劉錦軍, 吳懌華, 徐俊, 蔣明杰, 孫誠濤, 李平

(1.南京上鐵地方鐵路開發(fā)有限公司, 江蘇 南京 210008；2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 廣西 南寧 530004；3.巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210008)

0 引言

《新時(shí)代交通強(qiáng)國鐵路先行規(guī)劃綱要》提出至2035年全面形成全國1～3 h高鐵出行圈，因此,既有高鐵站房不滿足要求時(shí),需要對其進(jìn)行擴(kuò)容改造?；訑U(kuò)建施工必然引起土體應(yīng)力釋放,緊鄰建筑物產(chǎn)生附加變形。Wang等[1]發(fā)現(xiàn)上海軟黏土地層連續(xù)墻的側(cè)向變形為(0.13%～0.43%)H(H為基坑開挖深度)。柏挺[2]發(fā)現(xiàn)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形及其墻后地表沉降與支撐的豎向間距密切相關(guān)。因此,合適的圍護(hù)結(jié)構(gòu)能有效地控制基坑施工引起土體和構(gòu)筑物的變形。

為了確?；邮┕r(shí)鄰近構(gòu)筑物安全,學(xué)者們開展了大量的基坑-構(gòu)筑物相互作用機(jī)理研究[3-6]?；谛录悠隆⑸虾＼涴ね恋默F(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),地連墻施工產(chǎn)生的土體變形介于(0.025%～0.056%)Hw(Hw為圍護(hù)墻深度)[3-4]。鄭翔等[5]開展了基坑施工全過程對鄰近建筑物影響的現(xiàn)場試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)地下連續(xù)墻施工引起的建筑物沉降和傾斜分別占總變形的7.82%、16.47%。趙斌[6]結(jié)合成都軌道交通8號線一期工程發(fā)現(xiàn),混合支護(hù)型式能有效控制基坑周圍建筑物群的整體變形。

開展三維有限元數(shù)值分析,宮志群等[7]發(fā)現(xiàn)距離基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)10 m范圍內(nèi)建筑物產(chǎn)生較大沉降。黃鐘暉等[8]研究了樁土的相對剛?cè)嵝詫λ淼篱_挖引起的鄰近樁基附加位移和附加內(nèi)力的影響規(guī)律。丁志剛等[9]發(fā)現(xiàn)蓋挖逆作法施工能明顯降低基坑周邊的變形。秦會來等[10]研究隧道施工對樁基變形與內(nèi)力影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)當(dāng)隧道開挖面距參照面在1.5倍的隧道直徑范圍內(nèi)時(shí),隧道開挖對樁基沉降和承載力的影響最為顯著。上述數(shù)值模擬大都采用理想彈塑性模型模擬土體變形特性。研究發(fā)現(xiàn)隧道、深基坑等周圍土體剪應(yīng)變主要介于0.01%～1%,屬于小應(yīng)變范圍,且此應(yīng)變范圍的土體剛度隨剪切應(yīng)變增加而快速衰減[11-12]，因此,考慮土體小應(yīng)變剛度特性對預(yù)測土體、隧道、基坑變形至關(guān)重要[13-14]。

本文以海安高鐵站站房基坑擴(kuò)建工程為背景,開展現(xiàn)場試驗(yàn)和考慮土體小應(yīng)變剛度特性的三維數(shù)值模擬,研究擴(kuò)建基坑與緊鄰站房的相互作用機(jī)理。為了減小基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工對臨近站房的影響,采用MJS微擾動的成樁技術(shù),分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)和基坑施工對臨近站房的影響。

1 依托項(xiàng)目工程概況

1.1 既有高鐵站房基坑工程平面圖

圖1為海安火車站深基坑平面圖,站房綜合樓建筑長度為140.2 m,寬度為40.9 m。海安火車站站房綜合樓高度為20.8 m,出站廳高度為15.9 m,站房樁基礎(chǔ)間距為6～8 m。站房改造工程分為3期,即一期工程與既有地下停車場相連,二期工程為新建地下通道,三期工程為新建的地下出口站。二期、三期基坑的開挖形狀為長條形,開挖寬度分別為 7.9、7.0 m,開挖長度分別為30、50 m。一期基坑開挖形狀稍復(fù)雜,基坑的最大開挖寬度為20.0 m。既有高鐵站房緊鄰三期基坑,站房墻體與基坑工程樁中心線的距離僅為2.5 m。

圖1 高鐵站房擴(kuò)建基坑平面布置圖

1.2 既有高鐵站房基坑剖面圖

圖2為高鐵站房基坑工程的縱剖面和橫剖面圖。沿1-1縱剖面,三期基坑開挖深度自東往西逐漸增加,開挖深度為7.0～9.8 m。3期基坑采用3道水平支撐,即第1道混凝土支撐和第2、3道鋼支撐。一期基坑的開挖形狀較為復(fù)雜,且開挖寬度較大,采用2道混凝土支撐?；炷林蔚某叽玳L度×寬度為600 mm×600 mm,鋼支撐直徑和厚度分別為609、16 mm。冠梁、腰梁均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),截面尺寸長度×寬度為800 mm×800 mm。

(a)沿1-1方向縱剖面圖

為了減小基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工引起的緊鄰站房變形,二期和三期基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用MJS工法成樁,樁徑、間距和長度分別為1.8、1.1、24.0 m。MJS樁內(nèi)部施工鉆孔灌注樁,其直徑、間距和長度分別為0.8、1.0、21.0 m。一期基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)由鉆孔灌注樁和雙排高壓旋噴樁組成。一期基坑的鉆孔灌注樁的尺寸與二、三期基坑一致,高壓旋噴樁的直徑、間距和樁長分別為0.8、0.5、21.0 m。基坑底部以下4 m范圍內(nèi)滿堂加固。三期基坑坑底采用MJS樁加固,樁徑和間距分別為1.8、1.1 m。一、二期基坑坑底采用高壓旋噴樁加固,樁徑和間距分別為0.8、0.5 m。

2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)MJS微擾動成樁施工

MJS(metro jet system)工法在原來高壓噴射注漿法的基礎(chǔ)上,采用獨(dú)特的多孔管和前端強(qiáng)制吸漿裝置,實(shí)現(xiàn)了孔內(nèi)強(qiáng)制排漿和地內(nèi)壓力監(jiān)測。通過調(diào)整排漿量來控制地內(nèi)壓力,使深處排泥和地內(nèi)壓力得到合理控制，降低了施工中出現(xiàn)地表變形的可能性,大幅度減少對環(huán)境的影響，地內(nèi)壓力的降低進(jìn)一步保證了成樁直徑。

開展大尺寸的現(xiàn)場試驗(yàn),研究MJS樁施工對既有站房樁基的影響?，F(xiàn)場施工與高鐵站房樁基尺寸一致的鉆孔灌注樁,頂部施加豎向荷載,模擬海安站房樁基的真實(shí)受力狀態(tài)。距離樁基2.5 m處,利用MJS工法施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)的樁基,測量MJS樁施工引起的既有樁基位移。

圖3所示為MJS樁施工引起的鉆孔灌注樁位移。水平位移的正值代表既有樁基遠(yuǎn)離MJS樁,豎向位移正值代表隆起變形。利用MJS工法成樁時(shí),既有樁基遠(yuǎn)離干擾源,并產(chǎn)生隆起變形。然而,MJS樁施工引起的既有樁基最大水平位移和沉降甚微,均小于0.25 mm，因此,三期基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用MJS工藝成樁能夠明顯降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工對既有站房的影響,為微擾動成樁施工技術(shù)。

圖3 樁基荷載-位移曲線

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)和臨近建筑物變形

3.1 三維有限元仿真模擬

① 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度取決于鉆孔灌注樁的直徑和間距。數(shù)值模擬時(shí),將灌注樁等效成剛度一致的連續(xù)墻。高鐵站房基坑擴(kuò)建工程采用的鉆孔樁樁徑D和凈間距d分別為0.80、0.2 m?；诠?1),將單樁等效為長D+d的連續(xù)墻。站房基坑圍護(hù)樁的等效厚度為630 mm。

(1)

② Plaxis 3D軟件能模擬基坑施工全過程且內(nèi)嵌反映土體小應(yīng)變剛度特性的HSS模型，因此,數(shù)值計(jì)算采用此軟件分析站房擴(kuò)建基坑卸荷對緊鄰建筑物的影響。圖4為基坑-高鐵站房相互作用的三維數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格。Hsieh等[15]發(fā)現(xiàn)基坑施工引起墻后土體沉降的影響范圍為4He(He為基坑最終開挖深度)。三維網(wǎng)格的長度和寬度均為250 m,深度為80 m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)到模型邊界的距離均大于9He,滿足邊界條件要求。

(a)整體網(wǎng)格

土層采用10節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元模擬,圍護(hù)結(jié)構(gòu)、站房采用板單元模擬,內(nèi)支撐、冠梁及腰梁采用梁單元模擬?；诰W(wǎng)格密度敏感性分析,現(xiàn)有網(wǎng)格密度增加1倍后,站房最大沉降和樁基變形差異不足2%,表明現(xiàn)有網(wǎng)格密度滿足要求。模型的單元、節(jié)點(diǎn)總數(shù)分別為396 072、583 232。地基土四周側(cè)面采用法向位移約束,底部采用三向位移約束,即四周網(wǎng)格只能沿豎直方向運(yùn)動,而底部網(wǎng)格不允許產(chǎn)生任何位移。

表1 各土層的HSS模型參數(shù)

采用線彈性模型模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐、冠梁、腰梁?；炷恋膹椥阅Ａ亢筒此杀确謩e為25 GPa和0.2,鋼支撐的彈性模量和泊松比分別為210 GPa和0.17。站房樓板為鋼筋混凝土,墻體為磚頭,均采用線彈性模型模擬。磚的彈性模量和泊松比取3 GPa和0.2。

④ 三維數(shù)值模擬的分析步與現(xiàn)場工序一致。模擬步驟為：初始應(yīng)力場計(jì)算；施工既有高鐵站房；施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)；施工第1道支撐和冠梁；開挖第1層土；施工第2道支撐和腰梁；開挖第2層土；施工第3道支撐和腰梁；施工混凝土底板。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形云圖

圖5為基坑開挖至坑底時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形?？觾?nèi)、外的土壓力差導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移均指向坑內(nèi)。二期基坑長度遠(yuǎn)小于三期基坑,因此,二期基坑的水平位移明顯小于三期基坑。一期基坑由于南北側(cè)墻高的差異,第1道支撐為斜撐,且開挖寬度明顯大于二、三期基坑。因此,一期基坑的水平位移最大,且位移集中較為明顯。這主要是因?yàn)橐黄诨拥膰o(hù)結(jié)構(gòu)高度不一致,相比于水平支撐,斜撐不能夠很好的限值圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平向位移。一期、二期和三期基坑沿南北向的最大水平位移(x方向)分別為11.1、5.4、7.6 mm。

(a)沿南北方向位移Ux

二期、三期基坑沿東西方向的最大水平位移(y方向)小于1 mm,一期基坑沿東西方向的最大水平位移為26 mm?；幼畲箝_挖深度為9.8 m,最大側(cè)向位移為0.11%He(He為基坑最終開挖深度)。一期、二期和三期基坑頂部和深層位移均滿足《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[20]中圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部和深層水平位移為30、50 mm的限值。

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形對比

圖6為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形對比。測點(diǎn)CX1、CX3、CX4和CX5的位置如圖1所示?；庸こ虡兜刃?.63 m厚的連續(xù)墻體,自身抗彎剛度較高?；幼畲箝_挖深度為9.8 m,布置了2道水平支撐,局部3道支撐，因此,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形模式為鼓掌型,明顯不同于鋼板樁等柔性圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形模式。

(a)

第1道支撐為混凝土支撐,且圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入砂土層，因此,圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部和底部的側(cè)向位移接近于0。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向位移位于基坑開挖面上部約2～3 m位置處,與文獻(xiàn)[1, 4]報(bào)告的監(jiān)測結(jié)果一致。CX1、CX3、CX4和CX5測點(diǎn)的實(shí)測水平位移與數(shù)值計(jì)算結(jié)果十分接近,表明三維數(shù)值計(jì)算的模型和模型參數(shù)選擇均是合理的。

選取了文獻(xiàn)[20]報(bào)告的數(shù)據(jù),分析不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形。圖7為不同基坑開挖深度下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向位移。新加坡和上海基坑工程的支護(hù)方式為厚度0.8 m以上的地連墻,圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度要高于海安高鐵站房基坑工程的鉆孔樁，然而,海安高鐵站房基坑施工引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形介于(0.045%～0.11%)H,明顯小于文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果。海安站房基坑工程場地主要為粉砂,力學(xué)特性明顯好于新加坡和上海的軟黏土,且圍護(hù)結(jié)構(gòu)的插入比為1.24。此外,此基坑的開挖寬度介于7.0～20.0 m,基坑三維約束效應(yīng)明顯,限值了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形。

圖7 不同地層的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形對比

3.4 緊鄰基坑的高鐵站房變形

圖8(a)為緊鄰基坑的高鐵站房豎向變形云圖?；邮┕さ娇拥缀?緊鄰站房產(chǎn)生沉降變形。高鐵站房位于三期基坑的中間部位,靠近一期基坑側(cè)的房屋墻體沉降較大。這主要是因?yàn)橐黄诨邮┕ひ鄷鸱课莩两怠８哞F站房的基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ),樁長和直徑分別為20、0.6 m,所有樁基均嵌入到粉砂層中，因此,基坑施工引起的房屋沉降較小,最大值僅為1.1 mm，表明MJS工法樁聯(lián)合多道支撐的圍護(hù)體系很好地限制了基坑施工對高鐵站房的變形。

(a)房屋沉降云圖

為了評估緊鄰基坑高鐵站房的安全性,對高鐵站房的沉降進(jìn)行了監(jiān)測。圖8(b)為沿3期基坑縱向和橫向的房屋沉降。越靠近3期基坑的角點(diǎn),沿基坑縱向的房屋沉降越小。房屋與基坑的水平距離達(dá)到2He(基坑最終開挖深度)時(shí),沿基坑橫向的房屋沉降可忽律不計(jì)。現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示基坑施工引起的高鐵站房沉降很小,最大值不超過1.5 mm。房屋沉降的測量值和計(jì)算值十分接近,再次驗(yàn)證了三維數(shù)值計(jì)算的合理性。

由于站房樁基礎(chǔ)嵌入到粉砂層中,基坑施工引起的上部建筑物沉降很小。然而,基坑施工到坑底后,圍護(hù)結(jié)構(gòu)中部產(chǎn)生了較大的水平位移(如圖5所示)。因此,深層土體水平位移必然誘發(fā)站房樁基變形(如圖8所示)。發(fā)現(xiàn)：基坑施工導(dǎo)致高鐵站房樁基的水平位移指向坑內(nèi)?；娱_挖至5.25、9.8 m時(shí),最靠近基坑側(cè)的樁基產(chǎn)生了較大的水平位移,分別為1.78、5.73 mm。隨著站房樁基遠(yuǎn)離基坑,樁基的水平位移急劇降低。當(dāng)站房樁基與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的距離達(dá)到1.5He時(shí),樁基水平位移接近于“0”。

4 緊鄰高鐵站房樁基位移的影響因素研究

開展有限元參數(shù)分析,研究基坑-站房凈距、圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、基坑開挖寬度對站房樁基的影響,為基坑避讓距離和圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

4.1 基坑-站房水平凈距的影響

圖9為不同基坑-站房水平凈距下樁基的最大水平位移。隨著水平凈距的增加,站房樁基的水平位移快速降低。站房-基坑的水平凈距從0.25He增加到0.50He后,樁基最大水平位移減小了53.4%。水平凈距增至1.5He后,樁基水平位移接近于0,表明基坑施工對高鐵站房的影響區(qū)域?yàn)?.5He。

圖9 不同站房-基坑水平凈距下樁基最大水平位移

4.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的影響

圖10為不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度下樁基最大水平位移。地連墻的厚度分別為0.3、0.4、0.62、0.8、1.0 m,對應(yīng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)剛度分別為17.2、40.9、152.2、326.9和638.6。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)剛度增加后,站房樁基的最大水平位移快速降低。當(dāng)系統(tǒng)剛度從17.2增加到152.2時(shí),即地連墻厚度從0.3 m增至0.63 m,站房樁基的最大水平位移降幅為68.7%。繼續(xù)增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)剛度后,樁基最大水平位移降幅度不明顯。站房擴(kuò)建基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的等效墻體厚度為0.63 m?；跇痘灰齐S系統(tǒng)剛度的變化曲線,海安高鐵站房基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理的。

圖10 不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度下樁基最大水平位移

4.3 基坑開挖寬度的影響

圖11為不同基坑開挖寬度的站房樁基最大水平位移?；娱_挖寬度的變化范圍是(0.83～3.00)He。開挖寬度增加后,樁基最大水平位移逐漸增加,但增加的速率逐步放緩。基坑開挖寬度從0.83He增至2.0He后,樁基最大水平位移增加了29.7%?；尤S約束效應(yīng)隨著基坑開挖寬度的增加而逐步減小。因此,樁基水平位移有所增加。繼續(xù)增加基坑開挖寬度至3.0He后,樁基最大水平位移幾乎未有變化,表明基坑開挖寬度為2.0He時(shí)站房樁基位移達(dá)到極值。總體來說,基坑開挖寬度對既有站房樁基的影響相對較小。

圖11 不同基坑開挖寬度下樁基最大水平位移

5 結(jié)論

開展現(xiàn)場試驗(yàn)和考慮土體剛度小應(yīng)變特性的三維數(shù)值模擬,系統(tǒng)研究了高鐵站房擴(kuò)建基坑卸荷對緊鄰樁基礎(chǔ)房屋的影響。主要結(jié)論如下：

① MJS工法成樁誘發(fā)的緊鄰樁基最大水平位移和沉降均小于0.25 mm,表明MJS工法能明顯降低對周邊環(huán)境的擾動,適用于緊鄰建筑物的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工。

② MJS成樁工藝和多支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)能明顯的限制基坑施工引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和緊鄰高鐵站房的位移。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形為(0.045%～0.11%)H；高鐵站房的最大沉降不高于1.5 mm,但站房樁基的最大水平位移不可忽視。

③ 站房-基坑水平凈距增加后,站房樁基的水平位移快速降低。高鐵站房-基坑的水平凈距增至1.5He后,樁基水平位移接近于0,表明基坑施工對高鐵站房的影響區(qū)域?yàn)?.5He。

④ 圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度從0.3 m增至0.63 m后,樁基最大水平位移減小了68.7%；繼續(xù)增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度,樁基水平位移降幅不明顯，表明海安高鐵站房基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度設(shè)置是合理的。

⑤ 基坑開挖寬度從0.83He增加到2.0He時(shí),樁基最大水平位移增加了29.7%；繼續(xù)增加基坑開挖寬度至3.0He后,樁基最大水平位移幾乎未有變化，因此,基坑開挖寬度對既有站房樁基的影響相對較小。