5進行計算，發現土體及金溫鐵路位移變化很小，故工況1、工況2、工況3為重點工況，進行詳細分析。

5.4 土體及鐵路變形分析

通過數值分析得到各工況周邊水平位移云圖、沉降云圖。基坑開挖到底后周邊沉降云圖，如圖4所示。

圖4 基坑開挖到底后周邊沉降云圖

提取金溫鐵路股道的位移數據，對其工況1、工況2、工況3下位移進行分析。3種工況下鐵路股道垂直鐵路方向位移曲線如圖5所示(向坑內位移)。

圖5 3種工況下鐵路股道垂直鐵路方向位移曲線

3種工況下鐵路股道沉降曲線如圖6所示。

圖6 3種工況下鐵路股道沉降曲線

3種工況下鐵路股道沿鐵路方向位移曲線如圖7所示(向右位移為正)。

圖7 3種工況下鐵路股道沿鐵路方向位移曲線

從圖5～圖7可以看出：

(1)鐵路股道主要位移產生在工況2、工況3；

(2)鐵路股道沉降及垂直鐵路方向位移較大，兩者數值基本相等，由基坑中部向基坑兩側逐漸減小；鐵路股道沿鐵路方向位移較小，故鐵路股道沉降、垂直鐵路方向位移為研究重點；

(3)基坑中部一半區域的鐵路股道沉降及垂直鐵路方向位移基本相等；

(4)鐵路股道各工況最大位移及沉降如表3所示。

表3 3種工況下鐵路股道最大位移 mm

5.5 被動區加固形式比選

為減小鐵路位移，需對基坑內土體采用三軸攪拌樁進行被動區加固，被動區加固形式有基坑內滿堂加固、鐵路側裙邊加固+其他側墩式加固、全部墩式加固，通過數值模擬對各類被動區加固進行分析，得到其對應的鐵路最大垂直位移，同時對各類被動區加固造價進行測算對比，如表4所示。

表4 各類被動區加固對比

由表4可見，裙邊+墩式加固經濟合理性最佳，比滿堂加固降低造價86.9%，相比墩式加固，減小鐵路位移10.6 mm，故確定對鐵路側被動區采用三軸攪拌樁裙邊加固，加固寬度5 m，加固深度4 m，非鐵路側被動區采用三軸攪拌樁墩式加固，同時坑中坑周邊應采用三軸攪拌樁加固。如圖8所示。

圖8 裙邊+墩式被動區加固示意(單位：m)

6 彈性地基梁法、數值分析與實際監測對比分析

將彈性地基梁法計算、數值計算結果與實際監測[20]所得的樁最大深層水平位移、地表最大沉降、鐵路路基最大沉降進行對比分析，見表5。

表5 彈性地基梁法、數值計算結果與實際監測對比 mm

3種方法所得樁深層水平位移對比曲線、坑外地表沉降對比曲線如圖9、圖10所示。

圖9 3種方法所得樁深層水平位移對比曲線

圖10 3種方法所得坑外地表沉降對比曲線

由圖9、圖10可見，三者曲線形狀基本一致，與實際監測結果相比，彈性地基梁法計算結果偏小，有限元計算結果與實際監測基本吻合，由此可見，采用小應變土體硬化模型的數值分析結果是可靠的，可用其預測基坑及鐵路變形。由圖9可見，樁深層水平位移最大值位于基坑底附近。由圖10可見，坑外地表沉降最大值位于距坑邊1.5倍基坑深度附近。深厚淤泥層基坑影響范圍很大，達5倍基坑深度。

7 結論

(1)對緊鄰鐵路的深厚淤泥基坑一般采用鉆孔樁結合三軸攪拌樁止水帷幕+多道混凝土內支撐+被動區加固支護。與實際監測相比，彈性地基梁法所得土體及鐵路位移偏小；采用小應變土體硬化模型的數值分析與實際監測基本吻合，結果可靠。

(2)深厚淤泥基坑造成鐵路沉降及垂直鐵路方向位移較大，兩者基本相等，由基坑中部向兩側逐漸減小；基坑中部一半區域位移基本相等；沿鐵路方向鐵路位移較小。

(3)對于深厚淤泥基坑，樁深層水平位移最大值位于基坑底附近；坑外地表沉降最大值位于距坑邊1.5倍基坑深度附近；基坑影響范圍很大，達5倍基坑深度。

(4)通過數值分析及對比，對鐵路側被動區采用攪拌樁裙邊加固，其他側被動區采用攪拌樁墩式加固，相比滿堂加固節約造價86.9%；相比墩式加固，減小鐵路位移10.6 mm。同時坑中坑周邊應采用三軸攪拌樁加固。

(5)采用數值分析對基坑及鐵路位移提前預測，保證了深厚淤泥基坑安全開挖、金溫鐵路安全運營。通過基坑及鐵路監測，結果符合設計預期。