鐵路橋臺基坑開挖支護方案及穩定性計算

唐小軍，袁仕貴

（云南省鐵路集團有限公司，云南 昆明 650118）

在公路、鐵路、建筑行業中，基坑開挖與支護是不可缺少的分部分項工程，而基坑事故屢有發生，引起了廣大學者與工程技術人員的關注。鄭剛等運用有限元方法研究了傾斜樁支護結構的工作性能和基坑的穩定性。陳云鋼等運用有限元軟件Abaqus 建立臨近鐵路側樁錨復合支護結構模型，模擬分析鐵路兩側沉降、樁頂水平位移、樁頂沉降，并與監測結果進行對比。孫超等運用Midas GTS 軟件模擬計算得出的樁頂水平位移和圍護結構最大水平位移與實際監測數據基本吻合。鄭剛等采用有限差分法，研究了局部超挖對雙排樁內力、變形及穩定性的影響。辛鵬飛等采用FLAC3D 建立基坑開挖對周邊環境影響的數值模型，對基坑開挖引起的坑底變形與位移進行分析計算。以上取得了豐富的研究成果，并運用于工程實踐中。本文以某鐵路橋臺基坑為例，分析基坑開挖支護方案并運用Flac 3D 進行相應的模擬分析與計算，以期為工程實踐提供依據與參考。

1 工程概況及基坑支護方案

某新建鐵路雙線大橋橋臺位于某隧道進口的斜坡上，承臺邊緣距離正在施工的隧道口11m，橋臺基坑后緣開挖深度7.5m。根據地勘報告地下水位線在承臺以下，基坑開挖不受地下水影響，地層分別為回填土、全風化帶頁巖，砂巖和強風化帶頁巖、砂巖，無不良地質及特殊巖土。橋臺處地層巖土物理力學指標如表1所示。

表1 巖土體及支護樁物理力學參數

根據現場施工場地情況，為確保該橋臺基坑開挖時不影響其上方施工便道正常通行及隧道洞口的穩定，確定該橋臺基坑開挖支護方案為：基坑開挖深度7.5m，基坑采用直徑為1.0m 鉆孔灌注排樁進行支護，防護樁灌注前下放鋼筋籠，采用C30 混凝土。排樁間凈距1.5m,樁長12m，如圖1。

圖1 基坑開挖支護示意圖

2 樁基支護穩定性驗算

該基坑開挖支護采用平面桿系結構彈性支點法計算，計算作用在支護結構上的水平荷載時，考慮下列因素：①基坑內外土的自重（包括地下水）；②基坑周邊既有和在建的建（構）筑物荷載；③基坑周邊施工材料和設備荷載；④基坑周邊道路車輛荷載；⑤凍脹、溫度變化及其他因素產生的作用。因本工程基坑地下水埋深較深，基坑開挖地下水不出露，故只需考慮地下水位以上土層情況。

排樁懸臂式支擋結構的嵌固深度（l）應符合式（1），嵌固穩定性受力如圖2所示。

圖2 懸臂式結構嵌固穩定性驗算

式中：K—嵌固穩定安全系數；安全等級為一級、二級、三級的懸臂式支擋結構，K分別不應小于1.25、1.2、1.15；

E，E分別為基坑外側主動土壓力、基坑內側被動土壓力標準值（kN)；

a、a分別為基坑外側主動土壓力、基坑內側被動土壓力合力作用點至擋土構件底端的距離（m)。

經計算，

計算結果大于安全等級為1 級的懸臂式支擋結構嵌固穩定安全系數1.25，符合要求。

3 橋臺基坑支護結構模擬計算

3.1 模型構建

模型取長、寬、高分別為80.0m、63.0m、76.0m，根據地勘資料，模型地層結構劃分從地表至基巖分別為：隧道山體為強風化砂巖、基坑地面以下4 米為強風化砂巖、4 米以下為中風化砂巖層，構建的三維斜坡開挖支護后的模型如圖3所示。采用位移邊界約束條件，對模型的四個側向邊界固定其法向約束，基坑臨空面為自由邊界；底面邊界固定了 X、Y、Z 三個方向的約束，不允許產生位移，模型只考慮模型體自重應力場作用，分析原位斜坡在自重應力場作用下的位移和應力響應行為。

圖3 基坑開挖支護模型

3.2 基坑開挖應力與位移

3．2．1 應力分析

基坑開挖后最大剪切應力如圖4所示，支護樁基后側土體應力明顯高于周圍土體的應力值，這是由于基坑土體開挖后支護樁后側土體在自重作用下向基坑臨空面產生滑動趨勢，下滑力明顯增加，且由于支護樁對土體的支護使得土體不能往下滑動，因而后側土體出現較大的應力集中區域，其中剪應力最為明顯。

圖4 基坑開挖后最大剪應力分布圖

3．2．2 位移分析

基坑開挖后基坑周圍土體的位移區域分布如圖5所示，最大位移區域主要分布在基坑后側（臨近山體側），且最大位移值約為7.8mm；左右兩側坑壁的最大位移值約為3 mm；基坑底部出現的隆起高度約為2mm，因此整個基坑壁最大位移區域為基坑后側壁上部土體，但總體來說位移值較小。

圖5 開挖后最大位移圖

3.3 支護樁基受力及變形

3．3．1 應力分析

橋臺基坑支護樁基的剪切應力分布情況如圖6所示，樁基承受的最大剪切應力值約為8.03 ⅹ105pa，出現在基坑后壁左起第一根樁基底部及右起第一根樁基中部位置；剪切應力較大區域主要集中在樁基底部及基坑開挖最大深度7.5m 位置附近；而左右側壁支護樁中最大剪切應力主要集中在最大開挖深度區域且應力值遠小于后壁支護樁基。

圖6 支護樁基最大剪切應力圖

3．3．2 位移分析

基坑邊坡支護樁基最大位移情況如圖7所示，樁基的最大位移出現在基坑后側坑壁支護樁中左起第二至第四根，最大位移值區域為樁基頂部，其值為7.76mm；而基坑左右兩側側壁邊坡中的位移值較小，且隨著距離后側坑壁越遠樁基頂部的位移值越小。表明基坑邊坡土體中后壁邊坡土體位移量最大，兩側邊坡位移值小。

圖7 支護樁基最大位移圖

3.4 基坑邊坡穩定性分析

橋臺基坑開挖后邊坡穩定性計算采用強度折減法進行模擬分析，最終計算獲得的基坑邊坡安全系數為1.574。根據文中對邊坡工程安全等級的劃分以及對邊坡安全系數的定義，可以認為本基坑開挖后基坑邊坡的安全系數符合規范要求。采用強度折減法進行邊坡穩定性分析時，隨著折減系數的不斷增大，邊坡各個部位必然會逐步發生不同程度的塑性變形，因此，如果發生塑性變形的區域相互貫通，那么代表整個邊坡已經發生整體失穩。從圖8可以看出基坑邊坡土體塑性變形土體并沒有形成貫通的大片區域，因此基坑邊坡處于穩定狀態。

4 結論

（1）采用排樁支護方案的嵌固穩定性驗算計算結果大于安全等級為1級的懸臂式支擋結構穩定系數1.25，說明該支護方案是可行的。

（2）橋臺基坑在鉆孔灌注樁支護下進行開挖基坑邊坡土體沒有出現貫通的塑性區，最大位移值較小，剪切應力集中區域不大，因此基坑開挖后其邊坡處于穩定狀態。

（3）支護樁基最大剪切應力值、剪切應變增量區面積、軸向應力值均較小，樁基的最大位移值也符合相關規范要求值，表明樁基在基坑開挖完成后對邊坡的支護作用滿足要求。

（4）采用有強度折減法對整個基坑邊坡進行安全系數求解，安全系數為1.574，滿足要求。