鄰近高鐵深基坑開挖坑外變形規律研究

楊義皊

（上海鐵大建設工程質量檢測有限公司，上海 200333）

1 引言

深基坑開挖過程中必須保證基坑自身變形和控制鄰近建（構）筑物變形范圍符合標準?；娱_挖后坑內土體卸除改變了坑外土體應力狀態，導致坑外土體產生變形，變形超過鄰近建（構）筑物變形控制標準勢必影響建（構）筑物安全，因此，控制基坑本體變形是減小鄰近建（構）筑物變形的關鍵。當深基坑鄰近運營高鐵時，由于高鐵變形控制標準極其嚴格，一旦變形超過鄰近高鐵變形控制標準，勢必影響高鐵運營安全，因此對深基坑開挖控制變形提出了更為嚴格的要求。關于基坑開挖引起周邊環境變形，國內外眾多學者進行了研究，但運營高鐵旁近距離深基坑開挖方面的研究甚少，尤其在坑外不同位置土體位移變化規律方面更少。文章依托具體工程實例，采用數值計算和現場監測手段，對深基坑開挖過程中基坑本體和坑外土體及鄰近高鐵位移進行分析研究，以便得出基坑開挖引起的坑外土體位移變化及傳遞規律，供以后類似工程參考和借鑒。

2 工程概況

上海市軌道交通機場聯絡線1號風井基坑工程位于七寶站與華涇站區間，小里程接明挖入地段，大里程接盾構段，基坑為盾構始發井兼中間風井，起訖里程為DK6 + 490.1～DK6 + 646.2，總長為156.1 m。圍護結構采用地連墻+內支撐支護型式，除2號～5號基坑靠近西邊滬杭鐵路側采用1.5 m厚地連墻外，其余地連墻均厚1.2 m、圍護深度40～56 m、開挖深度16.657～25.533 m，支撐方式為鋼筋混凝土支撐+鋼支撐，并采取5段分坑措施。1號風井基坑工程四周環境復雜，基坑西側為滬昆高鐵，距滬杭高鐵下行線路基坡腳最近距離約為10.6 m，為確保高鐵行車安全，減少基坑開挖對滬杭高鐵影響，鄰近滬杭高鐵側距圍護結構外側3 m位置打設1排φ1 m、間距1.2 m的鉆孔樁做隔離，樁長與地連墻同長。鉆孔樁頂部采用系梁與地連墻的頂冠梁連接，系梁水平間距為6 m。1號風井5 個基坑與滬杭高鐵關系示意圖如圖1所示。

3 數值計算分析

3.1 計算模型

采用有限元計算軟件Plaxis 3D對明挖段和 1 號風井基坑開挖及回筑施工過程進行數值模擬，模型中土體采用小應變土體硬化本構模型。既有滬杭高鐵路基下樁基采用Embedded樁單元模擬，樁板結構板采用線彈性實體單元進行模擬?；訃o結構、隔離樁、工程樁等新建樁基采用線彈性實體單元模擬，內支撐、立柱及系梁采用線彈性梁單元模擬。圍護結構實體單元厚度按抗彎剛度等效原則確定，并采用等效面荷載的形式模擬泥漿護壁。沿x、y、z3個方向的尺寸分別為 250 m、120 m、80 m，模型如圖2所示。

3.2 計算工況

根據工程具體情況，有限元模擬計算共劃分 22個計算工況，如表1、圖3所示。

表1 計算工況

3.3 計算分析

根據上述施工過程模擬計算，選取滬杭高鐵距離機場線路基最近的鐵路股道作為分析對象，其股道中心距圍護結構外邊緣最近為 13.04 m。將不同工況下滬杭高鐵股道累計水平位移計算曲線繪制如圖4所示，最終，最大水平位移為1.94 mm。其中工況1、工況2分別為整個區域隔離樁和地連墻圍護結構施工工況，該階段引起的高鐵最大水平位移為0.44 mm，占比22.68%，即基坑開挖前期影響高鐵位移量約占整體位移量的1/5，最大位移位于5號基坑中部位置；工況 3 ～工況9分別為1號風井5號基坑分層開挖及回填階段，隨著基坑開挖深度的增加，高鐵位移不斷增大，工況9基坑底板、中板、側墻及頂板并拆除支撐完成后高鐵最大水平位移為1.26 mm，位移量占總位移量64.95%，階段位移量為0.82 mm，占總位移量42.27%，最大位移仍位于5號基坑中部位置；工況10～工況16為一期明挖基坑開挖階段，工況16一期明挖基坑依次澆筑底板、中板、側墻及頂板，支撐拆除后，高鐵最大水平位移為1.64 mm，位移量占總位移量84.54%，階段位移量為0.38 mm，占總位移量19.59%，最大位移位置呈現逐漸向明挖段移動趨勢；工況17～工況22為二期明挖基坑開挖階段，工況22二期明挖基坑依次澆筑底板、中板、側墻及頂板，支撐拆除后，高鐵最大水平位移為1.94 mm，位于4號基坑位置，其中5號基坑位置高鐵最大位移為1.88 mm。

4 監測分析

4.1 監測點布置

為保證基坑自身變形及鄰近滬杭高鐵變形在安全控制范圍內，對基坑本體和坑外滬杭高鐵布置了一系列監測點，以研究基坑及坑外環境變形。為此，布置了基坑圍護結構、隔離樁、滬杭高鐵路基、滬杭高鐵支承層的位移監測點以及圍護結構測斜和土體測斜監測點如圖5所示。

4.2 監測數據分析

4.2.1 測斜監測分析

5號基坑開挖深度最深，基坑圍護結構邊緣距離滬杭高鐵距離最近，選取5號基坑施工過程中，圍護結構測斜、圍護結構和隔離樁間土體測斜以及隔離樁外土體測斜繪制曲線如圖6所示，以下結合施工工況對監測數據進行分析。

（1）結合施工工況，基坑第1層土方開挖，圍護體變形穩定，未出現較大變形，2021年3月10日之后，由于基坑暴露時間較長，圍護體變形速率明顯加快，至3月15日第2道混凝土支撐澆筑完成，圍護結構最大位移接近7 mm，變形速率達到1 mm/天，在此期間坑外土體側向位移也表現為迅速增大；3月15日—3月25日，基坑第2層土方施工期間，由于開挖深度較淺，第2道混凝土支撐逐漸產生強度，對基坑變形控制作用較明顯，因此，本層土方施工期間圍護體變形基本穩定，僅有輕微變形趨勢。

（2）3月25日— 3月31日，基坑第3層土方施工期間，隨著開挖深度增加，暴露時間增加，基坑再次出現加速變形狀態，至3月31日第4道混凝土支撐施工完成，鐵路側圍護體測斜位移累計最大值13.87 mm； 3月31日— 4月11日，基坑第4層土方施工期間，受第4層混凝土支撐的控制作用，本層圍護體變形速率再次減緩，但由于本層施工時間較長，基坑暴露時間較久，至第5道鋼支撐施工完成時，鐵路側圍護體測斜位移累計最大值16.61 mm，坑外土體深層位移達到17.16 mm，隔離樁外土體深層位移達到12.34 mm。

（3）4月11日— 4月17日，基坑第5層土方施工期間，因開挖深度較深，圍護體變形速率始終較快，至第6道混凝土支撐施工完成，鐵路側圍護體測斜位移累計最大值18.03 mm， 4月17日至結構施工完成，第6層土方開挖及第7道鋼支撐施工，圍護體變形速率基本一致，累計變形繼續增加，至鐵路側圍護體測斜位移累計最大值21.93 mm，圍護結構和隔離樁間土體測斜位移最大20.65 mm，隔離樁外土體測斜孔CX5-3位移最大值14.44 mm。

（4）整體分析，隨著基坑開挖深度不斷增加，圍護結構測斜、圍護結構和隔離樁間土體測斜位移以及隔離樁外土體測斜位移均不斷迅速增大。各位移最終變化值為：圍護結構CX112測斜孔最大位移20.99 mm，位于深度19 m處；圍護結構和隔離樁間土體測斜孔TX43最大位移20.65 mm，位于土體深度19 m處；CX5-2測斜孔最大位移21.93 mm，位于土體深度22 m處；隔離樁外土體測斜孔CX5-3最大位移14.44 mm，位于土體深度22.5 m處。從各監測點變化值分析，圍護結構、圍護結構和隔離樁間土體測斜位移累計值較接近，且產生最大位移的深度基本處于同一位置，說明圍護結構和圍護結構外一定范圍內的土體基本呈整體朝向基坑側變形，但隔離樁外側土體測斜位移明顯減小，說明隔離樁對于隔斷坑外土體位移起到顯著控制作用，從而對減小隔離樁外滬杭高鐵變形起到重要作用。

（5）基坑開挖期間，各圍護體測斜變形趨勢一致，變形曲線及變形速率基本一致，符合變形規律。5號基坑開挖期間，隨著開挖深度加深，圍護結構測斜累計最大位移逐漸增大，最大位移位置逐漸下移，符合變形規律；5號坑基坑開挖期間，基坑前期變形速率較小，隨基坑暴露時間增加，變形速率逐漸增大，符合變形規律；5號坑基坑開挖期間，隨著開挖進度的加快，時空效應的變形響應時間逐漸縮短，后續逐漸出現開挖后，立刻出現變形增大現象，符合變形規律。

4.2.2 位移監測分析

整個基坑開挖及結構澆筑施工期間，圍護結構頂部、隔離樁頂部、高鐵路基、高鐵支承層水平位移曲線圖如圖7所示，下面將結合施工工況對監測數據進行分析。

（1）圍護結構頂部水平位移相對圍護結構深層位移變化量較小，頂部位移最大值為-7.3 mm，且呈現朝向基坑外位移，圍護結構頂部位移之所以呈現朝向基坑外位移與圍護結構深層位移呈現較大的基坑內變形而導致頂部為反彎點有關。

（2）隔離樁頂部位移監測點在前期基坑期間相對變化較小，在3月31日基坑第3層土體開挖完成后，雖然圍護結構和坑外土體位移較大，但隔離樁頂部水平位移僅為2 mm左右，說明基坑開挖較淺時，隔離樁抵抗變形的能力非常顯著，后續隨著基坑開挖深度加大，坑外深層土體位移加劇，在坑外土體整體發生較大位移后，隔離樁頂部位移增速明顯，最終水平位移為11.8 mm。

（3）滬杭高鐵路基監測點和支承層位移監測點在4月22日之前變化較穩定，累計變化值均較小，在4月22日路基監測點水平位移達到2.7 mm，支承層監測點水平位移達到1.9 mm，達到了預警值控制標準；前期鐵路變形值之所以較小，與土體變形增加較緩，變形時間延遲有關；后續底板澆筑之前，高鐵監測點變形繼續增大，底板澆筑完成，基坑自身變形較穩定后，鐵路路基及支承層監測點位移也逐漸趨于穩定。

5 數值及監測對比分析

前文分別對數值計算結果和監測數據實際值結合施工工況進行了分析，數值計算結果表明基坑開挖引起的5號基坑對應滬杭高鐵水平位移變化量為1.88 mm，滬杭高鐵監測實測值為2.7 mm，從變化絕對值上看，實測結果相較數值模擬計算結果偏大，結合現場施工實際情況分析，實測值偏大的原因與基坑開挖期間基坑暴露時間較長，且與坑外受施工機械等重型荷載和動荷載影響有關。

6 結論

文章采用數值計算和現場監測，對上海市軌道交通機場聯絡線1號風井施工期基坑本體和鄰近滬杭高鐵變形趨勢進行了研究分析，結論如下。

（1）各圍護結構測斜變形趨勢一致，變形曲線及變形速率基本一致，隨著開挖深度的加深，圍護結構測斜累計最大位移逐漸增大，最大變形位置逐漸下移，符合變形規律。

（2）整個施工過程中，圍護結構、圍護結構和隔離樁間土體深層位移累計值較接近，且產生最大位移的深度基本處于同一位置，說明圍護結構和圍護結構外一定范圍內的土體基本呈整體朝向基坑側變形，但隔離樁外側土體深層位移明顯減小，說明隔離樁對于隔斷坑外土體位移起到了顯著控制作用，從而對減小隔離樁外滬杭高鐵變形起到重要作用。

（3）基坑開挖前期高鐵路基變形之所以較小，與土體變形增加較緩，變形時間延遲有關。臨近底板澆筑之前，高鐵監測點變形繼續增大，底板澆筑完成、基坑自身變形較穩定后，高鐵路基及支承層監測點位移也逐漸趨于穩定。