緊鄰鐵路偏壓基坑長短樁圍護結構受力變形分析

龔宏華，周旭明，詹剛毅，石鈺鋒，4，胡俊浩，蔣亞龍

（1.江西地方鐵路開發有限公司，江西 南昌 330001；2.華東交通大學江西省巖土工程基礎設施安全與控制實驗室，江西 南昌 330013；3.中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070；4.華東交通大學建筑設計院有限公司，江西 南昌 330013）

近年來，我國基礎建設規模不斷增大，鐵路交通網縱橫交錯，經常存在新建橋梁上跨既有鐵路的情況[1-4]。為滿足橋梁跨徑的要求，經常出現橋墩緊鄰鐵路布置的情況，橋梁墩臺基坑施工可能會對鐵路運營安全造成影響。同時，由于墩臺基坑緊鄰鐵路[5]，列車荷載作用也會對基坑圍護結構的穩定造成一定的不良影響。

目前，許多學者對緊鄰鐵路的基坑開挖案例進行了研究，總體可概括為以下幾個方面：①數值模擬，主要通過模擬基坑開挖過程，分析圍護結構的變形受力及鄰近鐵路變形規律，提出基坑施工安全性指標與風險預測[6-8]；②實測分析，主要通過對緊鄰鐵路基坑的圍護結構的變形內力及鐵路結構進行測試后，對圍護結構的穩定性進行評價[9-10]；③理論研究，通過拉格朗日法計算分析在基坑開挖與鄰近鐵路荷載的相互影響下圍護結構的變形規律[11]。

緊鄰鐵路基坑施工變形嚴格控制標準高[12]，因此對圍護結構的設計通常按最不利情況進行，容易造成某些安全系數偏大，結構承載能力不能充分發揮，工程造價偏高。長短樁圍護結構不僅能滿足基坑支護設計的要求[13-16]，同時還能降低工程造價。長短樁圍護結構雖在工程上得到了較好的應用，但在緊鄰鐵路偏壓基坑中使用的案例較少，使用長短樁圍護結構進行支護是否可行存在爭議。為此本文以某緊鄰鐵路的橋梁墩臺基坑施工為背景，對鐵路兩側基坑分別采用等長樁圍護結構和長短樁圍護結構支護，通過比較分析偏壓荷載下兩種方案圍護結構的變形受力差異，探討緊鄰鐵路偏壓基坑中使用長短樁圍護結構進行支護的可能。

1 工況概況

某擬建大橋上跨既有鐵路，采用平面轉體法施工，擬開挖大橋墩臺基坑分別位于鐵路左右兩側，開挖形狀近似為邊長為22.2 m 的正方形。兩側基坑開挖范圍內土層依次為素填土、粉質粘土、強風化粉砂巖、中風化粉砂巖，屬于上軟下硬的土巖復合地層，地下水位埋深1.6～2.0 m。

左側基坑離鐵路路基最近距離為1.8 m，右側鐵路離鐵路路基最近距離為2.1 m，根據《營業線施工安全監測技術規范》（TB 10314-2021）可知，鐵路路基處于基坑施工影響范圍之內，且列車作用于鐵路路基面上的荷載[17]較大，基坑開挖過程中不僅要注意偏壓荷載對基坑圍護結構變形受力的影響，同時也要關注基坑開挖對鐵路路基的影響。為此基坑采用樁徑為1.5 m，樁間距為1.8 m，樁長15 m 的鉆孔灌注樁進行支護。左側基坑離鐵路最近距離約為1.8 m，開挖深度為4.7 m，采用等長樁圍護結構進行支護。右側基坑離鐵路最近距離約為2.1 m，開挖深度為4.3 m，采用長短樁圍護結構進行支護，短樁長8 m，長樁與短樁按1∶1 比例相鄰排布。兩側基坑圍護結構樁頂均設置鋼筋混凝土冠梁，冠梁寬1.7 m，高1 m，基坑周圍布置樁徑為0.6 m，樁間距為0.4 m，樁長為5.5 m 的水泥攪拌樁作為止水帷幕。基坑平面示意圖如圖1 所示。

圖1 基坑平面示意圖Fig.1 Plane diagram of foundation pit

2 測試方案

現場監測內容主要包括圍護結構水平位移監測與圍護結構樁身內力測量。

水平位移監測采用預埋測斜管配合測斜儀測量進行，測量時先將測斜儀導輪卡在測斜管的導槽內，慢慢下放測斜儀直至管底，以測斜管底部為起點，輕拉電纜，每隔0.5 m 進行讀數，直至導輪拉至測斜管頂部。然后將測斜儀導輪旋轉180°，重復上述步驟，完成一個測點的樁身水平位移測量。

樁身內力監測先通過預埋混凝土應變計并采用609 式振弦頻率測讀儀測得頻率值，再通過式（1）～式（3）計算得到鋼筋應力，然后根據混凝土應變與鋼筋應變協調的假定原則[18]換算成混凝土應力，最后通過式（4）計算樁身任一截面處彎矩。

式中：P 為鋼筋內力，kN；k 為標定系數，kN/Hz2；f0為初始頻率值，Hz；fi為實時測量頻率值，Hz；S 為鋼筋截面面積；σc為混凝土應力；σs為鋼筋應力。

式中：M 為樁身彎矩，kN·m；Ec為混凝土的彈性模量；Es為鋼筋計的彈性模量；I0為全截面對中性軸的慣性矩，m4；ds為同一截面位置兩個鋼筋計之間的距離，m；σw，σn分別為圍護樁外側和內側鋼筋應力，MPa。

測斜管與混凝土應變計均固定在鋼筋籠上，為防止元件破壞，灌注樁澆筑時，將混凝土平穩地倒入鉆孔中。破樁時，采用小型破樁機對樁體進行破除。破樁結束后，及時將測斜管接長，同時整理混凝土應變計導線，用膠布密封導線端頭，并將導線塞入塑料保護管中。

如圖2 所示，左側基坑圍護結構樁身水平位移監測點與內力監測點布設于同一根樁中。水平位移監測點共2 處，分別記為：LCX1，LCX2。內力監測點共2 處，分別記為：LZW1，LZW2。測斜管綁扎長度為樁長0～10 m，混凝土應變計在樁長2～8 m 范圍內間距2 m 布設，共4 對，左側基坑剖面示意圖如圖2 所示。

圖2 左側基坑剖面示意圖Fig.2 Profile diagram of left foundation pit

如圖2 所示，右側基坑與左側基坑呈近似中心對稱，為比較長短樁圍護結構與等長樁圍護結構在偏壓荷載下的變形受力，右側基坑的監測點布設與左側基坑對稱。右側基坑水平位移監測點共3 處，分別記為：RCX1，RCX2，RCX3。樁身內力監測點共3 處，分別記為：RZW1，RZW2，RZW3。長樁的測斜管與應變計布設方式同左側基坑，短樁測斜管綁扎長度為樁長0～8 m，應變計在樁長2～4 m 范圍內間距2 m 布設，4～5 m 范圍內間距1 m 布設，5～7 m 范圍內間距2 m 布設，共4 對，右側基坑剖面示意圖如3 所示。

左側基坑與右側基坑開挖深度均較淺，加之現場施工進度較快，兩個基坑均在兩天內開挖至坑底。現場主要對基坑開挖至一半深度、開挖至坑底及開挖完后一個月內的圍護結構水平位移與樁身內力進行監測。

圖3 右側基坑剖面示意圖Fig.3 Profile diagram of right foundation pit

3 圍護結構水平位移與內力結果分析

3.1 水平位移監測結果分析

圖4 與圖5 分別為右側基坑與左側基坑所設監測點的水平位移變化情況，其中圖中水平位移正負規定為：基坑內方向為正，基坑外方向為負。

圖4 左側基坑樁身水平位移圖Fig.4 Horizontal displacement diagram of pile body of left foundation pit

圖5 右側基坑樁身水平位移圖Fig.5 Horizontal displacement map of pile body of right foundation pit

由圖4 可知，當基坑開挖至一半深度時，圍護結構最大水平位移較小，監測點LCX1，LCX2 的最大水平位移值分別為0.42 mm 與0.79 mm，分別位于樁頂與深度0.5 m 處。當基坑開挖至坑底時，圍護結構水平位移迅速增大，監測點LCX1，LCX2 處的最大水平位移值分別達到了1.49 mm 與2.21 mm，分別位于深度0.5 m 與樁頂處。監測點LCX2 處的最大水平位移略大于監測點LCX1，這是由于監測點LCX2 靠近鐵路，開挖過程中受到偏壓荷載的影響較強。當基坑開挖結束后，樁身水平位移繼續增長，監測點LCX1 處水平位移值在每次測量后增加了0.07，0.09，0.09 mm，監 測 點LCX2 增 加 了0.21，0.12，0.11 mm，監測LCX2 處水平位移增量雖大于監測點LCX1，但兩者增量均較小。從圖中兩處測點每次測量后樁身水平位移變化規律看，兩處測點樁身水平位移在不同深度下增長均較小，樁身水平位移變化規律相似，可見偏壓荷載對緊鄰鐵路側圍護結構變形雖有影響，但這種影響較小，在可控范圍之內。

根據圖5 可知，當基坑開挖至一半深度時，監測點RCX1，RCX2，RCX3 的最大水平位移分別為0.42，0.82，0.84 mm，均位于深度0.5 m 處。當開挖至坑底時，監測點RCX1，RCX2，RCX3 的最大水平位移分別達到了1.47，2.41，2.46 mm，均位于樁頂處。當基坑開挖結束后，監測點RCX1 處水平位移值在每次測量后增加了0.08，0.07，0.09 mm；監測點RCX2增加了0.20，0.11，0.16 mm；監測點RCX3 增加了0.16，0.12，0.27 mm。緊鄰偏壓側監測點RCX2 與監測點RCX3 處水平位移增量雖大于偏遠側監測點RCX1，但三處監測點水平位移增量均較小，可見偏壓荷載會對長短樁圍護結構的變形造成影響，但在本工程中，這種影響較小。監測點RCX2 處長樁水平位移最大值為2.88 mm，監測點RCX1 處短樁為3.01 mm，并且長樁與短樁的水平位移變化規律相似，可見相鄰排布的長樁與短樁在冠梁作用下協同變形。

為了比較長短樁圍護結構與等長樁圍護結構在偏壓荷載下的變形差異，選取兩側基坑在開挖至一半深度，開挖至坑底，監測最終值3 個階段下的最大水平位移進行對比。由于右側基坑監測點與左側基坑監測點呈近似對稱，選擇監測點RCX1 與LCX1，RCX2 與LCX2，RCX3 與LCX2 之間的最大水平位移進行位移比值分析。表1 為左右兩側基坑圍護結構不同階段下最大水平位移及比值情況。

由表1 可知，不同階段中長短樁圍護結構與等長樁圍護結構的最大水平位移均較小，且最大水平位移比值均較接近“1”，兩者水平位移較接近。相比等長樁圍護結構，長短樁圍護結構的最大水平位移雖出現增長，但增長量較小，最大增長量為0.25 mm。在長短樁圍護結構中，緊鄰鐵路側結構變形比偏遠側大1.20 mm，而在等長樁圍護結構中則為1.01 mm，可見偏壓荷載對長短樁圍護結構影響略大于等長樁圍護結構。

表1 左側基坑與右側基坑圍護結構最大水平位移及比值Tab.1 Maximum horizontal displacement and ratio of retaining structure of left foundation pit and right foundation pit

結合圖4 與圖5 可知，長短樁圍護結構中各監測點處樁身水平位移變化規律與等長樁圍護結構基本一致，且每次測量后的樁身水平位移增量均較小，可見在本工程中，減小部分樁的長度不會使圍護結構變形大幅度增長，采用長短樁圍護結構仍可保證基坑變形安全。

3.2 圍護結構內力監測結果分析

根據現場測得的應變數值，計算圍護結構樁身彎矩，圖6 與圖7 分別為左側基坑與右側基坑的圍護結構樁身彎矩變化情況。

圖6 左側基坑樁身彎矩分布圖Fig.6 Distribution map of bending moment for left foundation pit

圖7 右側基坑樁身彎矩分布圖Fig.7 Distribution map of bending moment for right foundation pit

由圖6 可知，當基坑開挖至一半深度時，樁身彎矩較小，當開挖至坑底時，樁身彎矩迅速增大，彎矩反彎點向下移動，監測點LZW1，LZW2 的樁身彎矩最大值分別為91.25，96.23 kN·m，兩處監測點的樁身彎矩最大值較為接近，可見在基坑開挖過程中，偏壓荷載對等長樁圍護結構的樁身彎矩影響較小。在基坑開挖結束后，監測點LZW1，LZW2 的樁身彎矩最大值分別到達了100.63，106.21 kN·m，雖然緊鄰鐵路側的樁身彎矩大于偏遠側，但數值較為接近，可見偏壓荷載會等長樁圍護結構樁身彎矩影響較弱。

由圖7 可知，右側基坑采用了長短樁圍護結構后，樁身彎矩變化規律與等長樁圍護結構基本一致。當基坑剛開挖至坑底時，監測點RZW1，RZW2，RZW3樁身彎矩最大值分別為90.55，104.81，92.88 kN·m。監測點RZW3 的樁身彎矩最大值略大于監測點RZW1，可見偏壓荷載對長短樁圍護結構中短樁樁身彎矩影響較小。監測點RZW2 的樁身彎矩最大值大于監測點RZW3，可見在偏壓荷載影響下，長短樁圍護結構中的長樁彎矩要大于短樁。

同理，為了比較長短樁圍護結構與等長樁圍護結構的樁身彎矩變化差異，選取兩側基坑圍護結構在開挖至一半深度、開挖至坑底、監測最終值三個階段下的樁身彎矩最大值進行對比。表2 為兩側基坑圍護結構不同階段下樁身最大彎矩及比值情況。

由表2 可知，不同階段中長短樁圍護結構與等長樁圍護結構的樁身最大彎矩值較接近，彎矩比值均接近“1”。由比值可知，長短樁圍護結構中的長樁最大彎矩大于等長樁圍護結構，而短樁最大彎矩值則小于等長樁圍護結構，可見縮短部分圍護樁長將使剩下圍護樁的樁身彎矩最大值增加。從比值大小看，雖然長短樁圍護結構中長樁的彎矩增加，但增長量較小，樁身彎矩最大增長量為10.14 kN·m，依舊滿足抗彎承載力要求。長短樁圍護結構中，緊鄰偏壓樁身彎矩比偏遠側大17.01 kN·m，而在等長樁圍護結構中則大5.58 kN·m，可見偏壓荷載對長短樁圍護結構與等長樁圍護結構的影響均較小。結合圖6 與圖7 的樁身彎矩變化情況知，長短樁圍護結構與等長樁圍護結構的樁身彎矩變化規律在不同時期下基本相同，且在基坑開挖結束后增長較小，未出現局部彎矩大幅度增長的情況。綜上分析，在本工程中，長短樁圍護結構始終處于安全狀態。

表2 左右兩側基坑圍護結構樁身彎矩最大值及比值Tab.2 Maximumbendingmomentandratioofpilebodyofretainingstructureofleftfoundationpitandrightfoundationpit

4 結論

1）左側基坑與右側基坑水平位移最大值均較小，兩側基坑變形均在可控范圍內，等長樁圍護結構與長短樁圍護結構均可保證基坑與鐵路運營的安全。

2）與等長樁圍護結構相比，長短樁圍護結構變形增加，最大增長0.25 mm，長樁彎矩增大，最大增長10.14 kN·m，采用長短組合方式不會使圍護結構變形出現明顯增長，并可合理地提升了樁體的抗彎承載性能，長短樁圍護結構在本工程中有較好的支護效果。

3）長短樁圍護結構緊鄰偏壓側的樁身最大水平位移與彎矩大于遠離側，但兩者相差較小，偏壓荷載對長短樁圍護結構影響較小，采用長短樁圍護結構進行支護對本工程的基坑切實有效，為相關工程提供一定借鑒。