鄰近鐵路隧道的深基坑雙排樁支護結構變形規律及優化設計分析

金 座 中鐵城建集團第一工程有限公司

1 前言

在鄰近鐵路隧道的建筑工程建設中，由于施工受到周邊條件的影響，對安全施工和施工技術要求十分高，為了確保施工的安全性和質量性，在鄰近鐵路隧道的施工中深基坑雙排樁支護結構需要具有良好的性能，但由于此結構受到影響因素比較復雜，對結構性能造成很大的影響，如果不能夠有效控制結構的性能變化，勢必對工程安全、穩定建設造成威脅，因此這就掌握深基坑雙排樁支護結構變形規律，并根據實際情況制定優化方案，確保支護結構長期作用的發揮。

2 工程概況

在某商業樓的建設中，和鐵路隧道的鄰近區域同時施工，此商業樓的地上部分共有10 層，而地下部門共3 層。在擬建場地中，地層按從上到下順序分別是最大埋深是6.56m 的填土、最大埋深是11.9m的黃土、最大埋深是15.7m的古土壤、最大埋深是39.9m的砂土、最大埋深是60.1m的粉質黏土。基坑施工總面積約是2480m2，對基坑設計的開挖深度是20m，且基坑支護主要包括前后的排樁和樁間梁，也就是雙排樁的支護形式。基坑的西側和鐵路施工的線路毗鄰，地下的管網十分多且繁雜，地質的條件比較復雜，尤其是和鄰近的鐵路隧道進行同步施工，這對工程安全性與穩定性造成很大影響。

3 模型建立

3.1 簡化計算

因為基坑的周邊地質十分復雜，諸多因素都會對基坑造成變形的影響，為了便于和簡化計算，就假設因為施工的周期比較短，對地下水的影響不考慮，按照不固結和不排水的條件實施分析，對基坑周邊和其他荷載的作用也不考慮；支護的結構和周圍的土體間通過面面接觸的單元變形對相互作用實現協調；把冠梁與樁頂當作剛性體，對土體考慮是彈塑性的材料，且滿足摩爾庫倫的準則，樁體的材料是彈性體，他們都是以C3D8R為單位類型[1]。

3.2 設置參數

在雙排樁的支護中，計算的基本參數包括：樁排距是2.0 m；樁間距是1.5m；樁徑是1m；樁長是31m；冠梁的高度是1m，寬度是4m。基于基本參數共設計有5 種樁長的類型，分別是27m、29m、31m、33m、35m；樁徑也設計5 種類型，分別是0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m，且樁體的剛度分別是0.50倍EI、0.75倍EI、1.00 倍EI、1.25 倍EI 和1.50 倍EI（其中EI 是樁體的基本性剛度），而樁間距與樁排距分是樁徑的2 倍、3 倍、4 倍、5 倍、6倍。管梁和雙排樁重度是2560kN/m3，其泊松比是0.2、彈性的模量是31.5GPa。

3.3 設定模型和邊界的條件

通過Abaqus 軟件建立模型，其中x 方向是基坑的東西向（東正西負），y方向是南北向（北正南負），z方向是深度的方向（向上為正）。在模型中，范圍大小為東西150m、南北130m、深60m，以地表當作自由的邊界，且基坑的四周是法向約束的條件，而基坑底部是全約束的條件[2]。

4 模擬結果的分析

4.1 改變樁長的結構變形規律和優化

在其它基本參數保持不變的條件下，對樁長改變，發現樁體最大的位移量比樁頂以及樁底位移量顯著增加，表明雙排樁的支護變形是中間大和兩端小的特點。由于樁頂有冠梁，對樁頂位移產生限制，且樁底嵌固在巖石或者堅硬的土層中，存在較大約束力，則樁身的變形呈現出弓字形態。

在樁長在33m之下時，其樁頂發生的位移超過樁底位移，而在樁長在33m之上時，則樁頂發生的位移要比樁底位移小，同時發生的最大位移也隨著樁長的增長而不斷減小。此情況主要是樁長的增加導致嵌入深度的加深，增加了基坑以下的被動性土體的面積，則樁體的前后存在的被動以及主動土的壓力差值在不斷減小，所以樁長增長能夠提高支護的結構穩定性，增加樁長并不能實現對樁底變形的有效抑制，甚至會增加樁底變形，此時樁身變形出現雙反彎點的特點[3]。

通過樁長增長能夠改善樁體的受力以及變形，但達到的效果比較有限，在樁長增長8m 后，則樁體最大的位移僅減小了2cm，卻顯著增加了施工的成本，所以通過樁長增長來提升結構穩定性并非有效手段。按照模擬的結果，在樁長是33m，其樁頂與樁底位移是較小的，就選擇雙排樁是33m樁長。

4.2 改變樁徑的結構變形規律和優化

在樁長是33m 和其它基本的參數不變條件下，對樁徑改變，發現改變樁徑對樁頂存在較大影響。在對樁徑不斷增加時，樁頂的位移呈現先增大而后減小特點，但樁底位移基本是不變的，因為在較小樁徑時，其冠梁約束樁頂位移，且樁徑越小的話，這種約束就越顯著；在增加樁徑后，對冠梁約束力減小，但樁徑會影響樁頂位移，且樁徑越大的話，這種約束就越顯著；隨著不斷增大樁徑，前后排的樁體最大位移呈現逐漸減小的特點，則說明樁徑增大能夠提升結構穩定性，而樁徑增大到一定值，則對變形約束就減弱。通過模擬分析，選擇1.2m樁徑。

4.3 改變樁體剛度的結構變形規律和優化

在樁長是33m且樁徑是1.2m和其它基本的參數保持不變條件下，對樁體剛度改變。發現結構變化和樁徑的影響是類似的，改變樁體剛度并沒有對樁底位移產生顯著的影響，而對樁頂位移產生很大影響，在增加樁體剛度時，樁頂的位移呈現冪函數的減小狀態。通過樁體的剛度反映出樁體變形抵抗能力，在相同受力條件下，對剛度增加能夠降低樁體的位移。很具前后排的樁體最大位移變化得知，其變化的趨勢和樁頂位移是呈現冪函數的降低情況，則對剛度增加能夠提升支護的穩定性，但增加剛度會減弱變形抑制的效果，在增加剛度到1.0EI 時，再對剛度增加效果就會很小，所以本工程保持1.0EI的樁體剛度[4]。

4.4 改變樁間距的結構變形規律和優化

在樁徑是1.2m、樁長是33m、樁體的剛度是1.0EI和其它基本的參數保持不變條件下，對樁間距改變，發現不斷增加樁間距，則前后排的樁頂位移也在不斷的增加，而樁底值的變化基本不變，進而呈現出雙反彎點的形變特點。因為增大樁間距時，樁底部需要承擔的土壓力更大，使樁底位移發生增加，但上部受冠梁約束，呈現出雙反彎點的變形。當不斷增加樁間距，樁體的最大位移也在逐漸增加，當間距到4倍樁徑后，樁體的位移發生顯著增大，同時前排樁位移遠超過后排樁，所以施工中對前后排樁采用非對稱性布置，且按照樁徑大小對樁間距合理選擇。因為深基坑對支護的安全系數要求比較高，則選擇2倍樁徑的樁間距。

4.5 改變樁排距的結構變形規律和優化

在保持上述參數不變的條件下，對樁排距改變，發現增加樁排距，前排的樁體要承受更大土壓力，但后排的樁體所承擔土壓力就會降低，而樁頂受冠梁約束，使前后排位移一致，因為前排樁發生位移逐漸增大，但后排樁樁頂發生位移較大，樁底位移則變化較小。不斷增加樁排距，其最大位移逐漸減小，在樁排距是4 倍樁徑時，前后排樁間和土體間存在良好協同性，在對排距繼續增加時，會使樁間的土對前排樁的壓力增加，減弱后排樁支護效果，且變形的協同性也會下降。在施工時建議把樁排距設置為4倍樁徑，并通過非對稱的配筋方式優化配筋方案，對前后的排樁彎矩差異性進行降低[5]。

5 工程實際運用的效果分析

按照分析的結果，選擇33m 樁長、1.2m 樁徑、1.0EI 樁體剛度、2D 樁間距和4D 樁排距等參數，來對現場基坑實施支護處理，且對基坑的兩側位移和變形實施全程的監測和分析。通過對結果沉降曲線實施分析，發現基坑的兩側發生沉降的變形呈現出“凹”形的分布狀態，基坑的東側沉降變形比西側要明顯，這主要是由于存在鐵路隧道對基坑發生遮擋的作用；東側的基坑最大的位移是3.3cm，比設計的規范值要小，且最大的位移在東側的基坑4m 左右位置；和離基坑的遠側位置，地表的沉降量隨著距離增加而增加，這主要因為鐵路隧道的兩側土存在壓力的分布不均情況而導致的。因此，對深基坑采用雙排樁的支護結構，具有很好的效果，實現鐵路隧道以及基坑的安全性和穩定性提升。

6 結束語

綜上所述，在建立模型基礎上，通過對樁長、樁體的剛度、樁徑、樁間距和樁排距等參數改變，來對和鐵路隧道臨近深基坑的雙排樁支護結構變形的規律實施分析，并根據變形規律進行支護方案的優化，通過后期實踐表明，優化后的支護結構具有很好的效果，能夠確保鐵路隧道以及基坑具有良好穩定性與安全性。