近距離并行高鐵路基長(zhǎng)深基坑開(kāi)挖變形研究

李厚榮

(中鐵二十四局集團(tuán)有限公司 上海 200092)

1 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程和高速鐵路網(wǎng)建設(shè)高速發(fā)展，新建基坑工程鄰近既有高鐵營(yíng)業(yè)線的情況日益增多[1-2]?；娱_(kāi)挖會(huì)打破原地下水和土體平衡狀態(tài)，引發(fā)周圍土體應(yīng)力重新分布[3]，進(jìn)而導(dǎo)致鄰近土體和結(jié)構(gòu)物變形。然而高速鐵路對(duì)線路沉降控制和平順性要求極高[4]，稍有不慎將會(huì)對(duì)高鐵運(yùn)營(yíng)造成重大安全隱患。因此，如何有效控制基坑開(kāi)挖引起的周圍土體位移場(chǎng)變化并使其對(duì)既有高鐵結(jié)構(gòu)的變形影響盡可能小是有待解決的工程問(wèn)題。

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)深基坑施工中各種因素引起的變形問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。劉志波[5]、鄭剛[6]等對(duì)軟土深基坑變形影響因素和控制措施進(jìn)行了分析研究；王升[7]、宗晶瑤[8]、孟繁增[9]等通過(guò)模擬分析和實(shí)測(cè)驗(yàn)證，研究了深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近高鐵橋梁的變形影響；潘必勝[10]、王菲[11]、徐俊[12]等針對(duì)不同支護(hù)形式和環(huán)境因素，研究了深基坑施工對(duì)鄰近高鐵路基的變形影響。

研究成果解決了一系列深基坑工程難題，但針對(duì)高承壓水軟土地質(zhì)環(huán)境下的長(zhǎng)距離、小間距并行既有高鐵路基超深基坑的研究案例極少。本文以上海機(jī)場(chǎng)線鄰近既有高鐵路基一號(hào)風(fēng)井深基坑的工程為背景，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究多種防護(hù)加固措施下長(zhǎng)距離、小凈距并行高速鐵路路基超深基坑的開(kāi)挖變形控制及其對(duì)既有高鐵路基變形影響，可為類似工程提供參考和借鑒。

2 工程概況

上海軌道交通市域鐵路機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線起于上海虹橋站，止于上海東站，全程長(zhǎng)約68.6 km，設(shè)計(jì)時(shí)速160 km，是連接上海虹橋與浦東兩大綜合交通樞紐的快速通道，能實(shí)現(xiàn)與市中心區(qū)交通的快速換乘，是我國(guó)第一條與普通鐵路實(shí)現(xiàn)互連互通的市域鐵路[13]。在七寶站至華涇站區(qū)間，明挖段基坑長(zhǎng)距離、小凈距并行滬昆高速鐵路路基，基坑總長(zhǎng)約721.2 m，其中一號(hào)風(fēng)井深基坑長(zhǎng)156.1 m(DK6＋490.1～DK6＋646.2)，開(kāi)挖深度16.6～25.5 m，基坑凈寬14.5～25 m，西側(cè)與高鐵路基坡腳最近距離約10.6 m，東側(cè)與楊新豎河河堤護(hù)岸最近距離約11.4 m，工程周邊環(huán)境概況見(jiàn)圖1。

基坑并行段滬昆高鐵設(shè)計(jì)時(shí)速為350 km，軌道結(jié)構(gòu)為CRTS-Ⅱ型板式無(wú)砟軌道，路基基礎(chǔ)采用0.5 m厚C30鋼筋混凝土筏板與樁長(zhǎng)33 m、直徑0.6 m、樁間距3 m的鉆孔灌注樁加固，按正方形布置，樁底位于砂土層，邊坡下部采用直徑0.5 m的攪拌樁加固。

工程所在場(chǎng)地位于上海高承壓水軟土地區(qū)，周邊環(huán)境保護(hù)要求較高，該區(qū)域軟土層主要由③1層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和④層灰色淤泥質(zhì)黏土組成，厚度達(dá)12.1 m，因此基坑開(kāi)挖易引起周邊環(huán)境較大擾動(dòng)，基坑安全等級(jí)和環(huán)境保護(hù)等級(jí)均為一級(jí)。各土層主要力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，其中⑦1和⑦2層為承壓水層，設(shè)計(jì)最不利承壓水位埋深為3 m。

表1 工程場(chǎng)地土層物理力學(xué)參數(shù)

3 基坑支護(hù)與加固設(shè)計(jì)

一號(hào)風(fēng)井深基坑采用明挖順作法施工，為縮短基坑開(kāi)挖暴露時(shí)間和更好地控制基坑變形發(fā)展，采用地連墻將長(zhǎng)基坑分隔為5個(gè)長(zhǎng)約31 m的短基坑，由淺至深依次編號(hào)為1～5號(hào)基坑?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻＋內(nèi)支撐形式，除2～5號(hào)基坑靠近高鐵路基側(cè)采用1.5 m厚的地下連續(xù)墻外，其余地下連續(xù)墻均為1.2 m厚度，圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度40～56 m，沿基坑深度方向采用鋼筋混凝土和伺服鋼支撐進(jìn)行內(nèi)撐。以斷面I(5號(hào)基坑)為例，基坑與路基位置關(guān)系見(jiàn)圖2。各基坑里程范圍、尺寸參數(shù)及支撐布置情況見(jiàn)表2。

表2 基坑防護(hù)措施匯總

基底采用?850@600 mm旋噴樁抽條和西側(cè)裙邊加固，寬度均為3 m，裙邊加固深度從地面至開(kāi)挖面下3 m，抽條加固深度為開(kāi)挖面下3 m。地下連續(xù)墻內(nèi)外側(cè)均采用單排?850三軸攪拌樁進(jìn)行槽壁加固，接縫處采用單根?2400的RJP工法超高壓旋噴樁進(jìn)行抗?jié)B處理。1號(hào)和2號(hào)基坑底部采用?2400@1400的RJP工法超高壓旋噴樁進(jìn)行4 m厚滿堂封底隔水加固，3號(hào)～5號(hào)基坑底部采用?3500@2200的N-jet工法超高壓旋噴樁進(jìn)行5 m厚滿堂封底隔水加固，加固地層底位于地下連續(xù)墻底上部1 m處。

由于工程場(chǎng)地周邊環(huán)境復(fù)雜，為確保高速鐵路行車安全，在鄰近滬昆高鐵側(cè)，距圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)3 m位置打設(shè)一排?1000@1200的鉆孔灌注樁做隔離，樁長(zhǎng)與地連墻同長(zhǎng)度。鉆孔樁頂部采用系梁與地連墻的頂冠梁連接，系梁水平間距為6 m。

4 基坑開(kāi)挖施工組織方案

為減少相鄰基坑開(kāi)挖互相影響，一號(hào)風(fēng)井深基坑采取隔坑跳艙法開(kāi)挖分階段施工，總體施工順序分為三個(gè)階段，各基坑主要施工工況和開(kāi)挖時(shí)間見(jiàn)表3。

表3 基坑工程各工況及開(kāi)挖時(shí)間

第一階段:所有隔離樁、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地基加固施工。

第二階段:1、3、5號(hào)基坑開(kāi)挖施工，開(kāi)挖完成后進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工。

第三階段:2、4號(hào)基坑開(kāi)挖施工，開(kāi)挖完成后進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工。

基坑開(kāi)挖過(guò)程同步進(jìn)行疏干降水和內(nèi)支撐施工，做好坑內(nèi)外地下水位、支撐軸力、基坑和高鐵變形監(jiān)控。另外，為進(jìn)一步確保高鐵運(yùn)營(yíng)安全，預(yù)防突發(fā)意外，在基坑開(kāi)挖至6 m及以上時(shí)，相應(yīng)區(qū)段采取120 km/h限速保障措施。

5 變形監(jiān)測(cè)方案

為探究鄰近高速鐵路深基坑開(kāi)挖施工誘發(fā)的土體位移場(chǎng)演化特征和高鐵變形，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)、隔離樁、周邊土體、高鐵路基等結(jié)構(gòu)所在位置布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)。圖3為新建一號(hào)風(fēng)井深基坑與并行滬昆高鐵路基段監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置。其中，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)共11個(gè)(CX1-1 ～CX1-2、CX2-1 ～CX2-2、CX3-1 ～CX3-2、CX4-1～CX4-2、CX5-1～CX5-3)，坑外地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)共20個(gè)(DB1-1～DB1-4、DB2-1～DB2-4、DB3-1～DB3-4、DB4-1～DB4-4、DB5-1～DB5-4)。除此之外，在并行高鐵路基段靠近新建基坑側(cè)的高鐵路肩相應(yīng)位置布設(shè)路基監(jiān)測(cè)點(diǎn)共11個(gè)(XL4＋940～XL5＋100)。

6 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

6.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形

由于基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，不同基坑施工參數(shù)各不相同，圖4為基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)各測(cè)點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形最大值?？梢钥闯?，隨基坑開(kāi)挖深度與結(jié)構(gòu)尺寸逐漸增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形最大值逐漸增大，最大為34.6 mm，發(fā)生在5號(hào)基坑的CX5-3測(cè)點(diǎn)；最小值為10.1 mm，發(fā)生在2號(hào)基坑的CX2-1測(cè)點(diǎn)，這是因?yàn)?號(hào)基坑開(kāi)挖時(shí)相鄰基坑已開(kāi)挖完畢，周邊環(huán)境整體剛度較大使得開(kāi)挖引起的變形較1號(hào)基坑更小。此外，由于2～5號(hào)基坑靠近高鐵路基側(cè)采用1.5 m的超厚地連墻，相較另一側(cè)1.2 m的地連墻有更好的變形控制效果，因此各基坑地連墻累計(jì)水平變形最大值均位于遠(yuǎn)離高鐵路基側(cè)。

對(duì)于4、5號(hào)基坑，1.5 m厚的地連墻(CX4-1、CX5-1)水平變形顯著小于1.2 m厚的地連墻(CX4-2、CX5-2、CX5-3)水平變形，最大值平均可減小約26.43%，最多可減小約38.2%，說(shuō)明地連墻厚度越大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形越小。

圖5給出地連墻最大水平變形d與開(kāi)挖深度H的比值。由圖5可知，地連墻水平變形最大值的變化范圍為0.026%H～0.137%H，高鐵側(cè)地連墻水平變形最大值為0.096%H，其上限滿足《上海地鐵基坑工程施工規(guī)程》(SZ-08-2000)對(duì)環(huán)境保護(hù)等級(jí)一級(jí)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形最大值0.14%H的要求。因此采用隔坑開(kāi)挖、超厚地連墻、槽壁加固、地基加固等多種防護(hù)加固措施能夠?qū)訃o(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行較好控制。

6.2 坑外地表沉降

為分析基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近高速鐵路路基側(cè)地表土體位移場(chǎng)的影響，分別收集各基坑開(kāi)挖完成時(shí)相應(yīng)地表沉降測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)以確定沉降影響范圍。

圖6為各基坑開(kāi)挖完成時(shí)靠近路基一側(cè)坑外地表沉降數(shù)據(jù)。由圖6可知，除1號(hào)基坑外，其余基坑外地表豎向變形表現(xiàn)為隆起，究其原因可能為基坑內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)采用伺服鋼支撐，伺服鋼支撐在開(kāi)挖階段施加了較大軸力，使得基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部向坑外變形，帶動(dòng)周邊地表土體抬升。

1號(hào)基坑所在地表豎向變形表現(xiàn)為沉降，最大值為-14.06 mm，原因?yàn)?號(hào)基坑外區(qū)域?yàn)橹剀囎鳂I(yè)區(qū)，地表長(zhǎng)期受壓超載使得地表土體沉降較大。距離基坑地連墻外邊緣10 m以外相關(guān)區(qū)域地表沉降均在±2.5 mm以內(nèi)，對(duì)既有高鐵路基豎向變形影響很小，一定程度上能夠反映出隔離樁對(duì)土體變形有較好的隔斷效果。

6.3 高鐵路基變形

高鐵路基與其他敏感環(huán)境最大差異在于軌道結(jié)構(gòu)受到列車反復(fù)的高速?zèng)_擊荷載，輕微的軌道幾何形位改變即可能會(huì)影響到既有線運(yùn)營(yíng)安全，因此其變形控制要求更高，且路基是地面結(jié)構(gòu)，更易受周邊土體擾動(dòng)。

圖7為基坑開(kāi)挖完成對(duì)應(yīng)的滬昆高鐵路基變形，其中豎向變形負(fù)值表示路基沉降，水平變形負(fù)值表示路基向基坑方向變形。由圖7可知，隨基坑開(kāi)挖，高鐵路基路肩位置產(chǎn)生向基坑側(cè)的水平變形，所有基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)(2021年6月16日)，高鐵路基水平變形最大值為-3.2 mm，位于5號(hào)基坑對(duì)應(yīng)的XL5＋070和XL5＋080測(cè)點(diǎn)。其原因可能為:5號(hào)基坑開(kāi)挖深度較大，開(kāi)挖至軟弱地層較深位置時(shí)變形發(fā)展快，而混凝土支撐強(qiáng)度發(fā)展周期相對(duì)較長(zhǎng)，使得5號(hào)基坑對(duì)應(yīng)的高鐵路基水平變形迅速發(fā)展。對(duì)于高鐵路基豎向變形，靠近4、5號(hào)基坑測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)為沉降，其余測(cè)點(diǎn)則大多表現(xiàn)為隆起，推測(cè)原因?yàn)樗欧撝巫饔孟驴油獾乇硗馏w上升進(jìn)而帶動(dòng)路基隆起，而4、5號(hào)基坑深度更深，圍護(hù)墻向坑內(nèi)的變形更大，使對(duì)應(yīng)的路基位置沉降更為明顯。在整個(gè)開(kāi)挖階段，高鐵路基各監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向變形最大值僅為1.3 mm，遠(yuǎn)小于2 mm的預(yù)設(shè)監(jiān)測(cè)報(bào)警值和《鄰近鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》(TB 10314—2021)中規(guī)定的高速鐵路無(wú)砟軌道路基豎向位移＋2～-5 mm的控制值。說(shuō)明基坑開(kāi)挖期間對(duì)路基豎向變形控制效果更好。綜上所述，超厚地連墻、隔離樁和超高壓旋噴樁等防護(hù)加固措施對(duì)高鐵路基變形起到了較好的保護(hù)效果，結(jié)合相應(yīng)區(qū)段線路限速和必要養(yǎng)護(hù)措施，有效保障了高鐵運(yùn)營(yíng)安全。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文基于上海機(jī)場(chǎng)線一號(hào)風(fēng)井深基坑開(kāi)挖階段基坑與高鐵變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究分析了深基坑開(kāi)挖的變形控制效果及其對(duì)既有高鐵路基變形影響，得到以下結(jié)論:

(1)超厚地連墻對(duì)基坑變形控制效果有顯著提升，1.5 m厚地連墻水平變形最大值相較1.2 m厚地連墻最多可減小約38.2%。

(2)過(guò)大的伺服鋼支撐軸力會(huì)引起基坑外地表土體隆起，需合理設(shè)置。

(3)超厚地連墻、隔離樁和超高壓旋噴樁等防護(hù)加固措施對(duì)高鐵路基變形起到了較好的保護(hù)效果，高鐵路基最大豎向變形值僅為1.3 mm，有效保障了高鐵運(yùn)營(yíng)安全。