鄰高鐵及站房富水砂層基坑變形控制對策研究

于廷新

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

1 概述

隨著城市地下空間開發和高鐵建設的迅速發展，高鐵及站房周邊地下空間開發日益增多。由于站前廣場等配套工程具有滯后性，故常在高鐵及站房建設完成后施工[1]。而已建好的高鐵及站房對位移和沉降要求極為嚴格，尤其在富水砂層地區，周邊配套工程基坑圍護資金投入少、設計薄弱，對高鐵及站房重視程度不夠、保護經驗不足[2－3]，基坑開挖及降水極易產生地下水滲流破壞、涌水涌砂等問題，造成高鐵及站房位移和沉降超標，損失巨大，影響高鐵安全運營[4－5]，故急需針對富水砂層地區配套工程基坑對高鐵、站房的影響及變形控制對策進行高精度研究。

諸多研究人員對基坑開挖及降水對周邊環境的影響進行了研究:婁平等[6]采用理論分析、數值模擬等方法對砂卵地層基坑降水控制技術進行研究，得到降水穩定時間及沉降值；邱明明等[7]通過數值模擬和現場實測研究了降水滲流作用下富水砂層地下連續墻深基坑施工變形性狀及影響因素；胡冰冰等[8]通過理論分析、現場實測、數值模擬，分析并優化了基坑下臥弱隔水層注漿加固方案；胡瑞清等[9]采用有限元法分析研究基坑卸載期間支護結構、基坑側方地鐵交叉隧道及車站的變形及受力特性；馮春蕾等[10]研究了考慮空間效應的砂卵石地區地鐵車站基坑整體變形規律和模式，制定了以內支撐施加預應力為主的地鐵車站基坑動態變形控制流程。

研究人員就基坑開挖和降水對建筑物的影響做了較多研究，但針對緊鄰高鐵及站房的后施工周邊配套工程大型深基坑的影響分析及方案動態調整研究較少。本文依托某緊鄰高鐵及站房的站前廣場粉細砂層基坑案例，案例中雙排樁圍護結構受力復雜，專家學者對雙排樁受力有不同見解[11]。在高鐵及站房的嚴格變形要求下，采用PLAXIS小應變土體硬化模型進行三維數值分析、圍護方案動態調整、降水影響分析并進行現場監測，研究得出了基坑對土體、站房樁基和高鐵路基的影響規律。并提出減小高鐵及站房變形的控制對策。本基坑經驗可為富水砂層地區緊鄰高鐵及站房的基坑施工提供借鑒。

2 工程概況

本站前廣場項目基坑形狀不規則，東西長約280 m，南北長約200 m，基坑面積50 500 m2。鄰高鐵及站房處基坑深度為11.6 m，屬于深大基坑，基坑安全等級為一級，基坑使用年限一年。

基坑北側距鄭徐高鐵路基60 m。鄭徐高鐵設計速度350 km/h，為無砟軌道，變形要求極為嚴格，影響高鐵路基長度250 m。北側距站房20 m，站房基礎形式為鉆孔樁基，樁長39 m。北側7～13 m范圍為高鐵站地埋地熱泵站。基坑其他三側無重要建筑物。鄭徐高鐵路基采用素混凝土樁加固，素混凝土樁徑0.6 m，樁長18 m，樁間距2.5 m。

3 工程地質與水文地質條件

場地地層屬第四紀全新世(Q4)，地質成因以黃河沖積為主，自上而下為:

(1)粉砂:黃褐色，松散～稍密；

(2)粉質黏土:灰褐色，軟塑；

(3)粉土:黃褐色，中密；

(4)粉質黏土:黃褐色，軟～可塑；

(5)粉土:黃褐色，中密；

(6)粉質黏土:黃褐色，可塑；

(7)細砂:黃褐色，中密～密實；

(8)粉質黏土:黃褐色，硬～可塑；

(9)細砂:黃褐色，密實。

場地地下水主要為第四系潛水，局部為上層滯水，地下水位埋深5.0 m，水位年變幅1.0～3.0 m。

4 基坑圍護最初方案

最初整個基坑圍護費用投入少，北側緊鄰高鐵及站房處基坑開挖深度11.6 m。原設計單位最初采用懸臂雙排圍護樁支護，前排樁及后排樁均采用?600@1 200 mm的鉆孔樁，排距2.4 m，嵌固深度均為18 m，兩排樁樁頂設連梁及冠梁。基坑支護平面見圖1，基坑支護剖面見圖2。

圖1 基坑支護平面

圖2 鄰站房及高鐵側基坑支護剖面(單位:m)

東側、西側、南側基坑開挖深度為9.0～11.6 m，采用兩級放坡開挖，坡率1∶1.5～1∶1.75，坡面掛網噴混。

地下水處理初步方案:站房及高鐵側基坑采用?500@300 mm的單軸攪拌樁進行止水，樁長14 m。其他三側未設止水帷幕。

基坑內采用管井降水，管井深度22 m。共布置管井196口，間距15 m，成孔直徑600 mm，內徑300 mm，井管外濾料采用2～4 mm級配均勻石英砂。施工期間連續降水至基坑底以下0.5 m。坑頂、平臺、坑底設置排水溝和集水井。

5 三維數值分析及方案調整

5.1 模型及參數

鑒于本站前廣場粉細砂層深大基坑緊鄰既有站房及高鐵，故進行三維數值分析，且本構模型采用專家學者推薦的用于基坑對敏感建筑物影響研究的小應變土體硬化本構模型[12]。根據原位鉆孔剪切試驗、自鉆式旁壓試驗等原位測試及室內試驗，確定主要土層的小應變土體硬化模型參數如表1所示。

表1 主要土層小應變土體硬化模型參數

運用PLAXIS軟件建立三維有限元模型，針對基坑開挖對站房和高鐵的影響進行有限元分析。高鐵路基素混凝土樁基礎、站房樁基礎均采用embed樁模擬，支護樁采用板單元模擬，冠腰梁、內支撐按梁單元模擬。三維有限元模型如圖3所示。

圖3 三維有限元模型

本項目基坑施工分為三個工況:

初始工況:初始地基模型，激活所在位置原始土層信息、高鐵路基及素混凝土樁、站房樁基等。

工況一:放坡開挖上部土體，模擬施作雙排支護樁、止水帷幕、冠梁。

工況二:模擬開挖至基坑底。

5.2 數值分析及方案調整

通過對原基坑圍護方案的三維數值分析，得出基坑開挖到底后土體、圍護樁、站房樁基、高鐵路基的位移云圖。結果顯示，基坑圍護樁最大水平位移達115 mm，站房樁基最大水平位移為17.4 mm。而基坑水平位移和沉降控制值為40 mm，站房樁基水平位移控制值為10 mm，故基坑及站房地表水平位移和沉降、站房樁基水平位移均超過變形控制要求。同時，在基坑試驗段局部施工過程中，通過現場監測發現北側站房處基坑變形較大，產生較多裂縫，印證了數值分析結果，故急需對原基坑圍護設計方案進行調整。

根據數值分析，最大變形在雙排樁頂，原因為懸臂過高，需增設支撐，控制雙排樁位移，進而控制站房及高鐵位移。提取無支撐時、設支撐時圍護樁水平位移數據，并與現場監測對比，繪制對比曲線，如圖4所示。

圖4 設支撐前后圍護樁水平位移對比曲線

由圖4可知，增設支撐后，雙排樁最大水平位移由115 mm驟減為36 mm，現場監測的圍護樁水平位移與數值分析基本一致，數值分析結果可靠，現場監測值偏大，是由于局部超挖、坑邊超載等施工因素導致。

設置支撐前后站房樁基水平位移對比曲線如圖5所示。

圖5 設支撐前后站房樁基水平位移對比曲線

由圖5可知，增設支撐后，站房樁基最大水平位移由17.4 mm減為8.1 mm。同時，高鐵路基樁基最大水平位移由1.6 mm減至1.2 mm。圍護設計調整后基坑、站房變形滿足控制標準。

6 降水影響分析

由于原基坑設計僅在站房及高鐵側設置單側止水帷幕，止水帷幕未封閉，無法隔斷基坑與外側的地下水，基坑降水會對站房及高鐵造成影響。地下水位埋深為5 m，水位降至坑底下0.5 m，水位降深7.7 m，砂層滲透系數K＝0.5 m/d，基坑內降水井數量多達196口，降水影響分析復雜。

基坑內外任意點水位降幅s:

式中:q為單井涌水量(m3/d)；K為含水層滲透系數(m/d)；M為含水層厚度(m)；n為計算分層數；R為影響半徑(m)；ri為任意點距降水井的平面距離(m)。

降水引起地面某點的沉降量按下式計算:

式中:Δsw為水位下降引起的地面沉降量(mm)；σwi為水位下降引起的各計算分層有效應力增量(kPa)；Δhi為受降水影響地層的分層厚度(mm)；Esi為各分層土體的壓縮模量(kPa)；Ms為經驗系數。

計算得出基坑內外各點水位降幅及沉降，沉降等值線如圖6所示。

圖6 站房及高鐵處沉降等值線

沿1-1剖面作出站房及鄭徐高鐵水位降幅曲線、沉降曲線，如圖7、圖8所示。

圖7 站房及鄭徐高鐵水位降幅曲線

圖8 站房地表及鄭徐高鐵沉降曲線

由圖7、圖8可見，基坑群井降水影響半徑達110 m，站房處水位降幅2～7 m，地表沉降為34～103 mm；鄭徐高鐵路基附近水位降幅為1～2 m，路基處沉降為17～34 mm。可見站房沉降、鄭徐高鐵沉降均超出鐵路要求，故需在基坑四周設置封閉止水帷幕，隔斷基坑與站房、高鐵的水力聯系，減少基坑內降水引起的沉降。

同時，基坑設置降水井數達196口，數量過多，應減少并按需降水；降水井深度過大，達22 m，應減小降水井深度，使其不超過止水帷幕深度、不深入下部細砂層。對現場降水井檢查時發現水質混濁，粉土、粉砂顆粒隨降水而流失，造成周邊沉降，故應嚴格檢查降水井出水含砂量，不得超過1/100 000，并在站房、高鐵位置設置回灌井，在地下水位降低時及時進行回灌。

在止水方面，由于站房及高鐵側雙排樁采用?600@1 200 mm的鉆孔樁，樁間凈距較大，達600 mm。原設計單軸攪拌樁止水效果差，產生流土、流砂現象。為保證帷幕止水效果，站房側應采用雙排三軸攪拌樁作為止水帷幕。

7 結論

(1)原懸臂雙排樁圍護設計導致基坑周圍土體變形及站房樁基變形過大、超標，需增設支撐，鄰高鐵及站房的配套工程基坑宜采用樁(墻)撐圍護體系，不宜采用雙排樁。

(2)原基坑僅站房側設計止水帷幕，基坑群井降水影響半徑達110 m，站房及高鐵沉降均超出鐵路要求，故需在基坑四周設封閉止水帷幕。

(3)應減少降水井數量、深度并按需降水，同時嚴格控制降水井出水含砂量，站房及高鐵處設置回灌井。

(4)站房及高鐵側圍護樁間距過大，采用雙排三軸攪拌樁代替單軸攪拌樁止水，解決了流土、流砂問題。

(5)現場監測與數值分析基本一致，數值分析結果可靠，局部超挖、坑邊超載等施工因素導致現場監測值偏大。小應變土體硬化模型參數，可根據原位鉆孔剪切試驗、自鉆式旁壓試驗等原位測試及室內試驗綜合確定。

(6)應對攪拌樁質量進行嚴格檢測，并進行群井抽水試驗，滿足要求后方可開挖。開挖時應對基坑、站房及高鐵處水位進行動態聯動監測。