相鄰基坑開挖對高鐵橋梁樁基的影響研究

王振祥

（江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第一地質(zhì)大隊，南京 210041）

0 引言

當前我國社會經(jīng)濟持續(xù)繁榮，物價房價飛漲，城市用地變得寸土寸金。密集的建筑群引起密集的基坑群施工，相鄰基坑甚至多個建筑基坑同時施工的情況也日漸增多，而相鄰基坑開挖，對圍護結(jié)構(gòu)受力變形、坑底加固模式、周圍環(huán)境等的影響也變得更加復雜。在基坑的設計施工階段必須考慮相鄰基坑開挖產(chǎn)生的相互影響[1]。陳東杰[2]對上海鐵路南站特長平行相鄰基坑進行了有限元計算并進行工程監(jiān)測，表明相鄰基坑施工變形影響顯著。顏桂云等[3]研究了雙基坑開挖的空間效應，分析了相鄰基坑同步開挖和不同基坑間距對坑內(nèi)土體沉降、支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力位移分布的影響，探討基坑開挖角部剛度效應。王磊等[4]分析了相鄰深基坑開挖對地下管線的埋深、間距、材質(zhì)等6個方面的位移場變化。沈建等[5]研究相鄰基坑不同施工順序?qū)Ω髯試o結(jié)構(gòu)變形和支撐體系受力的影響。

文中依托江蘇省某相鄰基坑工程，采用midas/gts建立二維模型，研究鄰近基坑開挖卸荷對基坑圍護墻、橋梁樁基的影響，并討論不同開挖順序，圍護墻深度對控制樁基附加變形的作用。

1 工程概況

某地鐵車站垂直正穿高速鐵路，位于高鐵正線34～35#橋墩正中間，為地下2層島式車站。車站長度213.15m，寬度21.7m，大基坑開挖深度約為15.74m，采用明挖順筑法施工，車站主體圍護基坑采用放坡+坑中坑形式，坑中坑形式采用地下連續(xù)墻+三道內(nèi)支撐體系，主體為單柱雙跨結(jié)構(gòu)型式。車站大基坑地連墻厚度800mm，深度20.1m。三道內(nèi)支撐距放坡后的地面距離分別是0.7、4.14、7.24m，其中第一道撐采用鋼筋混凝土撐，截面700mm×900mm；第二、三道撐采用鋼支撐，外徑609mm，厚度16mm。因基坑開挖寬度大，在大基坑底部設置一排直徑900mm抗拔樁，樁長47m。

左右兩側(cè)相鄰承臺小基坑開挖寬度9.75m，深度4.45m，小基坑外側(cè)圍護采用拉森鋼板樁，樁長12m。設置一道鋼支撐，直徑530mm，厚度10mm，距放坡地面0.5m。左右兩側(cè)承臺小基坑底部采用直徑1.25m、樁長76m的鉆孔灌注樁作為基礎樁，橫橋向各3排，樁間距2.4m。地鐵車站與高速鐵路的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 模型概況

2 模型建立

2.1 土體本構(gòu)模型的選取

當前數(shù)值分析在基坑研究與設計中的正確運用，關(guān)鍵點在于土體本構(gòu)模型及參數(shù)的合理選擇應用。徐中華[6]較系統(tǒng)地介紹了巖土數(shù)值分析中常用的土體本構(gòu)模型特點并指出：彈性模型一般不適合基坑工程分析；理想彈塑性模型如摩爾-庫倫模型（MC），鄧肯-張模型（DP），未考慮應力歷史和路徑的影響，且加載和卸荷模量相同，難以同時獲得合理的圍護結(jié)構(gòu)及土體變形；硬化類彈塑性模型如修正劍橋（MCC）、硬化土模型（HS）、修正摩爾-庫倫（MMC），可以反映軟黏土硬化特性，同時區(qū)分加荷和卸荷，可適用于基坑工程分析。基于以上分析，文中采用midas/gts軟件，土體本構(gòu)模型選擇軟件自帶的修正摩爾-庫倫（MMC）模型。該模型的土體剛度和破壞參數(shù)主要包括：三軸固結(jié)排水剪切試驗的參考割線模量Eref50、固結(jié)試驗的參考切線模量Erefoed、三軸固結(jié)排水卸載再加載試驗的參考卸載再加載模量Erefur。黏性土一般Erefoed=Es、Eref50=2Erefoed、Erefur=3Eref50；冪指數(shù)m=0.5，膨脹角ψ可取為（φ-30°）；失效率Rf一般取為0.9，參考壓力pref一般取100kPa。

表1 土層參數(shù)表

2.2 計算模型

考慮基坑開挖尺寸效應的影響，計算模型區(qū)域取為177m×100m。模型底部采用全自由度約束，側(cè)面法向約束。針對二維模型，圍護墻、承臺樁基、抗拔樁均采用梁單元模擬，彈性本構(gòu)；土體采用MMC本構(gòu)；圍護墻、樁基與土之間采用goodman接觸面單元模擬。有限元計算模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

2.3 計算步驟

根據(jù)設計文件，具體計算工況如下：①初始地應力平衡（已放坡開挖）；②圍護墻、承臺樁基施工；③地鐵大基坑第一次開挖0.7m，加一道撐；④大基坑第二次開挖3.5m，加二道撐；⑤大基坑第三次開挖3.1m，加三道撐；⑥大基坑開挖到底，并及時施加0.2m厚素混凝土墊層；⑦兩側(cè)小基坑同時一次開挖0.5m，加一道撐；⑧兩側(cè)小基坑坑同時二次開挖3.95m到底，并及時施加0.2m厚素混凝土墊層。

3 計算結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)有設計文件，進行數(shù)值模擬計算。計算結(jié)果表明，基坑開挖到坑底時，圍護墻及承臺樁基處于最不利狀態(tài)，因此分析主要針對大基坑開挖完成（工況⑥）、小基坑開挖完成（工況⑧）進行分析。圖3、圖4是地鐵大基坑、承臺小基坑分別開挖完成后土體水平位移云圖。由圖可知，基坑開挖，由于內(nèi)支撐作用，土體的水平位移均在各自坑底附近達到最大。承臺樁基的隔離效應，對土體的位移場起到明顯限制作用。同時，大小基坑的開挖也使得承臺樁基受到土體位移作用，產(chǎn)生附加水平位移。

圖3 大基坑開挖完成土體水平位移（單位：mm）

圖4 小基坑開挖完成土體水平位移（單位：mm）

3.1 對地連墻的影響

圖5表示大、小基坑分別開挖完成后，大基坑圍護墻的水平位移。由于第一、二道支撐剛度作用發(fā)揮完全，大于坑外主動土壓力，因此在深度4m以上，圍護墻水平位移朝向坑外。4m深度以下，坑外主動土壓力發(fā)揮主要作用，圍護墻向坑內(nèi)側(cè)移動，并在坑底（15.74m）附近達到最大。因為大小基坑共用圍護墻，在小基坑開挖完成后，圍護墻側(cè)向移動增加近1mm，表明兩側(cè)小基坑開挖影響圍護墻側(cè)向移動。圍護墻在整個開挖過程中，最大水平位移6mm，小于10mm的預警值，因此圍護墻的變形是安全的。

圖5 大基坑圍護墻水平位移

3.2 對承臺樁基的影響

圖6表示大基坑開挖完成后承臺樁基水平位移。樁基整體位移向基坑內(nèi)側(cè)移動，側(cè)向移動規(guī)律一致。3個樁的樁頂水平位移一致，均為1.95mm。內(nèi)側(cè)樁因距離基坑開挖面最近，外側(cè)樁最遠，因此從內(nèi)至外，水平位移逐漸減小，最大水平位移4.8mm。

圖6 大基坑開挖完成承臺樁基水平位移

圖7表示小基坑開挖完成后承臺樁基水平位移。與大基坑開挖完成相比，小基坑開挖完成后樁基表現(xiàn)出更復雜的側(cè)向移動。小基坑開挖完成后，最靠近大基坑開挖面的內(nèi)側(cè)樁受到圍護墻的限制約束，側(cè)向移動規(guī)律與圖5類似，因小基坑的開挖導致附加側(cè)向位移，最大水平位移5.5mm；最外側(cè)樁開挖時除了受到大基坑開挖引起側(cè)向移動的影響，還受到小基坑外側(cè)鋼板樁開挖時產(chǎn)生較大水平位移的影響，引起外側(cè)樁產(chǎn)生較大附加側(cè)向移動；最外側(cè)樁受到鋼板樁支護影響較大，最大水平位移在樁頂處；中間樁也受到外側(cè)鋼板樁變形影響，同時內(nèi)側(cè)圍護墻也有部分限制作用，因此水平位移介于兩者之間。

圖7 小基坑開挖完成承臺樁基水平位移

3.3 不同開挖順序的影響

現(xiàn)有的基坑開挖順序是首先地鐵大基坑開挖，然后兩側(cè)承臺小基坑同時開挖（大?小）。為研究相鄰基坑不同開挖順序的變形影響，文中還研究以下兩種情況：①先同時挖小基坑，再挖大基坑（小?大）；②3個基坑同時開挖（sametime）。

基于上述分析，因中間樁的水平位移介于內(nèi)外側(cè)樁之間，討論不同開挖順序下內(nèi)外側(cè)樁的水平移動。

圖8、圖9分別表示不同開挖順序下，內(nèi)側(cè)樁和外側(cè)樁的水平位移。對于內(nèi)側(cè)樁，3種工況的變形規(guī)律一致，但小?大開挖模式和sametime模式內(nèi)側(cè)樁的側(cè)向移動略小于原有工況，最大水平位移減小量在0.5mm以內(nèi)，因此對于內(nèi)側(cè)樁，3種開挖模式效果接近。對于外側(cè)樁，原有工況因受外側(cè)鋼板樁變形影響較大，水平位移最大；小?大開挖模式和sametime模式下，因小基坑開挖深度淺，僅4.45m，同時大基坑也是在小基坑開挖后或開挖的同時進行，圍護墻的側(cè)向移動是逐漸增加的，不同于大基坑先開挖完成導致圍護墻側(cè)向移動較大，引起樁基側(cè)向移動增大。因此基于以上分析，原有工況側(cè)向位移最大，全部同時開挖現(xiàn)場施工困難，建議采用先開挖小基坑，后開挖大基坑模式。

圖8 內(nèi)側(cè)樁水平位移

圖9 外側(cè)樁水平位移

3.4 拉森鋼板樁的深度影響

根據(jù)文中研究，承臺小基坑外側(cè)的拉森鋼板樁圍護影響著外側(cè)樁基的水平位移，因此文中研究鋼板樁不同插入深度對樁基水平位移的影響。分析工況包括：插入深度8、10、12（現(xiàn)狀工況）、14、16、18、20m。

如圖10，在小基坑開挖深度4.45m時，針對鋼板樁的不同插入深度，外側(cè)承臺樁的水平位移結(jié)果基本一致，可知改變鋼板樁的插入深度并不能有效限制樁身側(cè)向移動。針對拉森鋼板樁，提高鋼板樁樁身剛度是有效的控制途徑。同時根據(jù)陳東杰的研究分析，相鄰基坑開挖引起的整體變形影響并不因為圍護墻剛度變大或變小而消失，在相鄰基坑工程中，采用增大圍護墻及支撐剛度來控制變形影響的意義不大。

圖10 外側(cè)樁水平位移

4 結(jié)語

針對當前城市出現(xiàn)的密集基坑群開挖現(xiàn)象，文中借助江蘇某典型相鄰基坑工程開挖案例，運用有限元方法分析相鄰基坑開挖模式、支護模式對高鐵橋梁樁基的影響，結(jié)論如下：

（1）對于相鄰基坑開挖引起的三排橋梁樁基側(cè)向移動，內(nèi)側(cè)樁主要受到鄰近大基坑開挖影響，外側(cè)樁除了受到大基坑開挖影響，還有小基坑開挖引起外側(cè)鋼板樁圍護變形影響，中間樁的側(cè)向移動介于兩者之間。

（2）考慮不同開挖順序可以有效減小樁基側(cè)向移動，通過比選，建議采用先開挖小基坑后開挖大基坑的模式。

（3）外側(cè)小基坑鋼板樁插入深度、內(nèi)側(cè)大基坑圍護墻和支撐剛度這兩個因素對控制樁基側(cè)向移動意義不大，建議通過增大外側(cè)鋼板樁剛度和提高開挖速度來減小樁基側(cè)向移動。