雙排樁支護結構在緊鄰既有線基坑中的應用

徐耀燈

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

緊鄰鐵路既有線的基坑施工不可避免會對周圍環境產生影響，在確保基坑穩定性的基礎上，如何方便施工的同時減少基坑位移和變形是必須考慮的重要因素。雙排樁支護結構具有便于施工、控制變形能力強、前后排樁布置靈活的特點，已廣泛應用于各種形式的基坑。以杭州火車東站新塘路地下通道基坑設計為例，對丁字式布置雙排樁的情況分別采用彈性法和有限元法計算，介紹雙排樁支護結構在工程中的應用情況。

1 工程實例

新塘路地下通道下穿杭州火車東站東西廣場，根據施工進度安排，需要在既有線附近開挖基坑。基坑位于既有場以西，場地整平地面高程7.5 m，站場路基面高程8.1 m，基坑深度11.5 m，寬32.4 m，順道路方向延伸。場地地貌屬錢塘江沖海積平原，表層為人工填土，其下為粉土和粉砂，再下為淤泥質土，底層為細圓礫土，各土層物理力學指標及計算參數取值見表1。

地基上部主要為粉土和粉砂，坑底位于粉砂層，地下水位距地表約0.5 m。地基下部的淤泥質土層厚度較大，工程地質條件較差，給基坑的設計帶來很大難度。在基坑開挖之前采用PHC500型管樁加固處理，樁位縱橫間距均為1.6 m，樁長以進入穿越淤泥質土層進入其下持力層深度0.5 m控制。管樁地基處理一方面提高了地基土承載力，也使得主體結構的工后沉降得以控制，保證了地下通道上方杭州火車東站站場范圍路基的穩定。

表1 土層物理參數

2 基坑支護方案

新塘路地下通道基坑工程臨近既有營運鐵路線，且基坑深度較大，保證鐵路線路的安全，控制線路路基的位移是基坑設計的重點。基坑呈長條形，兩側采用鉆孔咬合樁加設橫向對撐的圍護體系，整體穩定性較強，而基坑端部無法設縱向內撐，且基坑端部距鐵路既有線20 m，若設置拉錨對錨桿的長度要求較大，則受制于鐵路路基與基坑的距離，故考慮其他懸臂支護方案。目前單排樁的計算目前已較為成熟，但其圍護屬于懸臂式結構，結構剛度較小，計算顯示樁頂位移較大，對于基坑深度在10 m以上，其位移控制很難達到鐵路線路要求。雙排樁的前后排樁同時受力，且前后排樁與剛性冠梁之間形成一個門式剛架結構，整體剛度較大，對位移控制效果明顯。針對現場具體情況，本基坑的鐵路端圍護結構采用丁字式布置雙排樁，在控制結構變形的基礎上同時實現工程效益的最大化。

圍護結構布置情況如下:前后排樁均采用直徑1.0 m鉆孔灌注樁，前排樁間距為1.2 m，后排樁間距為2.4 m，排距為4.0 m，兩排樁間設雙排水泥攪拌樁止水帷幕，攪拌樁樁長19 m，進入坑底約7 m，冠梁截面為1.4 m×0.8 m，連梁截面為1.4 m×0.8 m，雙排樁冠梁端部與基坑兩側圍護樁的冠梁連為整體，見圖1、圖2。

圖1 基坑平面布置(單位:cm)

圖2 支護結構剖面(單位:cm)

3 計算與分析

排樁支護結構的研究主要有經典法、彈性法和有限元法，有關雙排樁支護結構的受力機理，許多專家學者提出了不同的計算模型，各種模型在實際應用中也各有優缺點。雙排樁的前后排樁布置靈活，在《建筑基坑支護規程》(JGJ 120－2012)中給出了矩形布置雙排樁的計算方法，其他布置形式并未介紹，在工程應用中需進一步推導。對于丁字式排列雙排樁采用體積比例系數法的計算作如下考慮:基坑深H，雙排樁排距L，取L0=H tg(45°－φ/2)，前后排樁均有主動土壓力σa，按滑動體重量比例關系來確定樁間土在前后排樁的分擔系數α，樁間土對前后排樁產生土壓力α·σa，根據力的平衡，主動土壓力計算公式為

后排樁Pab=(1－α)σa;前排樁 Paf=(1+α)σa;

對被動土壓力同樣有:

后排樁 Pab=(1－α)σp;前排樁 Paf=(1+α)σp。

其中分擔系數α:

當L/L0≤1時，α=2L/L0－(L/L0)^2;當 L/L0＞1時，α =1。

實際基坑支護為三維結構，在平面計算軟件中對冠梁側向剛度K作如下考慮:

式中L為冠梁長度，a為計算點至梁端的距離，EI為冠梁橫截面剛度。

由于前后排樁頂冠梁間的連梁剛度較大，可視為剛接，有關樁的內力與變形可按結構力學的計算方法，在結構所受的土壓力確定之后計算得出。

根據以上計算原則，利用理正深基坑軟件計算。由于地下水對基坑的影響很大，在計算過程中模擬工程現場實際情況，考慮基坑外側降水在地面下6 m，坑內降水在基坑底下1 m。計算結果如圖3所示。在基坑開挖到底的工況中，前排樁變形較大，樁頂水平位移18 mm，最大水平變形在基坑以下7 m位置，約24 mm。根據實測資料，現場沿樁頂冠梁長度方向的1/3位置共布設兩個深層土體位移測點，測點位于后排樁之后。基坑開挖到底之后土體的實測位移值如圖4所示。結果顯示樁頂附近地面下0.5 m的水平位移約25 mm，土體的最大水平位移在地面下5 m左右，約31 mm。根據以上數據對比可知，對于基坑開挖面以上部分，計算的前排樁變形與實測土體水平位移較接近;而在地基的深層土體位移指標上后排樁的變形與實測土體水平位移較接近，計算結果較能反映土體的整體情況。

平面計算軟件計算長條形的基坑較為準確，但對一些邊界條件較為復雜和特殊的情況，不能做到精確模擬整個體系的變形分布，往往只能通過增加剛度限制條件或設定折減系數對基坑的特定斷面進行簡化計算。本基坑的邊界條件相對復雜，在已有平面模擬計算的基礎上，為了進一步復核基坑的變形情況，采用midas/GTS有限元分析軟件對雙排樁支護結構進行三維模擬。在有限元計算過程中，對土體采用實體建模，屈服準則采用常用的摩爾－庫倫本構模型，圍護樁采用彈性體本構模型，同時由于地基采用管樁加固，對被動區土體強度提高很大，計算時對相應土層的彈性模量進行了提高。受節點限制，模型的邊界條件根據力學規則加以合理簡化，對模型底部及外側設置固定邊界模擬無限遠，在建模時利用對稱性取基坑的半結構進行計算，在對稱軸處加上相應的轉動約束，施工工況考慮一次開挖到底，其余參數取值同表1，計算模型如圖5所示。

圖3 理正雙排樁計算結果

圖4 實測土體水平位移

圖5 Midas/GTS計算模型

圖6 Midas/GTS水平位移計算結果

軟件分析控制主要考慮施工階段，計算結果見圖6。由圖6可知，離基坑邊越近土體的水平位移越大，較遠處水平位移很小。本工程鐵路線位遠離基坑邊約20 m，鐵路既有線位置位移約5 mm，滿足鐵路線路的監測要求。顯示樁頂附近土體位移約10 mm，在基坑外后排樁位置底部土體的水平位移最大約30 mm，深層土體位移較大約20 mm。以上結果表明，三維模擬計算的基坑上部數據與實測數據較為符合，能反映圍護結構體系的真實情況，基坑下部的土體位移則與實際情況相差較大，主要與第四層淤泥質土的加固改善效果密切相關。整體來說，三維有限元分析對基坑的位移變形與應力應變規律是符合客觀實際的。

4 結束語

雙排樁支護體系的前后排樁在頂部連梁作用下協同受力，其受力性狀較為復雜，而軟土地區的土層開挖時具有較強的時空效應，在基坑設計時需考慮現場各種影響因素，采取相應對策;在計算過程中需盡可能模擬工程實際情況，以達到計算結果能指導基坑作業全過程的目的。

從現場情況發現，冠梁出現豎向輕微裂縫，工程中應加強樁頂與連梁的節點構造，減少裂縫產生;結構的整體位移和變形很小，滿足鐵路運營線路的要求，本基坑支護的成功經驗可供類似基坑工程借鑒。

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