深基坑開挖對臨近運(yùn)營鐵路的變形影響

詹 濤，胡長明，錢偉豐，蔣鑫馳

(1. 南昌軌道交通集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330038； 2. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055； 3. 南昌工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330108)

0 引 言

由于城市軌道交通的迅速發(fā)展以及地下空間開發(fā)利用的需要，地鐵施工中常常會(huì)出現(xiàn)大量深基坑工程[1-4]。當(dāng)一些深基坑工程臨近既有線，基坑的開挖會(huì)引起列車軌道沉降，影響行車安全，而列車和路基在基坑一側(cè)形成的偏壓也會(huì)導(dǎo)致基坑變形模式發(fā)生改變。

目前，部分學(xué)者已從不同角度對臨近鐵路的偏壓基坑進(jìn)行了研究：石鈺鋒等[5]對臨近鐵路偏壓基坑連續(xù)墻水平位移及內(nèi)力進(jìn)行實(shí)測，研究了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力特征，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性做出評價(jià)；張新東[6]深入研究了臨近鐵路的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全性及對周邊環(huán)境的影響規(guī)律；李明廣等[7]通過分層分塊模擬基坑的開挖順序，分析了深基坑開挖與臨近鐵路荷載的相互影響，揭示了臨近鐵路深基坑開挖的變形特點(diǎn)；王培鑫等[8]基于現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，選用雙液注漿方法控制地表與路基沉降，減少后續(xù)開挖施工對路基的影響。

以上文獻(xiàn)均研究了臨近鐵路基坑的變形、受力特征以及對周邊環(huán)境的影響，缺乏對臨近鐵路變形的控制措施研究。此外，目前國內(nèi)也缺少對臨近鐵路基坑設(shè)計(jì)與施工的相關(guān)規(guī)范。筆者以南昌地鐵3號(hào)線上沙溝站為背景，通過現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬的方法，分析了深基坑開挖對臨近鐵路的影響，提出相應(yīng)的控制措施，為今后類似工程提供經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

1 工程概況

1.1 臨近基坑專線概況

項(xiàng)目施工現(xiàn)場位于南昌市二七北路江邊客車存放場走行線和糧食專用線以北，車站總長度為511.614 m，基坑開挖深度為16.74 m,東西端頭寬為26.60 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬為22.70 m。標(biāo)準(zhǔn)段中有擴(kuò)大部分，從西至東寬度依次為24.10、23.12、23.80 m。上沙溝車站為3號(hào)線和4號(hào)線換乘車站，其中3號(hào)線車站位于二七北路北側(cè)，車站沿東西向埋設(shè)。車站周邊環(huán)境復(fù)雜，主要有：江邊客車存放場走行線和糧食專用線、江西造紙廠宿舍及玉帶河。車站南側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外邊與江邊客車存放場走行線中心線距離約6.4～8.6 m。

既有線為有縫線路，軌道結(jié)構(gòu)型式為有孔鋼軌，木枕，一級碎石道床。其主要功能包括南昌站車輛取送、交遞等作業(yè)，以及車站調(diào)度員階段計(jì)劃指定的作業(yè)。每日車輛取送作為一次作業(yè)，作業(yè)次數(shù)為6～8次，高峰時(shí)期為10次，車輛作業(yè)限速為30 km/h，線路未設(shè)置接觸網(wǎng)。臨近既有線區(qū)域的基坑平面如圖1。

圖1 上沙溝站基坑場地平面布置Fig. 1 Plane layout of the foundation pit of Shangshagou station

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)鉆探揭露，擬建場地第四系地層厚度為16.80～21.50 m。成因類型以河流沖積為主，沉積物粗細(xì)韻律變化明顯，具有典型的二元結(jié)構(gòu)。地層巖性都具有下部粗(以礫砂層、中砂為主)、上部細(xì)(以粘性土為主)的韻律變化特點(diǎn)。土層參數(shù)見表1。

表1 不同土層主要物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Main physical and mechanical parameters of different soil layers

1.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻結(jié)合內(nèi)支撐支護(hù)形式。其中內(nèi)支撐分別采用鋼筋混凝土支撐和鋼管支撐。標(biāo)準(zhǔn)段自上而下設(shè)置3道橫撐：第1道支撐為800 mm×1 000 mm鋼筋混凝土支撐，支撐水平間距為9 m；第2道支撐采用Φ800、t=16 mm鋼管支撐，水平間距為3 m；第3道支撐采用Φ609、t=16 mm鋼管支撐，水平間距為3.0 m。第1道橫撐與第2道間距為6.25 m，第2道橫撐與第3道間距為5.2 m。在東西端頭四角自上而下各設(shè)置3道角撐：第1道角撐為800 mm×1 000 mm鋼筋混凝土角撐；第2道角撐采用Φ800、t=16 mm鋼管角撐；第3道角撐采用Φ609、t=16 mm鋼管角撐。角撐與基坑邊夾角為45°?；炷两菗窝鼗舆吽骄嚯x為5.0 m，共設(shè)置兩道；鋼管角撐沿基坑邊水平距離為2.5 m，共設(shè)置4道。車站采用明挖順筑法施工，連續(xù)墻及混凝土橫撐均采用C30混凝土。基坑標(biāo)準(zhǔn)段構(gòu)剖面如圖2。

圖2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面(單位：m)Fig. 2 Profile of maintenance structure of foundation pit

2 基坑開挖數(shù)值模擬

2.1 模型建立與基本假定

采用有限元分析軟件ABAQUS對基坑工程的開挖進(jìn)行全過程模擬。在建立三維有限元模型時(shí)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及有限元計(jì)算精度的要求(基坑開挖影響寬度的選取約為開挖深度的3～5倍)，將模型尺寸定為90 m×60 m×40 m。模型采用位移邊界條件限制了底部3個(gè)方向上的位移，各立面限制其相應(yīng)水平方向位移，即平行于X軸的面限制其Y方向位移，平行于Y軸的面限制其X方向位移。另外，考慮部分參數(shù)對模擬計(jì)算結(jié)果影響較小的情況，在建模時(shí)做如下假定：

1)假定土體為均質(zhì)且各向同性的彈塑性體, 圍護(hù)結(jié)構(gòu)和橫撐為理想的彈性體。

2)連續(xù)墻與橫撐兩種單元之間采用剛性聯(lián)接。

3)開挖之前圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工引起的土體變位應(yīng)力和性狀的改變不予考慮，同樣也不考慮連續(xù)墻與土體之間可能發(fā)生的滑動(dòng)。

2.2 工況設(shè)置與模型參數(shù)

首先對基坑模型進(jìn)行地應(yīng)力平衡，再模擬開挖過程。將基坑開挖施工設(shè)置為5個(gè)不同的工況，運(yùn)用ABAQUS中的單元生死功能，移除相應(yīng)的土體單元和添加相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)單元，施工工況如表2。

表2 基坑開挖施工工況Table 2 Construction conditions of deep excavation

模型涉及兩種基本單元。土體和連續(xù)墻采用C3D8R三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，混凝土支撐和鋼支撐采用B31三維一階梁單元。在有限元計(jì)算中，由于塑形模型參數(shù)不易選取，且此基坑在施工中無較大集中應(yīng)力，因此，土體考慮以Mohr-Coulomb為屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，而內(nèi)支撐和連續(xù)墻則考慮為線彈性模型。計(jì)算模型中實(shí)體單元總數(shù)為31 996個(gè)，單元節(jié)點(diǎn)為38 674個(gè)。重要材料物理力學(xué)參數(shù)如表3，土體模型參數(shù)的選取如表1。

表3 材料物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical parameters of materials

2.3 既有線的模擬

石鈺鋒[9]認(rèn)為：鐵軌附近動(dòng)荷載在地層中衰減較快，3～5 m深處動(dòng)荷載能夠衰減到90%以上。列車作業(yè)限速為30 km/h，為了模擬鐵路真實(shí)環(huán)境，并結(jié)合本工程特點(diǎn)，列車荷載可簡化為靜荷載：以離基坑標(biāo)準(zhǔn)段外邊緣6.75 m位置為中心線布置一道均布荷載，荷載作用寬為3.7 m，作用大小為59.7 kPa，以此來模擬臨近基坑的既有專線?；佑邢拊Ｐ腿鐖D3。

圖3 基坑整體有限元模型(單位：m)Fig. 3 Integral finite element model of foundation pit

3 鐵路變形計(jì)算結(jié)果分析

3.1 鐵路軌道變形控制指標(biāo)

由于基坑在鐵路附近開挖，因此，基坑工程的施工必須嚴(yán)格控制鐵路變形，確保鐵路的正常、安全運(yùn)營。本次模擬分析的既有線列車屬于經(jīng)常保養(yǎng)的鐵路軌道,根據(jù)《鐵路線路維修規(guī)則》(鐵運(yùn)〔2006〕146號(hào))要求，并參照國內(nèi)相同工程類比經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)范，在基坑開挖時(shí)，需將軌道軌距偏差控制在-4～7 mm區(qū)間內(nèi)，軌道水平差異沉降偏差控制在-6～6 mm區(qū)間內(nèi)。

3.2 鐵路軌道變形分析

圖4為模擬基坑開挖5種不同工況下軌距偏差變化曲線，其中，0 m位置為圖3中剖面1-1位置。由圖4可知：軌距偏差隨著基坑開挖深度的增大而增大；工況1～工況5的軌距偏差增大速率逐漸減小，這是因?yàn)檫B續(xù)墻和橫撐的設(shè)置很好地限制了基坑周邊土體的相對運(yùn)動(dòng)；基坑開挖至坑底時(shí)，軌距偏差變化最大。圖5為5種不同工況下軌道水平差異沉降變化曲線。由圖5可知，軌道水平差異沉降隨著基坑開挖深度的增大而增大，在各個(gè)工況下，其數(shù)值沿既有線東西長度方向的變化速率比軌距偏差小。地下連續(xù)墻的變形在陰角和陽角處均存在明顯的空間效應(yīng)[10]。針對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在基坑西端頭陰角處，短邊地下連續(xù)墻、斜撐以及橫撐共同作用形成約束，限制了周邊土體擾動(dòng)。由圖4、圖5可知，軌距偏差與軌道水平差異沉降均在60 m左右處出現(xiàn)峰值，此處正是基坑陽角的所在位置，因距離陰角較遠(yuǎn)，陽角處可近似看作只有橫撐限制土體擾動(dòng)，因此，系統(tǒng)剛度較小，空間效應(yīng)更加明顯。

圖4 軌距偏差變化曲線Fig. 4 Variation curve of the gauge deviation

圖5 軌道水平差異沉降變化曲線Fig. 5 Variation curve of rail horizontal differential settlement

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，基坑施工過程中，雖然軌道軌距偏差、軌道水平差異沉降最大值分別為4.5、5 mm，均分別未達(dá)到報(bào)警值7、6 mm，但是在現(xiàn)場實(shí)際施工中難免會(huì)對基坑周邊土體產(chǎn)生過度擾動(dòng)。為避免實(shí)際施工對鐵路軌道產(chǎn)生過大影響，有必要對現(xiàn)有鐵路進(jìn)行加固。

4 鐵路變形控制措施

4.1 鐵路加固施工方案

為了有效控制鐵路軌道變形，確保鐵路運(yùn)行安全，車站基坑開挖之前，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)與鐵路中間設(shè)置一排Φ800鉆孔灌注樁，對鐵路進(jìn)行隔離加固，較大的隔離剛度可有效限制土體橫向移動(dòng)。施工中鉆孔灌注樁進(jìn)入中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖深度為0.5 m，成孔深度為21.467 m，有效樁長為20.667 m。樁間采用Φ600@450的旋噴止水樁，止水樁樁長等長于鉆孔灌注樁。主體圍護(hù)樁采取分批跳孔間隔法施做鉆孔灌注樁。鉆孔灌注樁與旋噴止水樁具體布設(shè)位置如圖6。

圖6 鉆孔灌注樁與旋噴止水樁布置(單位：mm)Fig. 6 Layout of drilling piles, sealing up piles with jet grouting

4.2 鐵路加固效果分析

由于實(shí)際工程中樁的數(shù)量較多，根據(jù)抗彎剛度等效的原則，在計(jì)算中將其等效為地下連續(xù)墻進(jìn)行分析。計(jì)算所得墻厚為0.6 m，計(jì)算方法如式(1):

(1)

式中：h為墻厚，m；D為樁徑,m；d為樁心距，m。

運(yùn)用ABAQUS有限元軟件對隔離加固后的臨近鐵路基坑進(jìn)行開挖施工模擬,采用C3D8R三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬隔離結(jié)構(gòu)。 圖7、圖8分別為隔離加固后軌距偏差、軌道水平差異沉降變化曲線。由圖7、圖8可知，軌道最大軌距偏差值為2.8 mm，最大軌道水平差異沉降值為2.86 mm，說明對鐵路進(jìn)行隔離加固后，軌距偏差和軌道水平差異沉降的數(shù)值遠(yuǎn)小于未加固以前，列車行駛更加安全。

圖7 加固后軌距偏差變化曲線Fig. 7 Variation curve of the gauge deviation after reinforcement

圖8 加固后軌道水平差異沉降變化曲線Fig. 8 Variation curve of rail horizontal differential settlement after reinforcement

由圖7可知：軌道軌距偏差隨著基坑開挖深度的增大而增大；陰陽角處基坑空間效應(yīng)明顯；基坑陽角處軌距偏差變化較為復(fù)雜，沿東西方向呈先減小后增大趨勢。筆者認(rèn)為，隔離結(jié)構(gòu)與地下連續(xù)墻形成了一種特殊結(jié)構(gòu)，即無冠梁的雙排樁結(jié)構(gòu)。朱慶科[11]認(rèn)為，雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的前、后排樁在靠近坑角處位移曲線呈現(xiàn)明顯的“鼓肚”特征，隨著與坑角距離的增大，位移曲線的“鼓肚”特征減弱。雙排樁的位移也反映了樁后土體位移，基坑由西向東開挖，在陽角處軌距偏差增大，且出現(xiàn)峰值；然而隔離結(jié)構(gòu)與連續(xù)墻之間缺少冠梁連接，不能像常規(guī)雙排樁一樣正常工作，隨著開挖的進(jìn)行，前排樁不能帶動(dòng)后排樁產(chǎn)生自穩(wěn)能力，導(dǎo)致灌注樁樁頂向鐵路一側(cè)移動(dòng)，此時(shí)，軌道軌距偏差逐漸減??；隨著基坑繼續(xù)開挖，隔離結(jié)構(gòu)與連續(xù)墻的變形逐漸平穩(wěn)，軌距偏差又逐漸增大，直至穩(wěn)定。

由圖8可知，經(jīng)隔離加固后，水平差異沉降值雖然明顯減小，但其變化較快，曲線在基坑陽角處空間效應(yīng)明顯。這是由于基坑開挖是一個(gè)土體卸載的過程，圍護(hù)結(jié)構(gòu)后側(cè)的土體隨開挖的進(jìn)行向坑內(nèi)流動(dòng)。隔離結(jié)構(gòu)的鉆孔灌注樁埋深小于連續(xù)墻埋深，墻下土體向坑內(nèi)流動(dòng)得更多，而樁下一定范圍內(nèi)的土體卻被連續(xù)墻遮擋，無法流動(dòng)，導(dǎo)致灌注樁產(chǎn)生沉降量大于連續(xù)墻的沉降。同時(shí)，樁土之間存在的摩擦帶動(dòng)近側(cè)土體沉降量增大，因此，隔離加固后的軌道水平差異沉降略大于未加固以前，在基坑坑角處空間效應(yīng)比較明顯的位置處，軌道水平差異沉降范圍更大。

總體而言，鉆孔灌注樁結(jié)合旋噴止水樁形成的隔離結(jié)構(gòu)能有效控制鐵路變形，開挖施工時(shí)應(yīng)密切注意基坑空間效應(yīng)的影響，設(shè)置隔離加固結(jié)構(gòu)后，對基空間效應(yīng)更加復(fù)雜，易引起位移突變，尤其是對基坑陽角處位移有顯著影響。

5 實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比分析

鐵路軌道4個(gè)測點(diǎn)的現(xiàn)場平面布置見圖6。圖6中：GDX1-1、GDX1-2測點(diǎn)為鐵路軌道水平位移測點(diǎn)，以向基坑內(nèi)側(cè)為正，向基坑外側(cè)為負(fù)；DBC1-1、DBC1-2測點(diǎn)為鐵路軌道沉降測點(diǎn)，以隆起為正，沉降為負(fù)。圖9為現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果的對比。圖9(a)～圖9(d)分別為4個(gè)測點(diǎn)變形量隨施工進(jìn)度的變化曲線。由圖9可見，模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)略有差別，但是二者的總體趨勢基本一致。實(shí)測結(jié)果數(shù)據(jù)較多且過于離散，而有限元計(jì)算結(jié)果較為穩(wěn)定。實(shí)測數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果的誤差在0.3 mm范圍內(nèi)，屬于正常誤差，二者的數(shù)據(jù)基本吻合，說明在建立有限元模型時(shí)所做出的假定、所選用的參數(shù)以及對鐵路荷載的簡化合理可靠，能夠較好地模擬現(xiàn)場基坑開挖施工過程。同時(shí)，可在此模型的基礎(chǔ)上改變參數(shù)，研究基坑開挖施工的其它影響因數(shù)。

圖9 實(shí)測結(jié)果與有限元計(jì)算對比Fig. 9 Comparison between the measured results and the finite element calculation ones

6 結(jié) 論

筆者結(jié)合工程實(shí)例，通過數(shù)值模擬方法，研究了基坑開挖施工過程中對臨近鐵路的變形影響，并對鐵路的加固保護(hù)效果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1)未對鐵路進(jìn)行隔離加固時(shí)，基坑開挖引起的軌道軌距偏差、軌道水平差異沉降最大值分別為4.5、5 mm，雖然未達(dá)到報(bào)警值，可實(shí)際施工中易對周邊土體造成過度擾動(dòng)，影響鐵路正常運(yùn)行。

2)采用鉆孔灌注樁結(jié)合旋噴止水樁對鐵路進(jìn)行隔離加固，有效減小了鐵路變形，加固效果顯著?；拥目臻g效應(yīng)在坑角處十分明顯，在設(shè)置了隔離結(jié)構(gòu)之后，隔離結(jié)構(gòu)與地下連續(xù)墻形成了無冠梁的雙排樁結(jié)構(gòu)，空間效應(yīng)更為復(fù)雜，在今后實(shí)際工程中應(yīng)引起重視。

3)通過實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的對比分析，二者的曲線變化趨勢基本一致，且誤差范圍在正常誤差范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)基本吻合。模型建立時(shí)所做出的假定、所選用的參數(shù)以及對鐵路荷載的簡化合理可靠，能夠較好地模擬基坑開挖過程。