基坑開挖對鄰近高鐵路基的影響分析

張世寧

(安徽鐵建工程有限公司,安徽蚌埠 233040)

0 引言

隨著我國高鐵網絡的不斷拓展與延伸,出現越來越多的工程建設位于高鐵路基或橋墩周邊,在鄰近運營高鐵旁進行基坑開挖的現象屢見不鮮[1-3]。高鐵對路基沉降要求極為嚴格,TB10621-2014《高速鐵路設計規范》要求無砟軌道路基工后沉降量應符合扣件調整能力和線路豎曲線圓順的要求,路基的工后沉降不宜超過15 mm,路基與橋梁、隧道或橫向結構物交界處的工后沉降差不應大于5 mm,不均勻沉降造成的折角不應大于1/1000[4]。合理優化基坑設計與施工,降低基坑開挖對鄰近高鐵路基的影響,確保高鐵線路的安全運營,是該類工程建筑中的關鍵問題[5-6]。

為此,本文基于有限元方法,對鄰近高鐵路基的某基坑工程進行分析,考察基坑開挖對高鐵路基的影響,為確保高鐵的安全運營提供技術參考。

1 有限元計算模型

某基坑工程距離高鐵路基坡腳僅L=15.0 m,基坑開挖深度h=9.5 m,采用單排鉆孔灌注樁與2道橫向支撐進行支護。鉆孔灌注樁φ1.0 m間距1.2 m,樁長H=19.0 m。第一道混凝土支撐位于-1.5 m處,第二道鋼支撐位于-6.5 m處。原高鐵路堤施工時對路堤下方土體進行了加固,加固深度7.5 m。計算斷面如圖1所示。

圖1 計算斷面示意

采用小應變土體硬化(HS-Small)本構模型對各土層進行模擬,主要計算參數見表1。基坑施工前,擬對高鐵路基坡腳處寬度3.0 m范圍的土體進行注漿加固。基坑長度超過100.0 m,故數值計算按平面應變問題考慮,抗滑樁等效為板單元,軸向剛度EA=2.367×107kN/m、抗彎剛度EI=1.227×106kN·m2/m。圖2給出了有限元計算的網格剖分情況。

表1 土層計算參數

圖2 有限元網格剖分

施工順序為:①初始地應力平衡;②激活高鐵路堤土體,原加固區土體參數換為加固后土性參數,施加路基豎向荷載;③新加固區土體參數換為加固后土性參數,位移清零;④激活抗滑樁;⑤開挖至-2.5 m,激活-1.5 m處第一道支撐;⑥開挖至-7.5 m,激活-6.5 m處第二道支撐;⑦開挖至-9.5 m。

2 計算結果分析

基坑開挖至底時,未對高鐵路堤坡腳處土體進行加固時的土體位移矢量分布如圖3所示。可見,基坑開挖時,由于卸荷效應坑底土體發生了較大的向上隆起,抗滑樁及坑壁土體向臨空面發生較大的水平位移。總體上看,高鐵路堤范圍土體的位移矢量相對較小。

圖3 土體位移矢量分布

各施工階段抗滑樁的水平位移分布如圖4所示。計算表明,高鐵路堤坡腳處土體加固與否,對抗滑樁的變形影響非常小,可忽略不計。基坑開挖至底時,抗滑樁的水平位移達到最大,水平位移最大值位于樁頂,其數值為45.4 mm。

圖4 抗滑樁的水平位移分布

高鐵路堤坡腳處土體加固與未加固情況下基坑的水平位移等值線分布如圖5所示。2種情況下的水平位移分布基本相同,水平位移最大值發生在抗滑樁頂部附近的土體中。高鐵路堤坡腳處土體加固后,加固區的水平位移有所變化,但其它位置的水平位移基本無影響。

圖5 土體水平位移等值線分布(單位:mm)

圖6給出了高鐵路堤坡腳外1.0 m處豎向斷面水平位移分布情況。坡腳處土體加固后,該位置處2.0 m深度范圍內土體的水平位移大大減小,而2.0 m深度以下土體的水平位移基本無影響。土體未加固時,該豎向斷面處土體的水平位移最大值位于地面處,取值為6.53 mm;土體加固后,該豎向斷面處土體的水平位移最大值位于坑底-9.5 m處,取值為5.6 mm。從圖3與圖5所示的變形分布也可以看出,位于抗滑樁頂部附近倒三角形范圍內的土體變形較大,而該范圍之外的土體變形較小,圖6中土體未加固時的水平位移在-2.0 m處發生轉折,說明該位置正是這種變形不同區域的分界面。

圖6 高鐵路堤坡腳外1.0m處豎向斷面水平位移分布

圖7給出了高鐵路堤坡腳處土體加固后不同豎向斷面的水平位移分布情況。可見,距離基坑越近,水平位移越大,水平位移最大值位于原地面處。堤坡腳處土體加固后,加固區內土體的水平位移分布較均勻,坡腳處豎向斷面的水平位移最大值為5.3 mm,位于-7.5 m深度處。

圖7 土體加固后不同豎向斷面水平位移分布

圖8給出了高鐵路堤坡腳處不同深度的橫斷面豎向沉降分布情況。可見,距離地面越近,其豎向沉降越大;距離地面越遠即橫斷面埋深越大,其豎向沉降越小。-0.5 m深度處橫斷面的豎向沉降最大值為25.1 mm,-3.5 m深度處橫斷面的豎向沉降最大值為16.2 mm。豎向沉降最大值基本位于距坑壁3.0 m遠的位置處。

圖8 土體加固后不同水平橫斷面豎向沉降分布

表2給出了基坑開挖對高鐵路堤底面3個關鍵特征點的影響(具體位置見圖1),基坑開挖誘發高鐵路堤發生的水平位移最大值位于基坑一側的坡腳處,取值為4.4 mm;高鐵路堤發生的豎向沉降最大值位于路堤中部,取值為4.1 mm;路堤的最大傾斜為1/4 836。這些數據表明,基坑開挖對既有高鐵路堤的影響在規范允許范圍內。

表2 基坑開挖對高鐵路基的影響

鑒于巖土工程的復雜性與不確定性,基坑施工過程中應加強高鐵路堤附近的變形監測,若發現異常應及時處治,確保既有高鐵線路的安全運營。

3 結束語

該基坑工程距離高鐵路基坡腳15.0 m,基坑開挖由于卸荷效應坑底土體發生了較大的向上隆起,抗滑樁及坑壁土體向臨空面發生較大的水平位移,高鐵路堤范圍土體的位移矢量相對較小。堤坡腳處土體加固后,上部土層的水平位移大大減小,加固區內土體的水平位移分布較均勻。基坑開挖誘發高鐵路堤發生的水平位移最大值位于基坑一側的坡腳處,豎向沉降最大值位于路堤中部。計算表明該基坑開挖對既有高鐵路堤的影響在規范允許范圍內。工程實施時應加強高鐵路基范圍內的變形監測,確保既有高鐵線路的安全運營。