鄰近鐵路隧道的深基坑雙排樁支護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及優(yōu)化設計分析

向富寶

中鐵十八局集團有限公司 天津 300222

1 工程背景

工程地點位于云南紅河彌勒市，在建鐵路隧道鄰近區(qū)域?qū)⑼瑫r進行商業(yè)樓施工，商業(yè)樓地上共8層，地下共4層。擬建場地地層從上往下依次為填土（最大埋深6.5 m）、黃土（最大埋深11.8 m）、古土壤（最大埋深15.6 m）、砂土（最大埋深40.0 m）和粉質(zhì)黏土（最大埋深60.2 m）。基坑設計開挖深度為20 m，總面積約為2 490 m2，基坑支護由前排樁、后排樁以及樁間梁組成（即雙排樁支護）。基坑西側(cè)毗鄰鐵路施工線路，北面為某醫(yī)院辦公樓，南面為商業(yè)街，東側(cè)是某公司大樓（圖1），地下管網(wǎng)眾多，地質(zhì)條件復雜，特別是與鄰近鐵路隧道同時施工，給工程的安全與穩(wěn)定帶來重要影響[1]。因此，需針對施工方案進行專項研究和討論。

圖1 工程布置示意

2 有限元模型的建立

2.1 計算假定

基坑周邊地質(zhì)條件復雜，影響基坑變形的因素眾多。因此，需作出如下假設以簡化計算：由于施工周期較短，故不考慮地下水影響，按不固結(jié)、不排水條件進行分析；暫不考慮基坑周邊其他荷載作用；支護結(jié)構(gòu)與周圍土體之間采用面-面接觸單元的變形協(xié)調(diào)相互作用；將冠梁和樁頂均考慮為剛性體，單元類型為C3D8R；土體考慮為彈塑性材料且符合摩爾-庫倫準則，單元類型為C3D8R；樁體本身材料為彈性體，單元類型為C3D8R。

2.2 參數(shù)設置

鐵路隧道深基坑采用雙排樁支護，計算基本參數(shù)為：樁間距1.5 m，樁排距2.0 m，樁徑為1 m，樁長為31 m，冠梁高度和寬度分別為1 m和4 m。在基本參數(shù)的基礎上，共設計5種樁長，分別為27、29、31、33和35 m，樁徑也設置5種，分別為0.6、0.8、1.0、1.2和1.4 m，樁體剛度為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50倍EI（EI為樁體基本剛度），樁間距和樁排距分別為2、3、4、5、6倍樁徑。雙排樁和冠梁的重度為2 550 kN/m3，彈性模量為31.5 GPa，泊松比為0.2。

2.3 模型及邊界條件

采用Abaqus數(shù)值軟件進行模型的建立，x方向表示基坑東西方向，東正西負，y方向表示南北方向，北正南負，z為基坑深度方向，向上為正。模型范圍為東西方向150 m，南北方向130 m，深度方向60 m，地表為自由邊界，基坑四周均為法向約束條件，基坑底部為全約束條件，建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 深基坑有限元模型

3 模擬結(jié)果分析

3.1 樁長的影響

保持其他基本參數(shù)不變，改變樁長，得到了前后排樁頂、樁底和樁體的位移與樁長的關系（圖3）。樁體的最大位移量明顯大于樁頂和樁底的位移量，這說明采用雙排樁支護時，其變形呈中間大、兩端小的變化特征。這是因為樁頂存在冠梁，限制了樁頂?shù)奈灰疲鴺兜咨钊肭豆逃趲r石或堅硬土層內(nèi)，受到的變形約束力也較大，因此，樁身變形呈弓字形。當樁長小于33 m時，樁頂位移量大于樁底位移量，當樁長大于33 m后，樁頂?shù)奈灰屏啃∮跇兜椎奈灰屏浚易畲笪灰屏侩S樁長增加在逐漸減小。這是因為樁長增加，相當于嵌入深度增加，基坑以下被動土體區(qū)域的面積增大，樁體前后的被動和主動土壓力差值也在逐漸減小，因此，增加樁長對支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有利，但是樁長的增加并不能很好地抑制樁底的變形，相反，會使樁底的變形增大，即嵌固深度的增加對于樁身變形的限制能力會逐漸減弱，這時樁身的變形將呈雙反彎點形。由于土壓力直接作用于前排樁，因此，前排樁的變形略大于后排樁的變形。綜上分析，增加樁長可以在一定程度上改善樁體受力和變形特性，但效果有限，當樁長增加8 m后，樁體的最大位移量僅相應減小2 cm，但增加樁長會使施工成本呈幾何倍增加，因此，利用樁長來提高穩(wěn)定性不是最佳選擇。根據(jù)模擬結(jié)果，當樁長為33 m時，樁頂和樁底的位移相對較小，且基本相等，因此，建議將本工程雙排樁樁長優(yōu)化為33 m。

3.2 樁徑的影響

保持樁長33 m及其他基本參數(shù)不變，改變樁徑，得到樁頂、樁底和樁體的位移與樁徑的關系（圖4）。從圖4中可以看到：樁徑的改變對于樁頂?shù)挠绊戄^大，隨著樁徑的不斷增大，樁頂位移呈先增大后減小的變化特征，而樁底的位移量基本保持不變。這是因為樁徑較小時，冠梁對樁頂?shù)奈灰萍s束起主要作用，樁徑越小，約束作用越明顯；當樁徑增加后，冠梁的約束作用減小，此時樁徑對樁頂位移的影響作用開始顯現(xiàn)，樁徑越大，約束作用越明顯；隨著樁徑的不斷增加，前后排樁體的最大位移量呈逐漸減小趨勢，表明增加樁徑可以提高支護體的穩(wěn)定性，但其樁徑在增大至一定值后，對變形的約束力將減弱。綜上，建議將本工程的樁徑優(yōu)化為1.2 m。

圖3 樁長-位移關系

圖4 樁徑-位移關系

3.3 樁體剛度的影響

保持樁長33 m、樁徑1.2 m及其他基本參數(shù)不變，改變樁體剛度，得到樁頂、樁底和樁體的位移與樁體剛度的關系（圖5）。

圖5 樁體剛度-位移關系

從圖5中可以看到：與樁徑影響類似，樁體剛度的改變對樁底位移的影響并不明顯，但對樁頂位移的影響很大，隨著樁體剛度的增加，樁頂位移呈冪函數(shù)減小，樁體剛度反映了樁體自身抵抗變形的能力，在受力相等情況下，增加剛度可以有效減小樁體位移，從前后排樁體的最大位移量變化可以看到，其變化趨勢與樁頂位移表現(xiàn)一致，即呈冪函數(shù)型降低，這說明增加剛度能夠起到增加支護穩(wěn)定性的作用，但剛度的增加對于變形的抑制作用在逐漸減弱，當剛度增加至1.0EI后，再增加剛度時位移的減少量將很小，對工程造價不利。因此，建議本工程的樁體剛度保持1.0EI不變。

3.4 樁間距的影響

保持樁長為33 m、樁徑為1.2 m、樁體剛度1.0EI及其他基本參數(shù)不變，改變樁間距，得到樁頂、樁底和樁體的位移與樁間距的關系（圖6）。

圖6 樁間距-位移關系

從圖6中可以看到：隨著樁間距的不斷增大，前后排樁頂?shù)奈灰浦挡粩嘣龃螅珮兜字底兓容^小，基本保持不變，呈現(xiàn)雙反彎點形變形特征。這是因為當樁間距增加時，樁底部會承受比原來更大的土壓力，導致樁底位移量逐漸增加，而上部由于受到冠梁的約束作用，因此變形呈雙反彎點形變化，這對支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不利。樁體最大位移隨著樁間距的增加呈逐漸增長趨勢，特別是當間距增加至4D（D為樁徑）后，樁體位移量將顯著增加，且前排樁的位移量遠大于后排樁，對深基坑支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全極為不利，因此在施工過程中可以將前后排樁進行非對稱布置，并根據(jù)樁徑大小選擇合理的樁間距。由于本深基坑周圍均為比較重要的建筑物，支護安全系數(shù)相應提高，因此樁間距可適當優(yōu)化至2D以減小工程造價成本。

3.5 樁排距的影響

保持樁長33 m、樁徑1.2 m、樁體剛度1.0EI和樁間距2D不變，改變樁排距，得到樁頂、樁底和樁體的位移與樁排距的關系（圖7）。

圖7 樁排距-位移關系

樁排距的增加，意味著前排樁體承受的土壓力將增大，而后排樁體承受的土壓力會減小，但樁頂受到冠梁的約束作用，會使得前后排的位移協(xié)調(diào)一致，故而表現(xiàn)為前排樁的位移會逐漸變大，后排樁的樁頂位移變化幅度較大，而樁底位移變化幅度較小；隨著樁排距的增加，最大位移呈逐漸減小的變化特征，且當樁排距為4D時，其前后排的樁間土體之間擁有良好的協(xié)同性，當繼續(xù)增大排距后，會逐漸導致樁間土壓力向前排樁加強，使得后排樁的支護作用和效果減弱，協(xié)同變形的能力降低。因此，建議在施工時將樁排距擴大為4D，且在施工過程中可以采用非對稱配筋方式對配筋方案進行優(yōu)化，以減小前后排樁的彎矩差異。

4 實際運用效果

根據(jù)分析結(jié)果，決定采用樁長33 m、樁徑1.2 m、樁體剛度1.0EI、樁間距2D以及樁排距4D等參數(shù)對現(xiàn)場進行支護施工，并對基坑兩側(cè)的位移變形進行了全過程監(jiān)測，結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看到：基坑兩側(cè)的沉降變形呈“凹”形分布，基坑東側(cè)的沉降變形明顯大于西側(cè)，這是因為鐵路隧道的存在對基坑具有遮擋效應；東側(cè)基坑最大位移為3.3 cm（小于設計規(guī)范值），且最大位移位于東側(cè)基坑約4 m處；在離基坑遠側(cè)，地表沉降量隨距離的增大而增大，這是由于鐵路隧道兩側(cè)土壓力分布不均導致的現(xiàn)象。總體而言：深基坑雙排樁支護結(jié)構(gòu)效果良好，有利于鐵路隧道和基坑的穩(wěn)定安全。

圖8 沉降曲線

5 結(jié)語

采用數(shù)值分析方法，對鄰近鐵路隧道深基坑雙排樁支護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律進行了探討，從樁長、樁徑、樁體剛度、樁間距以及樁排距等多個參數(shù)出發(fā)，分析了不同參數(shù)對支護結(jié)構(gòu)位移變形的影響。同時考慮工程造價成本，最終得到案例工程的最佳支護方案為：樁長優(yōu)化為33 m、樁徑優(yōu)化為1.2 m，樁體剛度保持原設計方案1.0EI不變，樁間距優(yōu)化為2D，樁排距優(yōu)化為4D。實際運用結(jié)果表明：深基坑雙排樁支護結(jié)構(gòu)效果良好，有利于鐵路隧道和基坑的穩(wěn)定安全。