基坑群開挖涉鄰近路堤沉降特性研究

雍曉軍，陳勇浩，楊書一，朱利明，邵毅安

（1.江蘇雷威建設工程有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京工大橋隧與軌道交通研究院有限公司，江蘇 南京 210031；3.南京工業大學交通運輸工程學院，江蘇 南京 211816）

1 引言

伴隨城市規模日益擴大，市內公路交通網與老舊城郊鐵道線路交叉貫穿日益普遍。由于鐵道交通常擔負大運量、長運距的交通動脈角色，在空間構筑物密集的公鐵交叉段，采取不中斷鐵路運營的頂管施工，變得越來越普遍。多箱涵頂進施工所需的工作基坑，以及銜接路堤兩側道路的敞開式槽體結構施工均需進行基坑開挖。在敏感構筑物周圍的多基坑開挖所形成的基坑群，其引起的鄰近鐵路路堤、橋梁樁基承臺位移是重要的施工控制指標[1～3]。

陳湘桂等[4～10]研究大型廠房內連續基坑群不同位置深層位移；李明廣[12]開展基坑群中相鄰圍護結構受力變形特性研究，并提出坑間有限寬度土體作用下的圍護結構設計分析方法；趙彤[13]研究大型基坑群的開發進度、工期、造價及施工；聶子云等[2]研究了地鐵深多重基坑對周圍環境的影響。影響基坑鄰近構筑物變形的因素有很多，例如基坑開挖深度、圍護結構剛度、基坑施工順序、構筑物基礎形式等。一般認為，圍護結構的混凝土等級對土體變形控制效果比較微弱[4～10]。實際施工中，由于各類因素影響，混凝土澆筑質量難以保證，客觀上導致了結構混凝土等級降低。基坑群開挖，圍護結構在空間上分割土體，現有研究對土體空間結構研究較少。因此，探究基坑群基坑施工中，不同混凝土等級的圍護結構對鄰近路堤沉降特性及空間土體的有益作用，對鄰近路堤的基坑群設計和施工控制優化具有重要意義。

2 工程背景及概況

2.1 基坑工程概況

杭州市蕭山區錢江世紀城民祥路工程實施范圍西起環路平交路口，東至鐵東路平交路口，在滬昆鐵路約K203+713、K203+750、K203+775、K203+812依次分別新建7m、7.5m+8m、7.5m+8m、4m共四組6孔框架，頂進下穿滬昆鐵路上、下行線兩股道路堤，框架中心線與鐵路正交。滬昆鐵路路堤、杭深鐵路（滬昆高鐵）橋及橋下既有U型槽均在施工平面范圍內。頂進工作坑1、3、5、7自北向南沿滬昆鐵路路堤布置，5號基坑東南角，距離路堤最近處約為5.0m；新建U型槽基坑2、4、6自北向南布置，并與既有U槽相連，其中2號坑位于杭深鐵路（滬昆高鐵）橋141#與142#橋墩之間，與橋墩最近處約為8.6m。

頂進工作坑1、3、5、7深度（后背處深度）分別為3.132m（3.95m）、5.227m（6.1m）、5.227m（6.1m）、0.977m（1.85m）。1、3、5號坑南北東三面均采用Φ1200～Φ1500鉆孔灌注樁+3排Φ 800高壓旋噴樁，其中鄰近鐵路路堤側選用大直徑灌注樁，西面為Φ1200@1400鉆孔灌注樁+1排Φ850高壓旋噴樁。3、5號坑采用首層800×800混凝土支撐，1號坑不設內支撐。7號坑南北側為拉森IV形鋼板樁+1排Φ800高壓旋噴樁，東西側另增Φ1200鉆孔灌注樁。

新建U型槽基坑2、4、6最大深度分別為4.8m、3.239m、3.239m。2號坑采用Φ1000鉆孔灌注樁+拉森IV形鋼板樁+1排Φ700雙軸攪拌樁。4、6號坑與2號支護形式相似，且距滬昆鐵路路堤、杭深鐵路（滬昆高鐵）橋梁橋承臺較遠。既有U槽西側端頭既有圍護樁結構，其冠梁標高高于既有U槽底板。灌注樁頂冠梁尺寸介于 1700×1000～1200×800之間，總體布置規律遵循沿近鐵路路堤側尺寸大，反之小。民祥路工程中前述構筑物位置關系如圖1所示。

圖1 民祥路工程基坑群與構筑物位置關系

2.2 基坑周邊構筑物概況

基坑東側鄰近既有鐵路，由西向東依次為滬昆鐵路、杭深鐵路、滬昆高鐵。滬昆鐵路為I級鐵路，2股道，線間距為4.0 m ～5.0m，1、3、5、7處頂進施工直接穿過鐵路路堤；杭深鐵路、滬昆高鐵為高速鐵路，2股道，線間距為4.0 m～6.5m，敷設于鐵路橋上，鐵路橋梁為32m簡支梁，橋墩采用n形雙柱墩，承臺樁基采用16×Φ1000鉆孔灌注樁。與新建U型槽最近高鐵承臺頂標高6.721m，承臺底標高4.721m。與4、6號基坑相接的既有U型槽，由于緊鄰開挖面，采用Φ1000鉆孔灌注樁+1排Φ800高壓旋噴樁加固，以期減少施工擾動。

3 計算模型建立和計算參數選取

使用MIDAS GTS NX大型巖土有限元分析軟件建立模型，土層計算參數依據現場實測值調參后，取值如表1所示。采用修正Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，該模型是在M-C本構模型基礎上改善的硬化土本構模型，適用于基坑、隧道開挖等工程問題。混凝土支撐、鋼板樁、橋梁墩臺、樁基等，假設在基坑開挖過程中始終處于彈性變形狀態，采用彈性本構模擬。

土層計算參數選取 表1

本模型土體、承臺、橋墩采用實體單元模擬，橋樁、支撐、冠梁采用梁單元模擬。基坑圍護樁根據等效抗彎剛度原理，考慮鉆孔灌注樁直徑D、樁間凈距t，將圍護樁轉換為等剛度地連墻，等剛度地連墻厚度為h，使用板單元模擬，換算關系見公式（1）。模型底部固定約束，側面滑動約束，共計259 209個單元。三維空間計算模型如圖2所示。

圖2 三維空間模型

土-構筑物耦合作用復雜，通過界面單元模擬可能會發生滑動或分離的異質材料界面，模擬相對剛度差異較大的地基和結構之間界面的行為。使用GTS NX中界面單元參數助手，根據兩接觸單元的材料屬性，自動計算各層土體與混凝土對應的界面單元法向剛度模量、切向剛度模量、摩擦角及粘聚力。

計算工況和實際工況對應，全場基坑圍護結構施作完后再進行開挖。基坑現場開挖順序為1-5-3-2-6-4-7，所有基坑均單次開挖至設計標高。模型不考慮基坑開挖的時間效應[10]。數值模型路堤西側邊緣的變形趨勢與現場施工順序吻合，路堤西側計算沉降值與現場實測值吻合較好，數值模型對土體變化趨勢的模擬具有可信度，參數分析得到的結果具有參考價值。

圖3 路堤頂面西邊線全工況沉降圖

4 不同混凝土等級對鐵路路堤沉降的影響

民祥路工程基坑群排樁混凝土設計標號C30，以C30為基準分析沉降分布形式，工況選取基坑3開挖結束后進行分析。依次將排樁混凝土參數改為C20、C25、C40，針對鐵路路堤坡腳處CX2、CX6、CX9的位移變化曲線，研究圍護結構混凝土強度等級變化對鐵路路堤坡腳變形的影響，如圖4所示。

圖4 不同混凝土強度下CX2、CX6、CX9沉降值比較圖

由圖4計算結果可以看出，某一測點的沉降值大小受鄰近開挖基坑固有特性影響最大。CX2是1號基坑東側端頭的測點，CX6、CX9分別是3號與5號較大較深基坑東側端頭測點，由于開挖深度差異，導致CX6與CX9的沉降值與CX1相差顯著。

所有測點的沉降值均隨圍護結構混凝土標號增大而降低。由于CX2位于小基坑端頭，由基坑開挖引起的土壓力較小，增大混凝土標號以減小土體變形效果不明顯。CX6、CX9處對土體沉降的控制效果更顯著，是因為隨著基坑開挖深度增加，圍護結構所受土壓力增加，圍護結構受彎效應加劇，提高混凝土標號使圍護結構更加剛硬，從而減少了自身變形，進而阻礙了周圍土體產生位移，減小了沉降。

通過計算不同混凝土等級下的基坑端頭土體產生沉降差值比例，結果表明，通過提升圍護結構的混凝土等級，以限制較小基坑端頭頂部邊緣土體的沉降效果不明顯。隨著基坑開挖深度增加，提高混凝土等級效果更加顯著。需要指出深大基坑處的圍護結構混凝土等級降低，所引發測點土體沉降增幅更加劇烈。由上述分析可知，不同混凝土等級的圍護結構，對路堤坡腳沉降的限制效率不同。本工程下穿鐵路路堤，探討路堤頂面土體變形規律是必要的。對路堤頂面軸線與東西邊線進行基坑群開挖后工況分析，混凝土標號選取規則同前。

由圖5(a、b、c)可以看出，路堤頂面產生的沉降幅值，由西側邊線向東側邊線遞減，最大沉降值依次約為-4.0mm、-2.1mm、-1.5mm。近開挖處的區域沉降會出現明顯峰值，且峰值較大的沉降區域會拉平峰值小的沉降區域，使得較小沉降區峰值沉降區域擴大。從空間上看，圖5(a)區域1處為基坑1與基坑3的東端頭間隔，且此處混凝土等級提升帶來效果不明顯；區域3處表征基坑5與基坑7間土體，可見此處路堤頂的沉降，出現了明顯的極小值，且基坑7所引發的沉降峰值向基坑5偏移。區域2處為基坑3與基坑5間的土體，其沉降值偏小，且混凝土等級的變化所帶來的約束效果小于基坑3與基坑5坑內范圍，但均大于基坑1與基坑7處。

圖5 不同混凝土強度下路堤頂面沉降值比較圖

區域1處，該處圍護結構形成了一個封閉三角形，三角區域內土體阻礙了路堤側圍護樁的變形，形成的土楔起主要作用，故提升混凝土級別所帶來收效不明顯。

區域3處，基坑5與基坑7間距較大，局部土體位移的影響得到消散，因此沉降趨勢有拐點出現。由于基坑7長寬比（＞5）較大，南北向圍護結構對土體的約束強于東西向，從而長邊土體變形大于短邊。在基坑5開挖共同作用下，該處路堤頂土體最大沉降向基坑7北側偏移。

從沉降影響區域來看，基坑3與基坑5開挖尺寸與深度接近，故對兩側影響區域寬度接近。

區域2處，由于場地土狹長，無法形成土楔，圍護結構的抗彎剛度依舊起主要作用，提升混凝土等級的效果較明顯。但是兩側的基坑開挖對土體的擾動很大，使得該處地基頂面西側土體沉降較大。

圖5(b)與圖5(a)的路堤沉降值離散點分布趨勢類似。在基坑1與基坑3之間的土體沉降同樣出現了峰值拉平的現象；在大基坑軸線對應位置，沉降峰值保持最大，且圖5(b)兩峰值間距相較于圖5(a)增大了4.0 m；在對應基坑7位置無峰值出現。

圖5(c)中，由較大的基坑4與基坑6開挖，引起的沉降峰值幾乎消失，從數值分布上看已接近水平線，而基坑2對應處的沉降峰值更加明顯。這是由于基坑4與基坑6遠離路堤，且現場保留的U槽及擋土墻對路堤形成了有效的約束，圍護結構后的土體幾乎是一起沉降的，并未出現向某一點沉降值收斂的情況。142#橋墩與143#橋墩處的沉降值出現極小值，是由于該處的兩側圍護結構，將土體限制在狹長空間，且橋臺及樁體組成了有效的擋土結構，所以對應的路堤頂面土體沉降快速減小。

圖5(b、c)可看出，改變混凝土等級以抑制土體沉降的效果并不明顯。綜上所述，全場地的圍護結構可以通過選擇不同等級混凝土進行施工，以充分節省投資。同時由以上分析，可以看出路堤頂面土體沉降值大小、分布規律與開挖面的距離，周圍多構筑物的空間關系，大小坑的相對位置及圍護結構物理力學性質均有關。

5 結語

通過比較不同混凝土強度條件下的圍護結構，分析場地土體所形成空間結構，對鄰近路堤沉降的影響，得出以下結論。

①提高圍護結構混凝土強度使土體沉降減小的有益效果與開挖基坑的固有特性有關。根據分析，深大基坑處的圍護結構混凝土等級提高，所帶來對土體沉降的阻礙效果，相比小基坑更加明顯。并且，深大基坑處的圍護結構澆筑質量達不到標準，所引發周圍土體沉降增幅會更加劇烈。

②改變混凝土強度以控制鄰近路堤沉降的效果，與基坑周圍土體所構成的空間結構有關。由于圍護樁與土體共同構成“土楔”，可以有效支撐圍護結構的受彎變形。因此，提升“土楔”處的圍護結構混凝土強度，減小附近土體沉降效果不明顯。

③路堤頂面土體沉降值大小、分布規律與開挖面的距離，周圍多構筑物的空間關系，大小坑的相對位置及圍護結構物理力學性質均有關。現場U槽及擋土墻對路堤形成了有效的約束，圍護結構后的土體幾乎是一起沉降的，沉降值未出現向某一點形成峰值的情況；兩側擋土墻將土體限制在狹長空間，橋臺及樁體組成了有效的擋土結構，使得路堤對應位置處沉降減小。

④全場地的圍護結構可以通過選擇不同等級混凝土進行施工，以節省投資。同時，需保證深大基坑處圍護結構的混凝土澆筑質量。