王 升

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津 300142)

隨著地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快，鄰近鐵路工程深基坑與日俱增。然而，深基坑施工對(duì)周邊土體影響可能會(huì)對(duì)鄰近鐵路的運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患，特別是高速鐵路。臨近鐵路線路的深基坑在施工過程中會(huì)面臨各種風(fēng)險(xiǎn)，各種因素關(guān)聯(lián)作用可能會(huì)危害到鐵路線路的安全。本項(xiàng)目以北京市區(qū)高鐵橋梁附近的調(diào)蓄池基坑施工為研究背景，利用大型通用有限元軟件對(duì)基坑開挖施工過程進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算分析和評(píng)估，以規(guī)避可能的鐵路運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。分析結(jié)果可為基坑施工時(shí)對(duì)高鐵橋梁的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警提供充分的理論依據(jù)，確保基坑施工時(shí)鐵路運(yùn)營(yíng)的安全。

1 工程概述

本工程位于北京市二環(huán)路附近，調(diào)蓄池基坑的長(zhǎng)×寬×深為44.6 m×28.1 m×15.95 m，位于高鐵鐵路橋梁的北側(cè)，基坑邊緣距既有高鐵鐵路下行線最近距離33.64 m，與高鐵橋梁橋墩基礎(chǔ)的最小距離30.46 m，距離高速鐵路信號(hào)塔基礎(chǔ)21.91 m，距離北側(cè)護(hù)城河12.18 m。高鐵橋梁橋墩基礎(chǔ)為樁基，采用12根直徑1.50 m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)50 m。信號(hào)塔基礎(chǔ)為明挖基礎(chǔ)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)尺寸是7.5 m×7.5 m×0.8 m。

調(diào)蓄池基坑開挖深度較深，為了保證基坑自身安全，各項(xiàng)位移指標(biāo)要滿足《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定［1］。此基坑靠近鐵路一側(cè)采用直徑1.25 m的鉆孔樁防護(hù)，樁間距1.5 m，樁長(zhǎng)23.0 m，樁頂設(shè)冠梁，冠梁截面尺寸1.45 m×1.0 m。其它三面采用直徑0.80 m的鉆孔樁防護(hù)，樁間距1.2 m，樁長(zhǎng)23.0 m，樁頂設(shè)冠梁，冠梁截面尺寸1.0 m×1.0 m。每根防護(hù)樁上均設(shè)4根錨索，錨索設(shè)置深度分別為3.0，6.0，9.0，12.0 m。

2 地質(zhì)和水文條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探、原位測(cè)試與室內(nèi)土工試驗(yàn)成果的綜合分析，在本次巖土工程勘察的勘探深度范圍內(nèi)(最深33.00 m)的地層，按成因年代可劃分為人工堆積層和第四紀(jì)沉積層二大類，并按巖性及工程特性劃分為7個(gè)大層及其亞層。

表層為厚度1.60～1.90 m的人工堆積之黏質(zhì)粉土素填土、粉質(zhì)黏土素填土①層，碎石素填土①1層。

人工堆積層以下為第四紀(jì)沉積的黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土②層，粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土②1層及黏土、重粉質(zhì)黏土②2層;粉砂、細(xì)砂③層;黏土、重粉質(zhì)黏土④層，粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土④1層及砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土④2層;細(xì)砂、中砂⑤層;卵石⑥層;黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土⑦層，砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土⑦1層及細(xì)砂⑦2層。

本次巖土工程勘察期間(2012年10月下旬)于鉆孔中實(shí)測(cè)到2層地下水，第1層水位標(biāo)高為20.57～20.66 m(埋深19.00 m)，地下水類型為層間水;第2層水位標(biāo)高為 16.56～16.57 m(埋深 23.00～23.10 m)，地下水類型為潛水。

本工程距離護(hù)城河較近僅有12.18 m，河底距離地面深度約為6.0 m，調(diào)蓄池基坑深度為15.95 m。

在城市中由于深基坑降水，總會(huì)引起地面產(chǎn)生一定的沉降，影響鄰近建筑物和管線［2-7］。為了防止基坑降水對(duì)高鐵橋梁造成不利影響，在綜合考慮鐵路安全與環(huán)境保護(hù)等各方面因素的前提下，基坑采用高壓旋噴止水帷幕對(duì)基坑進(jìn)行防水處理。

3 深基坑開挖施工對(duì)鄰近高鐵橋梁影響的數(shù)值模擬

3.1 三維空間有限元模型

為消除計(jì)算邊界效應(yīng)的影響，考慮到施工過程中的空間效應(yīng)，土體計(jì)算模型在Y方向上的尺寸為調(diào)蓄池基坑、防護(hù)樁和鐵路橋墩尺寸總和的5倍，在X方向的水平尺寸為調(diào)蓄池基坑尺寸的7倍。計(jì)算模型沿X軸方向取350 m，Y軸方向取350 m，Z軸方向取為100 m。有限元計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

采用ABAQUS建立模型，計(jì)算模型中土體、高鐵橋梁和基坑防護(hù)樁單元均采用三維八節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元。高鐵和基坑防護(hù)樁與土體間采用嵌入的連接方式，土體模型的頂面設(shè)為自由邊界，底面采用三向約束，其它面均采用法向約束。土體的材料類型選用摩爾庫(kù)侖模型，高鐵和基坑防護(hù)樁的材料類型選用彈性模型。

計(jì)算中土體計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分與計(jì)算結(jié)果的收斂性密切相關(guān)，因此，在劃分土體網(wǎng)格時(shí)，對(duì)開挖部分和鐵路橋梁部分的土體需要加密劃分網(wǎng)格，而對(duì)于遠(yuǎn)離工作坑和鐵路橋墩的土體區(qū)域可粗略劃分網(wǎng)格，這樣既保證計(jì)算收斂性，又可提高計(jì)算效率。

3.2 施工步驟

根據(jù)工程施工步驟，施工模擬防護(hù)樁及冠梁施工和土體開挖。其中，將調(diào)蓄池基坑的動(dòng)態(tài)開挖過程按施工組織分為以下6個(gè)分析步:開挖步1，土深0～3.50 m;開挖步2，土深3.50～6.50 m;開挖步 3，土深6.50～9.50 m;開挖步4，土深9.50～12.50 m;開挖步5，土深12.50～15.95 m;回填步，采用結(jié)構(gòu)重?fù)Q算面荷載作用于基坑地面模擬后期調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)施工。

模型中采用設(shè)定生死單元的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的開挖步驟。單元的生死采用有限元軟件所提供的修改keywords中的remove和add關(guān)鍵字實(shí)現(xiàn)。第5開挖步結(jié)束后，調(diào)蓄池基坑開挖完畢，將挖掉的土體全部殺死。

在實(shí)際工程中，由于天然土層在土體自重和周圍建筑荷載作用下，已經(jīng)固結(jié)沉降完畢，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行工作坑開挖，需要將已經(jīng)固結(jié)沉降完成的原狀土作為后續(xù)開挖步的初始狀態(tài)。因此，在利用有限元模擬工作坑開挖過程中，為了達(dá)到天然土層的初始狀態(tài)，開挖前平衡土體初始地應(yīng)力，使得在土體模型中只存在初始應(yīng)力場(chǎng)而不出現(xiàn)初始位移。

3.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算分析，當(dāng)基坑分層開挖施工時(shí)，高鐵21#橋墩產(chǎn)生的水平和豎向位移見表1和圖2。開挖完成后，變形云圖見圖3。

表1 橋墩位移 mm

圖2 橋墩位移

圖3 基坑開挖完成后變形云圖

4 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

從計(jì)算結(jié)果可知，由于開挖基坑卸載了土體，導(dǎo)致坑底的土應(yīng)力釋放，致使基坑底部的土體產(chǎn)生隆起現(xiàn)象，基坑邊緣發(fā)生沉降現(xiàn)象。由于土體的流動(dòng)性，高鐵橋梁的橋墩跟隨樁基發(fā)生了輕微的隆起和靠向基坑方向的水平位移。其中橋墩最大的隆起值為0.66 mm，最大的水平位移為0.51 mm。

以《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》(TG/GW115—2012)［8］要求的容許偏差管理值作為控制標(biāo)準(zhǔn)，豎向位移和橫向水平位移容許偏差均為2 mm。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，此基坑施工時(shí)對(duì)高鐵橋墩的位移影響均能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

根據(jù)結(jié)果可知基坑開挖會(huì)對(duì)高鐵橋墩產(chǎn)生一定的影響，施工時(shí)必須對(duì)高鐵橋墩進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以保證鐵路的運(yùn)營(yíng)安全可靠。

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

為及時(shí)收集、反饋、分析深基坑工程施工對(duì)高速鐵路的影響，設(shè)置了以下監(jiān)測(cè)內(nèi)容:①高速鐵路豎向位移監(jiān)測(cè);②高速鐵路水平位移監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置于鄰近高鐵橋墩，每墩2個(gè)水平測(cè)點(diǎn)和2個(gè)豎向測(cè)點(diǎn)。

21#橋墩監(jiān)測(cè)點(diǎn)C21-1豎向變形—時(shí)間變化曲線如圖4所示，水平變形—時(shí)間變化曲線如圖5所示。5月15開始基坑開挖，6月12日基坑開挖完成，7月15日調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)施工完成。

圖4 豎向變形曲線(正值表示隆起)

圖5 水平變形曲線(正值表示指向基坑方向)

本工程已經(jīng)安全施工結(jié)束，基坑開挖對(duì)高速鐵路影響基本和模型分析結(jié)果一致。前期隨基坑開挖深度增加，變形影響逐漸增大，后期隨調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)實(shí)施及土體回填，對(duì)高鐵橋墩的影響有一定反彈。橋墩變形監(jiān)測(cè)的最大隆起值為0.53 mm，靠向基坑方向的最大位移值為0.42 mm。由于多種原因，如現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況的變化、開挖深度的不一致、測(cè)量誤差等等，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)有一定的差異，但是兩者的吻合度非常高。

6 結(jié)語(yǔ)

通過本工程的成功實(shí)施，可以得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

1)通過有限元模型分析，考慮土體—支護(hù)的相互作用，從變形分析可知支護(hù)后位移滿足基坑穩(wěn)定性要求。通過分析影響范圍內(nèi)橋墩的位移，可知對(duì)高速鐵路的影響滿足鐵路維修規(guī)則的規(guī)定。

2)通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和模型分析數(shù)據(jù)的對(duì)比可知兩者的趨勢(shì)基本吻合，說(shuō)明有限元模型分析對(duì)模擬基坑土體開挖及回填具有一定的實(shí)用價(jià)值，在指導(dǎo)基坑施工期間有一定的安全保障作用。

3)鄰近高鐵的深基坑施工會(huì)對(duì)高鐵產(chǎn)生一定的影響，在工程施工前，應(yīng)該對(duì)施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)估分析，以規(guī)避可能的鐵路運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)。并在施工過程中對(duì)高鐵進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這樣才能保證高鐵的運(yùn)營(yíng)安全。

［1］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ 120—2012 建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

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