基坑群開(kāi)挖涉鄰近路堤沉降特性研究

雍曉軍，陳勇浩，楊書(shū)一，朱利明，邵毅安

（1.江蘇雷威建設(shè)工程有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京工大橋隧與軌道交通研究院有限公司，江蘇 南京 210031；3.南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇 南京 211816）

1 引言

伴隨城市規(guī)模日益擴(kuò)大，市內(nèi)公路交通網(wǎng)與老舊城郊鐵道線路交叉貫穿日益普遍。由于鐵道交通常擔(dān)負(fù)大運(yùn)量、長(zhǎng)運(yùn)距的交通動(dòng)脈角色，在空間構(gòu)筑物密集的公鐵交叉段，采取不中斷鐵路運(yùn)營(yíng)的頂管施工，變得越來(lái)越普遍。多箱涵頂進(jìn)施工所需的工作基坑，以及銜接路堤兩側(cè)道路的敞開(kāi)式槽體結(jié)構(gòu)施工均需進(jìn)行基坑開(kāi)挖。在敏感構(gòu)筑物周?chē)亩嗷娱_(kāi)挖所形成的基坑群，其引起的鄰近鐵路路堤、橋梁樁基承臺(tái)位移是重要的施工控制指標(biāo)[1～3]。

陳湘桂等[4～10]研究大型廠房?jī)?nèi)連續(xù)基坑群不同位置深層位移；李明廣[12]開(kāi)展基坑群中相鄰圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形特性研究，并提出坑間有限寬度土體作用下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析方法；趙彤[13]研究大型基坑群的開(kāi)發(fā)進(jìn)度、工期、造價(jià)及施工；聶子云等[2]研究了地鐵深多重基坑對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。影響基坑鄰近構(gòu)筑物變形的因素有很多，例如基坑開(kāi)挖深度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、基坑施工順序、構(gòu)筑物基礎(chǔ)形式等。一般認(rèn)為，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的混凝土等級(jí)對(duì)土體變形控制效果比較微弱[4～10]。實(shí)際施工中，由于各類(lèi)因素影響，混凝土澆筑質(zhì)量難以保證，客觀上導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)混凝土等級(jí)降低?；尤洪_(kāi)挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在空間上分割土體，現(xiàn)有研究對(duì)土體空間結(jié)構(gòu)研究較少。因此，探究基坑群基坑施工中，不同混凝土等級(jí)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)鄰近路堤沉降特性及空間土體的有益作用，對(duì)鄰近路堤的基坑群設(shè)計(jì)和施工控制優(yōu)化具有重要意義。

2 工程背景及概況

2.1 基坑工程概況

杭州市蕭山區(qū)錢(qián)江世紀(jì)城民祥路工程實(shí)施范圍西起環(huán)路平交路口，東至鐵東路平交路口，在滬昆鐵路約K203+713、K203+750、K203+775、K203+812依次分別新建7m、7.5m+8m、7.5m+8m、4m共四組6孔框架，頂進(jìn)下穿滬昆鐵路上、下行線兩股道路堤，框架中心線與鐵路正交。滬昆鐵路路堤、杭深鐵路（滬昆高鐵）橋及橋下既有U型槽均在施工平面范圍內(nèi)。頂進(jìn)工作坑1、3、5、7自北向南沿滬昆鐵路路堤布置，5號(hào)基坑?xùn)|南角，距離路堤最近處約為5.0m；新建U型槽基坑2、4、6自北向南布置，并與既有U槽相連，其中2號(hào)坑位于杭深鐵路（滬昆高鐵）橋141#與142#橋墩之間，與橋墩最近處約為8.6m。

頂進(jìn)工作坑1、3、5、7深度（后背處深度）分別為3.132m（3.95m）、5.227m（6.1m）、5.227m（6.1m）、0.977m（1.85m）。1、3、5號(hào)坑南北東三面均采用Φ1200～Φ1500鉆孔灌注樁+3排Φ 800高壓旋噴樁，其中鄰近鐵路路堤側(cè)選用大直徑灌注樁，西面為Φ1200@1400鉆孔灌注樁+1排Φ850高壓旋噴樁。3、5號(hào)坑采用首層800×800混凝土支撐，1號(hào)坑不設(shè)內(nèi)支撐。7號(hào)坑南北側(cè)為拉森IV形鋼板樁+1排Φ800高壓旋噴樁，東西側(cè)另增Φ1200鉆孔灌注樁。

新建U型槽基坑2、4、6最大深度分別為4.8m、3.239m、3.239m。2號(hào)坑采用Φ1000鉆孔灌注樁+拉森IV形鋼板樁+1排Φ700雙軸攪拌樁。4、6號(hào)坑與2號(hào)支護(hù)形式相似，且距滬昆鐵路路堤、杭深鐵路（滬昆高鐵）橋梁橋承臺(tái)較遠(yuǎn)。既有U槽西側(cè)端頭既有圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)，其冠梁標(biāo)高高于既有U槽底板。灌注樁頂冠梁尺寸介于 1700×1000～1200×800之間，總體布置規(guī)律遵循沿近鐵路路堤側(cè)尺寸大，反之小。民祥路工程中前述構(gòu)筑物位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 民祥路工程基坑群與構(gòu)筑物位置關(guān)系

2.2 基坑周邊構(gòu)筑物概況

基坑?xùn)|側(cè)鄰近既有鐵路，由西向東依次為滬昆鐵路、杭深鐵路、滬昆高鐵。滬昆鐵路為I級(jí)鐵路，2股道，線間距為4.0 m ～5.0m，1、3、5、7處頂進(jìn)施工直接穿過(guò)鐵路路堤；杭深鐵路、滬昆高鐵為高速鐵路，2股道，線間距為4.0 m～6.5m，敷設(shè)于鐵路橋上，鐵路橋梁為32m簡(jiǎn)支梁，橋墩采用n形雙柱墩，承臺(tái)樁基采用16×Φ1000鉆孔灌注樁。與新建U型槽最近高鐵承臺(tái)頂標(biāo)高6.721m，承臺(tái)底標(biāo)高4.721m。與4、6號(hào)基坑相接的既有U型槽，由于緊鄰開(kāi)挖面，采用Φ1000鉆孔灌注樁+1排Φ800高壓旋噴樁加固，以期減少施工擾動(dòng)。

3 計(jì)算模型建立和計(jì)算參數(shù)選取

使用MIDAS GTS NX大型巖土有限元分析軟件建立模型，土層計(jì)算參數(shù)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值調(diào)參后，取值如表1所示。采用修正Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，該模型是在M-C本構(gòu)模型基礎(chǔ)上改善的硬化土本構(gòu)模型，適用于基坑、隧道開(kāi)挖等工程問(wèn)題?；炷林?、鋼板樁、橋梁墩臺(tái)、樁基等，假設(shè)在基坑開(kāi)挖過(guò)程中始終處于彈性變形狀態(tài)，采用彈性本構(gòu)模擬。

土層計(jì)算參數(shù)選取 表1

本模型土體、承臺(tái)、橋墩采用實(shí)體單元模擬，橋樁、支撐、冠梁采用梁?jiǎn)卧M?；訃o(hù)樁根據(jù)等效抗彎剛度原理，考慮鉆孔灌注樁直徑D、樁間凈距t，將圍護(hù)樁轉(zhuǎn)換為等剛度地連墻，等剛度地連墻厚度為h，使用板單元模擬，換算關(guān)系見(jiàn)公式（1）。模型底部固定約束，側(cè)面滑動(dòng)約束，共計(jì)259 209個(gè)單元。三維空間計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 三維空間模型

土-構(gòu)筑物耦合作用復(fù)雜，通過(guò)界面單元模擬可能會(huì)發(fā)生滑動(dòng)或分離的異質(zhì)材料界面，模擬相對(duì)剛度差異較大的地基和結(jié)構(gòu)之間界面的行為。使用GTS NX中界面單元參數(shù)助手，根據(jù)兩接觸單元的材料屬性，自動(dòng)計(jì)算各層土體與混凝土對(duì)應(yīng)的界面單元法向剛度模量、切向剛度模量、摩擦角及粘聚力。

計(jì)算工況和實(shí)際工況對(duì)應(yīng)，全場(chǎng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施作完后再進(jìn)行開(kāi)挖?；蝇F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖順序?yàn)?-5-3-2-6-4-7，所有基坑均單次開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高。模型不考慮基坑開(kāi)挖的時(shí)間效應(yīng)[10]。數(shù)值模型路堤西側(cè)邊緣的變形趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)施工順序吻合，路堤西側(cè)計(jì)算沉降值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值吻合較好，數(shù)值模型對(duì)土體變化趨勢(shì)的模擬具有可信度，參數(shù)分析得到的結(jié)果具有參考價(jià)值。

圖3 路堤頂面西邊線全工況沉降圖

4 不同混凝土等級(jí)對(duì)鐵路路堤沉降的影響

民祥路工程基坑群排樁混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)C30，以C30為基準(zhǔn)分析沉降分布形式，工況選取基坑3開(kāi)挖結(jié)束后進(jìn)行分析。依次將排樁混凝土參數(shù)改為C20、C25、C40，針對(duì)鐵路路堤坡腳處CX2、CX6、CX9的位移變化曲線，研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)變化對(duì)鐵路路堤坡腳變形的影響，如圖4所示。

圖4 不同混凝土強(qiáng)度下CX2、CX6、CX9沉降值比較圖

由圖4計(jì)算結(jié)果可以看出，某一測(cè)點(diǎn)的沉降值大小受鄰近開(kāi)挖基坑固有特性影響最大。CX2是1號(hào)基坑?xùn)|側(cè)端頭的測(cè)點(diǎn)，CX6、CX9分別是3號(hào)與5號(hào)較大較深基坑?xùn)|側(cè)端頭測(cè)點(diǎn)，由于開(kāi)挖深度差異，導(dǎo)致CX6與CX9的沉降值與CX1相差顯著。

所有測(cè)點(diǎn)的沉降值均隨圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土標(biāo)號(hào)增大而降低。由于CX2位于小基坑端頭，由基坑開(kāi)挖引起的土壓力較小，增大混凝土標(biāo)號(hào)以減小土體變形效果不明顯。CX6、CX9處對(duì)土體沉降的控制效果更顯著，是因?yàn)殡S著基坑開(kāi)挖深度增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)所受土壓力增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受彎效應(yīng)加劇，提高混凝土標(biāo)號(hào)使圍護(hù)結(jié)構(gòu)更加剛硬，從而減少了自身變形，進(jìn)而阻礙了周?chē)馏w產(chǎn)生位移，減小了沉降。

通過(guò)計(jì)算不同混凝土等級(jí)下的基坑端頭土體產(chǎn)生沉降差值比例，結(jié)果表明，通過(guò)提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)的混凝土等級(jí)，以限制較小基坑端頭頂部邊緣土體的沉降效果不明顯。隨著基坑開(kāi)挖深度增加，提高混凝土等級(jí)效果更加顯著。需要指出深大基坑處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土等級(jí)降低，所引發(fā)測(cè)點(diǎn)土體沉降增幅更加劇烈。由上述分析可知，不同混凝土等級(jí)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)路堤坡腳沉降的限制效率不同。本工程下穿鐵路路堤，探討路堤頂面土體變形規(guī)律是必要的。對(duì)路堤頂面軸線與東西邊線進(jìn)行基坑群開(kāi)挖后工況分析，混凝土標(biāo)號(hào)選取規(guī)則同前。

由圖5(a、b、c)可以看出，路堤頂面產(chǎn)生的沉降幅值，由西側(cè)邊線向東側(cè)邊線遞減，最大沉降值依次約為-4.0mm、-2.1mm、-1.5mm。近開(kāi)挖處的區(qū)域沉降會(huì)出現(xiàn)明顯峰值，且峰值較大的沉降區(qū)域會(huì)拉平峰值小的沉降區(qū)域，使得較小沉降區(qū)峰值沉降區(qū)域擴(kuò)大。從空間上看，圖5(a)區(qū)域1處為基坑1與基坑3的東端頭間隔，且此處混凝土等級(jí)提升帶來(lái)效果不明顯；區(qū)域3處表征基坑5與基坑7間土體，可見(jiàn)此處路堤頂?shù)某两?，出現(xiàn)了明顯的極小值，且基坑7所引發(fā)的沉降峰值向基坑5偏移。區(qū)域2處為基坑3與基坑5間的土體，其沉降值偏小，且混凝土等級(jí)的變化所帶來(lái)的約束效果小于基坑3與基坑5坑內(nèi)范圍，但均大于基坑1與基坑7處。

圖5 不同混凝土強(qiáng)度下路堤頂面沉降值比較圖

區(qū)域1處，該處圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)封閉三角形，三角區(qū)域內(nèi)土體阻礙了路堤側(cè)圍護(hù)樁的變形，形成的土楔起主要作用，故提升混凝土級(jí)別所帶來(lái)收效不明顯。

區(qū)域3處，基坑5與基坑7間距較大，局部土體位移的影響得到消散，因此沉降趨勢(shì)有拐點(diǎn)出現(xiàn)。由于基坑7長(zhǎng)寬比（＞5）較大，南北向圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)土體的約束強(qiáng)于東西向，從而長(zhǎng)邊土體變形大于短邊。在基坑5開(kāi)挖共同作用下，該處路堤頂土體最大沉降向基坑7北側(cè)偏移。

從沉降影響區(qū)域來(lái)看，基坑3與基坑5開(kāi)挖尺寸與深度接近，故對(duì)兩側(cè)影響區(qū)域?qū)挾冉咏?/p>

區(qū)域2處，由于場(chǎng)地土狹長(zhǎng)，無(wú)法形成土楔，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗彎剛度依舊起主要作用，提升混凝土等級(jí)的效果較明顯。但是兩側(cè)的基坑開(kāi)挖對(duì)土體的擾動(dòng)很大，使得該處地基頂面西側(cè)土體沉降較大。

圖5(b)與圖5(a)的路堤沉降值離散點(diǎn)分布趨勢(shì)類(lèi)似。在基坑1與基坑3之間的土體沉降同樣出現(xiàn)了峰值拉平的現(xiàn)象；在大基坑軸線對(duì)應(yīng)位置，沉降峰值保持最大，且圖5(b)兩峰值間距相較于圖5(a)增大了4.0 m；在對(duì)應(yīng)基坑7位置無(wú)峰值出現(xiàn)。

圖5(c)中，由較大的基坑4與基坑6開(kāi)挖，引起的沉降峰值幾乎消失，從數(shù)值分布上看已接近水平線，而基坑2對(duì)應(yīng)處的沉降峰值更加明顯。這是由于基坑4與基坑6遠(yuǎn)離路堤，且現(xiàn)場(chǎng)保留的U槽及擋土墻對(duì)路堤形成了有效的約束，圍護(hù)結(jié)構(gòu)后的土體幾乎是一起沉降的，并未出現(xiàn)向某一點(diǎn)沉降值收斂的情況。142#橋墩與143#橋墩處的沉降值出現(xiàn)極小值，是由于該處的兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，將土體限制在狹長(zhǎng)空間，且橋臺(tái)及樁體組成了有效的擋土結(jié)構(gòu)，所以對(duì)應(yīng)的路堤頂面土體沉降快速減小。

圖5(b、c)可看出，改變混凝土等級(jí)以抑制土體沉降的效果并不明顯。綜上所述，全場(chǎng)地的圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以通過(guò)選擇不同等級(jí)混凝土進(jìn)行施工，以充分節(jié)省投資。同時(shí)由以上分析，可以看出路堤頂面土體沉降值大小、分布規(guī)律與開(kāi)挖面的距離，周?chē)鄻?gòu)筑物的空間關(guān)系，大小坑的相對(duì)位置及圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)性質(zhì)均有關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)比較不同混凝土強(qiáng)度條件下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，分析場(chǎng)地土體所形成空間結(jié)構(gòu)，對(duì)鄰近路堤沉降的影響，得出以下結(jié)論。

①提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度使土體沉降減小的有益效果與開(kāi)挖基坑的固有特性有關(guān)。根據(jù)分析，深大基坑處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土等級(jí)提高，所帶來(lái)對(duì)土體沉降的阻礙效果，相比小基坑更加明顯。并且，深大基坑處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)澆筑質(zhì)量達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，所引發(fā)周?chē)馏w沉降增幅會(huì)更加劇烈。

②改變混凝土強(qiáng)度以控制鄰近路堤沉降的效果，與基坑周?chē)馏w所構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)有關(guān)。由于圍護(hù)樁與土體共同構(gòu)成“土楔”，可以有效支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受彎變形。因此，提升“土楔”處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度，減小附近土體沉降效果不明顯。

③路堤頂面土體沉降值大小、分布規(guī)律與開(kāi)挖面的距離，周?chē)鄻?gòu)筑物的空間關(guān)系，大小坑的相對(duì)位置及圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)性質(zhì)均有關(guān)?，F(xiàn)場(chǎng)U槽及擋土墻對(duì)路堤形成了有效的約束，圍護(hù)結(jié)構(gòu)后的土體幾乎是一起沉降的，沉降值未出現(xiàn)向某一點(diǎn)形成峰值的情況；兩側(cè)擋土墻將土體限制在狹長(zhǎng)空間，橋臺(tái)及樁體組成了有效的擋土結(jié)構(gòu)，使得路堤對(duì)應(yīng)位置處沉降減小。

④全場(chǎng)地的圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以通過(guò)選擇不同等級(jí)混凝土進(jìn)行施工，以節(jié)省投資。同時(shí)，需保證深大基坑處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的混凝土澆筑質(zhì)量。