雜填土－強(qiáng)風(fēng)化巖地層中下穿鐵路通道工程的開挖穩(wěn)定性分析

王樹峰，趙浚程，龔 政，劉鑫章，周 越

（1.中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司，湖北 十堰 442000；2.武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引言

隨著城市發(fā)展水平的不斷提升，市政道路工程的建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，市政道路與既有鐵路或公路之間相互縱橫交錯的情況也越發(fā)常見，通常需要在交錯位置采用下穿通道的建設(shè)方案以盡量減少對上方道路正常運(yùn)營的干擾。淺埋下穿通道主要以明挖法為主［1，2］，其施工穩(wěn)定性尤為重要，不僅影響下穿結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量也關(guān)系到上部道路工程的使用壽命，一般采用現(xiàn)場監(jiān)控量測和數(shù)值分析等方法來對其進(jìn)行評估分析。在現(xiàn)場監(jiān)控量測方面，繆揚(yáng)揚(yáng)［3］通過監(jiān)測地表沉降、坡頂（樁頂）水平位移、支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力和水位等變化情況，全方位地確保某一道路口改造工程（下穿通道）的施工安全性?；诂F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，丁錕［4］對某快速公路下穿通道的開挖穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時分析，通過適時調(diào)整支護(hù)措施以避免周圍地層產(chǎn)生過大位移。在數(shù)值分析方面，張龍等［5］開展三維有限元分析研究了砂巖中下穿通道開挖對上方高速公路的影響，得到了高速公路路面沉降與支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的演化規(guī)律，從而對該高速公路的安全性進(jìn)行了系統(tǒng)評價。張文奇［6］應(yīng)用有限差分軟件 FLAC 3D 研究了地下人行通道施工對鄰近管線的影響，該研究表明地下通道施工所致管線的沉降分布規(guī)律與 Peck 經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測值較為吻合，且管線的最大沉降值逼近規(guī)范所允許的最大控制值，并給出了相應(yīng)的加固控制建議?；诙S有限元分析，郭磊等［7］比較了不同開挖工法（分別為臺階法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD 法和 CRD 法）下穿地下通道施工對高鐵沉降的影響，發(fā)現(xiàn)采用 CRD 開挖工法所致的地表沉降最小。王淑敏［8］結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測和三維有限元分析探究了軟土區(qū)下穿通道開挖施工對高速鐵路鋼構(gòu)橋及路基的影響，發(fā)現(xiàn)高鐵橋梁及路基均產(chǎn)生了較為明顯的隆起效應(yīng)。

本文以十堰市林蔭大道 3 號線下穿東風(fēng)鐵路通道工程為研究對象，采用現(xiàn)場監(jiān)測與三維有限元分析相結(jié)合的方式對雜填土-強(qiáng)風(fēng)化巖層中下穿通道的開挖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，相關(guān)研究結(jié)果可為類似工程的實(shí)施提供參考依據(jù)。

1 工程概況

十堰市林蔭大道 3 號線下穿東風(fēng)鐵路通道工程位于林蔭大道 3 號線 K0+155（中心樁號）位置處，起點(diǎn)武當(dāng)路至東風(fēng)鐵路處兩側(cè)均有高層建筑及幼兒園等建筑物，環(huán)境較為復(fù)雜，其中東風(fēng)鐵路位于 K0+155 山坡坡頂處，與坡腳高差約為 20 m，其平面示意如圖 1 所示。

圖1 下穿通道平面示意圖

如圖 2 所示，下穿通道的主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)澆的施工方式。在箱涵結(jié)構(gòu)施工前，為確保土方開挖的穩(wěn)定性，采用實(shí)心鋼筋混凝土方樁進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)樁與 D 便梁協(xié)同支撐上部鐵軌重量及列車行駛荷載。箱涵結(jié)構(gòu)與支護(hù)樁采用永臨結(jié)合設(shè)計(jì)方法，可避免箱涵結(jié)構(gòu)附近支護(hù)樁的拆除和 D 便梁及其它輔助構(gòu)件（如萬能桿件）的拆換，實(shí)現(xiàn)箱涵結(jié)構(gòu)的整體式施工，極大地提高了施工效率及降低了經(jīng)濟(jì)成本。

圖2 地下通道中支護(hù)結(jié)構(gòu)和箱涵結(jié)構(gòu)示意圖

箱涵結(jié)構(gòu)與支護(hù)樁埋深范圍主要分布有雜填土和強(qiáng)風(fēng)化絹云石英片巖層。雜填土特征為雜色、松散、不均勻、高壓縮性，主要成分為開山的碎巖塊、巖屑、巖粉及黏性土等，局部含塊石、建筑垃圾等，其工程分級為 Ⅲ 級硬土。強(qiáng)風(fēng)化絹云石英片巖層的特征為灰黃色至青灰色，具有變晶結(jié)構(gòu)和片狀構(gòu)造，主要礦物成分為石英、鈉長石和絹云母，巖體組織結(jié)構(gòu)基本破壞，完整性差，巖體破碎，巖芯主要為針狀巖渣，屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為 Ⅴ 級，局部夾中風(fēng)化薄層，其工程分級為Ⅳ 級軟石。

2 監(jiān)測項(xiàng)目及測點(diǎn)布置

林蔭大道 3 號線下穿東風(fēng)鐵路通道工程的監(jiān)測內(nèi)容包括支護(hù)樁-軌道系統(tǒng)及周邊地表的位移響應(yīng)，具體監(jiān)測項(xiàng)目及布設(shè)要求如表 1 所示，測點(diǎn)布置如圖 3 所示。

表1 監(jiān)測項(xiàng)目及布設(shè)要求

圖3 測點(diǎn)平面布置圖

3 有限元建模

采用有限元軟件 ABAQUS 對下穿通道的基坑開挖過程進(jìn)行了精細(xì)化模擬分析。如圖 2 所示，地勘資料表明該施工區(qū)域土體分為兩層，從上至下依次為雜填土以及強(qiáng)風(fēng)化巖。以各層土的平均厚度確立有限元模型的豎向尺寸，如圖 4 所示。考慮到支護(hù)結(jié)構(gòu)、下穿通道基坑及土層均呈左右對稱布局，為提高計(jì)算效率，僅需建立土體-支護(hù)樁-上部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的半對稱三維有限元模型。基于剛度及質(zhì)量等效原則，采用上部結(jié)構(gòu)來模擬 D 便梁及列車軌道。初步數(shù)值分析表明，當(dāng)模型底部與樁底之間距離超過 4 倍樁徑及水平邊界（軌道軸向）長度超過 40 倍樁徑時邊界效應(yīng)對分析結(jié)果的影響可忽略不計(jì)，最終確立土體模型的尺寸為 60 m×21.6 m×26 m，如圖 4 所示。模型共采用 41 204 個六面體單元，支護(hù)樁與上部結(jié)構(gòu)之間采用綁定連接，土體與支護(hù)樁及上部結(jié)構(gòu)之間的作用效應(yīng)采用摩擦型接觸面來模擬，除頂面外，模型其余邊界均采用法向約束邊界條件。土體選用摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）彈塑性模型來模擬，支護(hù)樁及上部結(jié)構(gòu)采用線彈性模型?；诂F(xiàn)場勘察及設(shè)計(jì)資料，確立土體、支護(hù)樁及上部結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)如表 2 所示。

圖4 三維有限元模型

表2 材料參數(shù)表

實(shí)際工程中，支護(hù)樁為現(xiàn)澆鋼筋混凝土灌注樁，待樁身強(qiáng)度滿足要求時，采用 D 便梁對軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行托架，之后進(jìn)行下穿通道的基坑開挖施工?；硬捎梅旨壏牌麻_挖方式，開挖范圍內(nèi)的土層皆為雜填土；第一級開挖深度為 6 m，坡率為 1∶1，第二級開挖深度為 7.3 m，坡率為 1∶1.5。對應(yīng)于實(shí)際的基坑施工工況，三維有限元分析中每一級的基坑開挖包含若干個施工步。在每個施工步中，采用 Model Change 命令來實(shí)現(xiàn)模擬的開挖工況與實(shí)際工況一一對應(yīng)，基坑開挖完成后的三維有限元模型如圖 5 所示。

圖5 開挖完成后三維有限元模型

4 計(jì)算結(jié)果與分析

按照以上施工工序進(jìn)行了基坑開挖的模擬分析，獲得了開挖過程中周邊地表、支護(hù)樁頂及上部結(jié)構(gòu)的位移變化數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

基于數(shù)值分析和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，圖 6～8 依次給出了周邊地表、支護(hù)樁頂、上部結(jié)構(gòu)豎向位移的典型對比曲線圖。

圖6 基坑開挖過程中地表沉降的實(shí)測與計(jì)算結(jié)果對比圖

由圖 6 可知，相對于實(shí)測數(shù)據(jù)，施工完成后地表沉降計(jì)算值略小，在監(jiān)測點(diǎn) Z 6 和 Z 9 分別小約 7 % 和 15.6 %；現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值分析結(jié)果均表明，相對于監(jiān)測點(diǎn) Z 9，監(jiān)測點(diǎn) Z 6 處的地表沉降值相對較小，這主要是由于監(jiān)測點(diǎn) Z 6 離支護(hù)樁的距離更近。由圖 7可知，一方面，越靠近基坑中心位置，支護(hù)樁的豎向位移越大，距離基坑中心最遠(yuǎn)的支護(hù)樁（監(jiān)測點(diǎn) L Z1）的豎向位移小于 0.5 mm，而基坑中心處支護(hù)樁（L Z6 監(jiān)測點(diǎn)）的豎向位移最大值接近 2 mm；此外，相對于現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，基坑中心處支護(hù)樁（L Z6 監(jiān)測點(diǎn)）豎向位移的計(jì)算值偏大 31 %；另一方面，如圖 8 所示，與實(shí)測數(shù)據(jù)相比，上部結(jié)構(gòu)監(jiān)測點(diǎn) G 1 和 G 3 豎向位移的計(jì)算值分別偏小約 35.9 % 和 36.2 %，這主要是因?yàn)閷?shí)際施工過程中 D 便梁及列車軌道還會受到列車行駛荷載的影響，而本文數(shù)值分析中忽略了列車荷載效應(yīng)的影響。

圖7 基坑開挖過程中支護(hù)樁頂部豎向位移的實(shí)測與計(jì)算結(jié)果對比圖

圖8 基坑開挖過程中上部結(jié)構(gòu)（軌道）豎向位移的實(shí)測與計(jì)算結(jié)果對比圖

此外，在基坑開挖過程中，除了上述地表、支護(hù)結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)的豎向位移外，還有必要對坡頂水平位移進(jìn)行定期監(jiān)測。如圖 9 所示，邊坡坡頂?shù)乃轿灰齐S開挖深度的增加而逐漸增大，正值表示變形朝向基坑一側(cè)發(fā)展。以邊坡監(jiān)測點(diǎn) D 5 為例，實(shí)測水平位移最大值為 3.6 mm，數(shù)值解最大值為 4.3 mm，數(shù)值解高估坡頂水平位移約 19.4 %。

圖9 基坑開挖過程中坡頂水平位移的實(shí)測與計(jì)算結(jié)果對比圖

綜上所述可知，數(shù)值分析與現(xiàn)場實(shí)測所獲的位移數(shù)據(jù)在變化趨勢及最終數(shù)值上均基本吻合。總體而言，在周邊地表沉降、支護(hù)樁豎向位移等方面數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測值的吻合度相對更高，除了周邊地表及上部結(jié)構(gòu)豎向位移外，數(shù)值計(jì)算最大值均在一定范圍內(nèi)略大于對應(yīng)的實(shí)測值。現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬結(jié)果分析表明，下穿通道開挖過程中基坑周邊地表、支護(hù)樁及上部結(jié)構(gòu)位移變形較小，施工穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)論

本文以十堰市林蔭大道 3 號線下穿東風(fēng)鐵路通道工程為背景，采用有限元軟件 ABAQUS 建立三維數(shù)值模型，開展下穿通道基坑開挖過程的數(shù)值模擬分析，并將模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，以檢驗(yàn)該下穿通道的開挖穩(wěn)定性，得到以下結(jié)論。

1）通過對比不同位置處位移響應(yīng)的現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值分析數(shù)據(jù)可知，三維有限元分析能較好地重現(xiàn)下穿通道基坑開挖的施工過程；由于數(shù)值分析中忽略了軌道上方列車荷載的作用效應(yīng)，上部結(jié)構(gòu)豎向位移的計(jì)算值相對偏小。

2）現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果表明，支護(hù)樁及列車軌道的沉降主要發(fā)生在基坑開挖區(qū)域；支護(hù)樁及列車軌道的豎向變形及差異沉降均很小，不影響列車的正常通行。

3）數(shù)值分析及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)均表明，下穿通道基坑開挖所致的周邊地表、支護(hù)樁及列車軌道的位移變化均在規(guī)范允許范圍之內(nèi)，表明基坑的開挖穩(wěn)定性可控，且其開挖方案、支護(hù)體系的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場監(jiān)測方案均較為合理有效。Q