鄰高鐵及站房富水砂層基坑變形控制對策研究

于廷新

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

1 概述

隨著城市地下空間開發(fā)和高鐵建設(shè)的迅速發(fā)展，高鐵及站房周邊地下空間開發(fā)日益增多。由于站前廣場等配套工程具有滯后性，故常在高鐵及站房建設(shè)完成后施工[1]。而已建好的高鐵及站房對位移和沉降要求極為嚴(yán)格，尤其在富水砂層地區(qū)，周邊配套工程基坑圍護資金投入少、設(shè)計薄弱，對高鐵及站房重視程度不夠、保護經(jīng)驗不足[2－3]，基坑開挖及降水極易產(chǎn)生地下水滲流破壞、涌水涌砂等問題，造成高鐵及站房位移和沉降超標(biāo)，損失巨大，影響高鐵安全運營[4－5]，故急需針對富水砂層地區(qū)配套工程基坑對高鐵、站房的影響及變形控制對策進行高精度研究。

諸多研究人員對基坑開挖及降水對周邊環(huán)境的影響進行了研究:婁平等[6]采用理論分析、數(shù)值模擬等方法對砂卵地層基坑降水控制技術(shù)進行研究，得到降水穩(wěn)定時間及沉降值；邱明明等[7]通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測研究了降水滲流作用下富水砂層地下連續(xù)墻深基坑施工變形性狀及影響因素；胡冰冰等[8]通過理論分析、現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬，分析并優(yōu)化了基坑下臥弱隔水層注漿加固方案；胡瑞清等[9]采用有限元法分析研究基坑卸載期間支護結(jié)構(gòu)、基坑側(cè)方地鐵交叉隧道及車站的變形及受力特性；馮春蕾等[10]研究了考慮空間效應(yīng)的砂卵石地區(qū)地鐵車站基坑整體變形規(guī)律和模式，制定了以內(nèi)支撐施加預(yù)應(yīng)力為主的地鐵車站基坑動態(tài)變形控制流程。

研究人員就基坑開挖和降水對建筑物的影響做了較多研究，但針對緊鄰高鐵及站房的后施工周邊配套工程大型深基坑的影響分析及方案動態(tài)調(diào)整研究較少。本文依托某緊鄰高鐵及站房的站前廣場粉細(xì)砂層基坑案例，案例中雙排樁圍護結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，專家學(xué)者對雙排樁受力有不同見解[11]。在高鐵及站房的嚴(yán)格變形要求下，采用PLAXIS小應(yīng)變土體硬化模型進行三維數(shù)值分析、圍護方案動態(tài)調(diào)整、降水影響分析并進行現(xiàn)場監(jiān)測，研究得出了基坑對土體、站房樁基和高鐵路基的影響規(guī)律。并提出減小高鐵及站房變形的控制對策。本基坑經(jīng)驗可為富水砂層地區(qū)緊鄰高鐵及站房的基坑施工提供借鑒。

2 工程概況

本站前廣場項目基坑形狀不規(guī)則，東西長約280 m，南北長約200 m，基坑面積50 500 m2。鄰高鐵及站房處基坑深度為11.6 m，屬于深大基坑，基坑安全等級為一級，基坑使用年限一年。

基坑北側(cè)距鄭徐高鐵路基60 m。鄭徐高鐵設(shè)計速度350 km/h，為無砟軌道，變形要求極為嚴(yán)格，影響高鐵路基長度250 m。北側(cè)距站房20 m，站房基礎(chǔ)形式為鉆孔樁基，樁長39 m。北側(cè)7～13 m范圍為高鐵站地埋地?zé)岜谜尽；悠渌齻?cè)無重要建筑物。鄭徐高鐵路基采用素混凝土樁加固，素混凝土樁徑0.6 m，樁長18 m，樁間距2.5 m。

3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

場地地層屬第四紀(jì)全新世(Q4)，地質(zhì)成因以黃河沖積為主，自上而下為:

(1)粉砂:黃褐色，松散～稍密；

(2)粉質(zhì)黏土:灰褐色，軟塑；

(3)粉土:黃褐色，中密；

(4)粉質(zhì)黏土:黃褐色，軟～可塑；

(5)粉土:黃褐色，中密；

(6)粉質(zhì)黏土:黃褐色，可塑；

(7)細(xì)砂:黃褐色，中密～密實；

(8)粉質(zhì)黏土:黃褐色，硬～可塑；

(9)細(xì)砂:黃褐色，密實。

場地地下水主要為第四系潛水，局部為上層滯水，地下水位埋深5.0 m，水位年變幅1.0～3.0 m。

4 基坑圍護最初方案

最初整個基坑圍護費用投入少，北側(cè)緊鄰高鐵及站房處基坑開挖深度11.6 m。原設(shè)計單位最初采用懸臂雙排圍護樁支護，前排樁及后排樁均采用?600@1 200 mm的鉆孔樁，排距2.4 m，嵌固深度均為18 m，兩排樁樁頂設(shè)連梁及冠梁。基坑支護平面見圖1，基坑支護剖面見圖2。

圖1 基坑支護平面

圖2 鄰站房及高鐵側(cè)基坑支護剖面(單位:m)

東側(cè)、西側(cè)、南側(cè)基坑開挖深度為9.0～11.6 m，采用兩級放坡開挖，坡率1∶1.5～1∶1.75，坡面掛網(wǎng)噴混。

地下水處理初步方案:站房及高鐵側(cè)基坑采用?500@300 mm的單軸攪拌樁進行止水，樁長14 m。其他三側(cè)未設(shè)止水帷幕。

基坑內(nèi)采用管井降水，管井深度22 m。共布置管井196口，間距15 m，成孔直徑600 mm，內(nèi)徑300 mm，井管外濾料采用2～4 mm級配均勻石英砂。施工期間連續(xù)降水至基坑底以下0.5 m。坑頂、平臺、坑底設(shè)置排水溝和集水井。

5 三維數(shù)值分析及方案調(diào)整

5.1 模型及參數(shù)

鑒于本站前廣場粉細(xì)砂層深大基坑緊鄰既有站房及高鐵，故進行三維數(shù)值分析，且本構(gòu)模型采用專家學(xué)者推薦的用于基坑對敏感建筑物影響研究的小應(yīng)變土體硬化本構(gòu)模型[12]。根據(jù)原位鉆孔剪切試驗、自鉆式旁壓試驗等原位測試及室內(nèi)試驗，確定主要土層的小應(yīng)變土體硬化模型參數(shù)如表1所示。

表1 主要土層小應(yīng)變土體硬化模型參數(shù)

運用PLAXIS軟件建立三維有限元模型，針對基坑開挖對站房和高鐵的影響進行有限元分析。高鐵路基素混凝土樁基礎(chǔ)、站房樁基礎(chǔ)均采用embed樁模擬，支護樁采用板單元模擬，冠腰梁、內(nèi)支撐按梁單元模擬。三維有限元模型如圖3所示。

圖3 三維有限元模型

本項目基坑施工分為三個工況:

初始工況:初始地基模型，激活所在位置原始土層信息、高鐵路基及素混凝土樁、站房樁基等。

工況一:放坡開挖上部土體，模擬施作雙排支護樁、止水帷幕、冠梁。

工況二:模擬開挖至基坑底。

5.2 數(shù)值分析及方案調(diào)整

通過對原基坑圍護方案的三維數(shù)值分析，得出基坑開挖到底后土體、圍護樁、站房樁基、高鐵路基的位移云圖。結(jié)果顯示，基坑圍護樁最大水平位移達(dá)115 mm，站房樁基最大水平位移為17.4 mm。而基坑水平位移和沉降控制值為40 mm，站房樁基水平位移控制值為10 mm，故基坑及站房地表水平位移和沉降、站房樁基水平位移均超過變形控制要求。同時，在基坑試驗段局部施工過程中，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)北側(cè)站房處基坑變形較大，產(chǎn)生較多裂縫，印證了數(shù)值分析結(jié)果，故急需對原基坑圍護設(shè)計方案進行調(diào)整。

根據(jù)數(shù)值分析，最大變形在雙排樁頂，原因為懸臂過高，需增設(shè)支撐，控制雙排樁位移，進而控制站房及高鐵位移。提取無支撐時、設(shè)支撐時圍護樁水平位移數(shù)據(jù)，并與現(xiàn)場監(jiān)測對比，繪制對比曲線，如圖4所示。

圖4 設(shè)支撐前后圍護樁水平位移對比曲線

由圖4可知，增設(shè)支撐后，雙排樁最大水平位移由115 mm驟減為36 mm，現(xiàn)場監(jiān)測的圍護樁水平位移與數(shù)值分析基本一致，數(shù)值分析結(jié)果可靠，現(xiàn)場監(jiān)測值偏大，是由于局部超挖、坑邊超載等施工因素導(dǎo)致。

設(shè)置支撐前后站房樁基水平位移對比曲線如圖5所示。

圖5 設(shè)支撐前后站房樁基水平位移對比曲線

由圖5可知，增設(shè)支撐后，站房樁基最大水平位移由17.4 mm減為8.1 mm。同時，高鐵路基樁基最大水平位移由1.6 mm減至1.2 mm。圍護設(shè)計調(diào)整后基坑、站房變形滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。

6 降水影響分析

由于原基坑設(shè)計僅在站房及高鐵側(cè)設(shè)置單側(cè)止水帷幕，止水帷幕未封閉，無法隔斷基坑與外側(cè)的地下水，基坑降水會對站房及高鐵造成影響。地下水位埋深為5 m，水位降至坑底下0.5 m，水位降深7.7 m，砂層滲透系數(shù)K＝0.5 m/d，基坑內(nèi)降水井?dāng)?shù)量多達(dá)196口，降水影響分析復(fù)雜。

基坑內(nèi)外任意點水位降幅s:

式中:q為單井涌水量(m3/d)；K為含水層滲透系數(shù)(m/d)；M為含水層厚度(m)；n為計算分層數(shù)；R為影響半徑(m)；ri為任意點距降水井的平面距離(m)。

降水引起地面某點的沉降量按下式計算:

式中:Δsw為水位下降引起的地面沉降量(mm)；σwi為水位下降引起的各計算分層有效應(yīng)力增量(kPa)；Δhi為受降水影響地層的分層厚度(mm)；Esi為各分層土體的壓縮模量(kPa)；Ms為經(jīng)驗系數(shù)。

計算得出基坑內(nèi)外各點水位降幅及沉降，沉降等值線如圖6所示。

圖6 站房及高鐵處沉降等值線

沿1-1剖面作出站房及鄭徐高鐵水位降幅曲線、沉降曲線，如圖7、圖8所示。

圖7 站房及鄭徐高鐵水位降幅曲線

圖8 站房地表及鄭徐高鐵沉降曲線

由圖7、圖8可見，基坑群井降水影響半徑達(dá)110 m，站房處水位降幅2～7 m，地表沉降為34～103 mm；鄭徐高鐵路基附近水位降幅為1～2 m，路基處沉降為17～34 mm。可見站房沉降、鄭徐高鐵沉降均超出鐵路要求，故需在基坑四周設(shè)置封閉止水帷幕，隔斷基坑與站房、高鐵的水力聯(lián)系，減少基坑內(nèi)降水引起的沉降。

同時，基坑設(shè)置降水井?dāng)?shù)達(dá)196口，數(shù)量過多，應(yīng)減少并按需降水；降水井深度過大，達(dá)22 m，應(yīng)減小降水井深度，使其不超過止水帷幕深度、不深入下部細(xì)砂層。對現(xiàn)場降水井檢查時發(fā)現(xiàn)水質(zhì)混濁，粉土、粉砂顆粒隨降水而流失，造成周邊沉降，故應(yīng)嚴(yán)格檢查降水井出水含砂量，不得超過1/100 000，并在站房、高鐵位置設(shè)置回灌井，在地下水位降低時及時進行回灌。

在止水方面，由于站房及高鐵側(cè)雙排樁采用?600@1 200 mm的鉆孔樁，樁間凈距較大，達(dá)600 mm。原設(shè)計單軸攪拌樁止水效果差，產(chǎn)生流土、流砂現(xiàn)象。為保證帷幕止水效果，站房側(cè)應(yīng)采用雙排三軸攪拌樁作為止水帷幕。

7 結(jié)論

(1)原懸臂雙排樁圍護設(shè)計導(dǎo)致基坑周圍土體變形及站房樁基變形過大、超標(biāo)，需增設(shè)支撐，鄰高鐵及站房的配套工程基坑宜采用樁(墻)撐圍護體系，不宜采用雙排樁。

(2)原基坑僅站房側(cè)設(shè)計止水帷幕，基坑群井降水影響半徑達(dá)110 m，站房及高鐵沉降均超出鐵路要求，故需在基坑四周設(shè)封閉止水帷幕。

(3)應(yīng)減少降水井?dāng)?shù)量、深度并按需降水，同時嚴(yán)格控制降水井出水含砂量，站房及高鐵處設(shè)置回灌井。

(4)站房及高鐵側(cè)圍護樁間距過大，采用雙排三軸攪拌樁代替單軸攪拌樁止水，解決了流土、流砂問題。

(5)現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值分析基本一致，數(shù)值分析結(jié)果可靠，局部超挖、坑邊超載等施工因素導(dǎo)致現(xiàn)場監(jiān)測值偏大。小應(yīng)變土體硬化模型參數(shù)，可根據(jù)原位鉆孔剪切試驗、自鉆式旁壓試驗等原位測試及室內(nèi)試驗綜合確定。

(6)應(yīng)對攪拌樁質(zhì)量進行嚴(yán)格檢測，并進行群井抽水試驗，滿足要求后方可開挖。開挖時應(yīng)對基坑、站房及高鐵處水位進行動態(tài)聯(lián)動監(jiān)測。