相鄰基坑開挖對(duì)高鐵橋梁樁基的影響研究

王振祥

（江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊(duì)，南京 210041）

0 引言

當(dāng)前我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)繁榮，物價(jià)房?jī)r(jià)飛漲，城市用地變得寸土寸金。密集的建筑群引起密集的基坑群施工，相鄰基坑甚至多個(gè)建筑基坑同時(shí)施工的情況也日漸增多，而相鄰基坑開挖，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形、坑底加固模式、周圍環(huán)境等的影響也變得更加復(fù)雜。在基坑的設(shè)計(jì)施工階段必須考慮相鄰基坑開挖產(chǎn)生的相互影響[1]。陳東杰[2]對(duì)上海鐵路南站特長(zhǎng)平行相鄰基坑進(jìn)行了有限元計(jì)算并進(jìn)行工程監(jiān)測(cè)，表明相鄰基坑施工變形影響顯著。顏桂云等[3]研究了雙基坑開挖的空間效應(yīng)，分析了相鄰基坑同步開挖和不同基坑間距對(duì)坑內(nèi)土體沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力位移分布的影響，探討基坑開挖角部剛度效應(yīng)。王磊等[4]分析了相鄰深基坑開挖對(duì)地下管線的埋深、間距、材質(zhì)等6個(gè)方面的位移場(chǎng)變化。沈建等[5]研究相鄰基坑不同施工順序?qū)Ω髯試o(hù)結(jié)構(gòu)變形和支撐體系受力的影響。

文中依托江蘇省某相鄰基坑工程，采用midas/gts建立二維模型，研究鄰近基坑開挖卸荷對(duì)基坑圍護(hù)墻、橋梁樁基的影響，并討論不同開挖順序，圍護(hù)墻深度對(duì)控制樁基附加變形的作用。

1 工程概況

某地鐵車站垂直正穿高速鐵路，位于高鐵正線34～35#橋墩正中間，為地下2層島式車站。車站長(zhǎng)度213.15m，寬度21.7m，大基坑開挖深度約為15.74m，采用明挖順筑法施工，車站主體圍護(hù)基坑采用放坡+坑中坑形式，坑中坑形式采用地下連續(xù)墻+三道內(nèi)支撐體系，主體為單柱雙跨結(jié)構(gòu)型式。車站大基坑地連墻厚度800mm，深度20.1m。三道內(nèi)支撐距放坡后的地面距離分別是0.7、4.14、7.24m，其中第一道撐采用鋼筋混凝土撐，截面700mm×900mm；第二、三道撐采用鋼支撐，外徑609mm，厚度16mm。因基坑開挖寬度大，在大基坑底部設(shè)置一排直徑900mm抗拔樁，樁長(zhǎng)47m。

左右兩側(cè)相鄰承臺(tái)小基坑開挖寬度9.75m，深度4.45m，小基坑外側(cè)圍護(hù)采用拉森鋼板樁，樁長(zhǎng)12m。設(shè)置一道鋼支撐，直徑530mm，厚度10mm，距放坡地面0.5m。左右兩側(cè)承臺(tái)小基坑底部采用直徑1.25m、樁長(zhǎng)76m的鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ)樁，橫橋向各3排，樁間距2.4m。地鐵車站與高速鐵路的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 模型概況

2 模型建立

2.1 土體本構(gòu)模型的選取

當(dāng)前數(shù)值分析在基坑研究與設(shè)計(jì)中的正確運(yùn)用，關(guān)鍵點(diǎn)在于土體本構(gòu)模型及參數(shù)的合理選擇應(yīng)用。徐中華[6]較系統(tǒng)地介紹了巖土數(shù)值分析中常用的土體本構(gòu)模型特點(diǎn)并指出：彈性模型一般不適合基坑工程分析；理想彈塑性模型如摩爾-庫(kù)倫模型（MC），鄧肯-張模型（DP），未考慮應(yīng)力歷史和路徑的影響，且加載和卸荷模量相同，難以同時(shí)獲得合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體變形；硬化類彈塑性模型如修正劍橋（MCC）、硬化土模型（HS）、修正摩爾-庫(kù)倫（MMC），可以反映軟黏土硬化特性，同時(shí)區(qū)分加荷和卸荷，可適用于基坑工程分析。基于以上分析，文中采用midas/gts軟件，土體本構(gòu)模型選擇軟件自帶的修正摩爾-庫(kù)倫（MMC）模型。該模型的土體剛度和破壞參數(shù)主要包括：三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)的參考割線模量Eref50、固結(jié)試驗(yàn)的參考切線模量Erefoed、三軸固結(jié)排水卸載再加載試驗(yàn)的參考卸載再加載模量Erefur。黏性土一般Erefoed=Es、Eref50=2Erefoed、Erefur=3Eref50；冪指數(shù)m=0.5，膨脹角ψ可取為（φ-30°）；失效率Rf一般取為0.9，參考?jí)毫ref一般取100kPa。

表1 土層參數(shù)表

2.2 計(jì)算模型

考慮基坑開挖尺寸效應(yīng)的影響，計(jì)算模型區(qū)域取為177m×100m。模型底部采用全自由度約束，側(cè)面法向約束。針對(duì)二維模型，圍護(hù)墻、承臺(tái)樁基、抗拔樁均采用梁?jiǎn)卧M，彈性本構(gòu)；土體采用MMC本構(gòu)；圍護(hù)墻、樁基與土之間采用goodman接觸面單元模擬。有限元計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

2.3 計(jì)算步驟

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，具體計(jì)算工況如下：①初始地應(yīng)力平衡（已放坡開挖）；②圍護(hù)墻、承臺(tái)樁基施工；③地鐵大基坑第一次開挖0.7m，加一道撐；④大基坑第二次開挖3.5m，加二道撐；⑤大基坑第三次開挖3.1m，加三道撐；⑥大基坑開挖到底，并及時(shí)施加0.2m厚素混凝土墊層；⑦兩側(cè)小基坑同時(shí)一次開挖0.5m，加一道撐；⑧兩側(cè)小基坑坑同時(shí)二次開挖3.95m到底，并及時(shí)施加0.2m厚素混凝土墊層。

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計(jì)文件，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，基坑開挖到坑底時(shí)，圍護(hù)墻及承臺(tái)樁基處于最不利狀態(tài)，因此分析主要針對(duì)大基坑開挖完成（工況⑥）、小基坑開挖完成（工況⑧）進(jìn)行分析。圖3、圖4是地鐵大基坑、承臺(tái)小基坑分別開挖完成后土體水平位移云圖。由圖可知，基坑開挖，由于內(nèi)支撐作用，土體的水平位移均在各自坑底附近達(dá)到最大。承臺(tái)樁基的隔離效應(yīng)，對(duì)土體的位移場(chǎng)起到明顯限制作用。同時(shí)，大小基坑的開挖也使得承臺(tái)樁基受到土體位移作用，產(chǎn)生附加水平位移。

圖3 大基坑開挖完成土體水平位移（單位：mm）

圖4 小基坑開挖完成土體水平位移（單位：mm）

3.1 對(duì)地連墻的影響

圖5表示大、小基坑分別開挖完成后，大基坑圍護(hù)墻的水平位移。由于第一、二道支撐剛度作用發(fā)揮完全，大于坑外主動(dòng)土壓力，因此在深度4m以上，圍護(hù)墻水平位移朝向坑外。4m深度以下，坑外主動(dòng)土壓力發(fā)揮主要作用，圍護(hù)墻向坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)，并在坑底（15.74m）附近達(dá)到最大。因?yàn)榇笮』庸灿脟o(hù)墻，在小基坑開挖完成后，圍護(hù)墻側(cè)向移動(dòng)增加近1mm，表明兩側(cè)小基坑開挖影響圍護(hù)墻側(cè)向移動(dòng)。圍護(hù)墻在整個(gè)開挖過(guò)程中，最大水平位移6mm，小于10mm的預(yù)警值，因此圍護(hù)墻的變形是安全的。

圖5 大基坑圍護(hù)墻水平位移

3.2 對(duì)承臺(tái)樁基的影響

圖6表示大基坑開挖完成后承臺(tái)樁基水平位移。樁基整體位移向基坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)，側(cè)向移動(dòng)規(guī)律一致。3個(gè)樁的樁頂水平位移一致，均為1.95mm。內(nèi)側(cè)樁因距離基坑開挖面最近，外側(cè)樁最遠(yuǎn)，因此從內(nèi)至外，水平位移逐漸減小，最大水平位移4.8mm。

圖6 大基坑開挖完成承臺(tái)樁基水平位移

圖7表示小基坑開挖完成后承臺(tái)樁基水平位移。與大基坑開挖完成相比，小基坑開挖完成后樁基表現(xiàn)出更復(fù)雜的側(cè)向移動(dòng)。小基坑開挖完成后，最靠近大基坑開挖面的內(nèi)側(cè)樁受到圍護(hù)墻的限制約束，側(cè)向移動(dòng)規(guī)律與圖5類似，因小基坑的開挖導(dǎo)致附加側(cè)向位移，最大水平位移5.5mm；最外側(cè)樁開挖時(shí)除了受到大基坑開挖引起側(cè)向移動(dòng)的影響，還受到小基坑外側(cè)鋼板樁開挖時(shí)產(chǎn)生較大水平位移的影響，引起外側(cè)樁產(chǎn)生較大附加側(cè)向移動(dòng)；最外側(cè)樁受到鋼板樁支護(hù)影響較大，最大水平位移在樁頂處；中間樁也受到外側(cè)鋼板樁變形影響，同時(shí)內(nèi)側(cè)圍護(hù)墻也有部分限制作用，因此水平位移介于兩者之間。

圖7 小基坑開挖完成承臺(tái)樁基水平位移

3.3 不同開挖順序的影響

現(xiàn)有的基坑開挖順序是首先地鐵大基坑開挖，然后兩側(cè)承臺(tái)小基坑同時(shí)開挖（大?小）。為研究相鄰基坑不同開挖順序的變形影響，文中還研究以下兩種情況：①先同時(shí)挖小基坑，再挖大基坑（小?大）；②3個(gè)基坑同時(shí)開挖（sametime）。

基于上述分析，因中間樁的水平位移介于內(nèi)外側(cè)樁之間，討論不同開挖順序下內(nèi)外側(cè)樁的水平移動(dòng)。

圖8、圖9分別表示不同開挖順序下，內(nèi)側(cè)樁和外側(cè)樁的水平位移。對(duì)于內(nèi)側(cè)樁，3種工況的變形規(guī)律一致，但小?大開挖模式和sametime模式內(nèi)側(cè)樁的側(cè)向移動(dòng)略小于原有工況，最大水平位移減小量在0.5mm以內(nèi)，因此對(duì)于內(nèi)側(cè)樁，3種開挖模式效果接近。對(duì)于外側(cè)樁，原有工況因受外側(cè)鋼板樁變形影響較大，水平位移最大；小?大開挖模式和sametime模式下，因小基坑開挖深度淺，僅4.45m，同時(shí)大基坑也是在小基坑開挖后或開挖的同時(shí)進(jìn)行，圍護(hù)墻的側(cè)向移動(dòng)是逐漸增加的，不同于大基坑先開挖完成導(dǎo)致圍護(hù)墻側(cè)向移動(dòng)較大，引起樁基側(cè)向移動(dòng)增大。因此基于以上分析，原有工況側(cè)向位移最大，全部同時(shí)開挖現(xiàn)場(chǎng)施工困難，建議采用先開挖小基坑，后開挖大基坑模式。

圖8 內(nèi)側(cè)樁水平位移

圖9 外側(cè)樁水平位移

3.4 拉森鋼板樁的深度影響

根據(jù)文中研究，承臺(tái)小基坑外側(cè)的拉森鋼板樁圍護(hù)影響著外側(cè)樁基的水平位移，因此文中研究鋼板樁不同插入深度對(duì)樁基水平位移的影響。分析工況包括：插入深度8、10、12（現(xiàn)狀工況）、14、16、18、20m。

如圖10，在小基坑開挖深度4.45m時(shí)，針對(duì)鋼板樁的不同插入深度，外側(cè)承臺(tái)樁的水平位移結(jié)果基本一致，可知改變鋼板樁的插入深度并不能有效限制樁身側(cè)向移動(dòng)。針對(duì)拉森鋼板樁，提高鋼板樁樁身剛度是有效的控制途徑。同時(shí)根據(jù)陳東杰的研究分析，相鄰基坑開挖引起的整體變形影響并不因?yàn)閲o(hù)墻剛度變大或變小而消失，在相鄰基坑工程中，采用增大圍護(hù)墻及支撐剛度來(lái)控制變形影響的意義不大。

圖10 外側(cè)樁水平位移

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前城市出現(xiàn)的密集基坑群開挖現(xiàn)象，文中借助江蘇某典型相鄰基坑工程開挖案例，運(yùn)用有限元方法分析相鄰基坑開挖模式、支護(hù)模式對(duì)高鐵橋梁樁基的影響，結(jié)論如下：

（1）對(duì)于相鄰基坑開挖引起的三排橋梁樁基側(cè)向移動(dòng)，內(nèi)側(cè)樁主要受到鄰近大基坑開挖影響，外側(cè)樁除了受到大基坑開挖影響，還有小基坑開挖引起外側(cè)鋼板樁圍護(hù)變形影響，中間樁的側(cè)向移動(dòng)介于兩者之間。

（2）考慮不同開挖順序可以有效減小樁基側(cè)向移動(dòng)，通過(guò)比選，建議采用先開挖小基坑后開挖大基坑的模式。

（3）外側(cè)小基坑鋼板樁插入深度、內(nèi)側(cè)大基坑圍護(hù)墻和支撐剛度這兩個(gè)因素對(duì)控制樁基側(cè)向移動(dòng)意義不大，建議通過(guò)增大外側(cè)鋼板樁剛度和提高開挖速度來(lái)減小樁基側(cè)向移動(dòng)。