临近铁路坑中坑偏载基坑开挖支护结构受力与变形规律研究

王培鑫， 周顺华， 季　昌， 李　雪

(1. 同济大学城市轨道与铁道工程系， 上海　201804； 2. 同济大学道路与交通工程教育部重点实验室， 上海　201804)



临近铁路坑中坑偏载基坑开挖支护结构受力与变形规律研究

王培鑫1,2， 周顺华1,2， 季昌1,2， 李雪1,2

(1. 同济大学城市轨道与铁道工程系， 上海201804； 2. 同济大学道路与交通工程教育部重点实验室， 上海201804)

为了研究坑中坑偏载基坑开挖支护结构性状，以某临近铁路的坑中坑基坑工程为依托，基于实测数据分析基坑的变形规律，并运用有限元软件对不同的设计方法进行计算分析。实测表明，坑中坑偏载基坑的超载侧墙体变形呈悬臂形，而欠载侧墙体上部为朝向坑外的逆向位移，下部朝向坑内位移。有限元分析表明：忽略边坡开挖过程将边坡等效为分布荷载进行计算，将高估超载侧墙体内力，低估欠载侧墙体内力和第1道支撑轴力；按超载侧荷载进行对称计算将高估欠载侧围护结构内力；建议坑中坑偏载基坑支护结构设计考虑基坑整体性状和外坑开挖对内坑围护结构内力的影响，对两侧围护结构区别设计。

坑中坑基坑； 铁路； 偏载； 围护结构； 变形； 内力

0　引言

石钰锋等[1]通过实测分析了紧邻铁路偏压基坑围护结构的内力与变形规律；张国亮[2]结合实测与数值模拟研究提出了临近铁路不对称超载基坑的设计建议与控制措施；沈宇鹏等[3]对临近既有线基坑支护影响因素进行正交分析，建议临近基坑开挖要在止水的条件下进行；张学民等[4]研究了列车动载作用下偏压基坑围护结构的动力响应；罗锟等[5]和李梅芳等[6]研究了基坑开挖对既有线的动态影响；徐烨等[7]分析了地铁车站偏载基坑围护结构设计；姚爱军等[8]基于实测研究了建筑超载对深基坑围护结构变形的影响；林刚等[9]和徐长节等[10-11]从不同角度研究了偏载基坑开挖支护结构的受力与变形性状，探讨了相应的设计措施；霍军帅等[12-13]研究提出了坑中坑基坑围护墙间土压力计算方法，结合工程实测分析了上海自然博物馆坑中坑基坑围护结构变形特性。

以上研究无论是针对铁路超载、地面堆载、还是建筑物等形式的超载，基坑均为排桩或地下连续墙支护，关于临近既有线采用放坡+地下连续墙支护的坑中坑偏载基坑鲜有报道。本文以某临近既有铁路线的坑中坑偏载基坑为背景，分析、总结基坑变形规律，并利用数值模拟对不同的设计方法进行计算分析。

1　工程概况

苏州地区某紧邻既有铁路线的基坑共地下3层，其中地下1层为国铁站房基坑，地下2、3层为地铁车站基坑，地铁基坑落深于站房基坑，形成了坑中坑基坑。临近既有铁路线区域的基坑平面如图1所示，外坑长172.2 m，深8.05 m；内坑3、4号口基坑对称布置，长56 m，宽19 m，以外坑底为基准深9.36 m(局部深13.06 m)，以地表为基准深17.41 m(局部深21.11 m)；既有线中心距基坑坡顶边缘8.25 m，距3、4号口基坑围护结构外缘21.30 m。

图1　基坑平面图(单位: m)

基坑剖面如图2所示，外坑二级放坡开挖，坡度1∶1，两级边坡间设2 m宽平台，坡面挂φ8 mm@250 mm×250 mm钢筋网，喷射80 mm厚C20混凝土；一级边坡设φ20 mm@1 500 mm×1 500 mm锚杆，长6.5～9.5 m；二级边坡设φ16 mm@1 500 mm×1 500 mm锚杆，长3.5 m；坡顶与二级平台各设2排φ850 mm@600 mm搅拌桩，深度分别为20、10 m。3、4号口基坑围护结构为1 m厚、20.2 m深地下连续墙，设3道支撑，第1道为1 000 mm×800 mm混凝土支撑，间距5.5～7.0 m，第2、3道为φ609 mm、厚16 mm钢支撑，局部设第4道钢支撑，间距2～3 m；坑底设裙边抽条旋喷桩加固，加固深度5～6 m，水泥掺入比20%。

场地土层分布见图2，主要物理力学指标如表1所示。

潜水含水层主要由填土层组成，埋深0～1.36 m。承压水含水层为⑦粉土夹粉质黏土，顶板埋深29.00～34.90 m，厚度3.90～10.50 m，水头埋深2.8 m左右。

经过学习，笔者以“产出导向法”指导教学，结合超星公司“学习通”APP和网络教学平台实施线上预习、练习、测试与课堂演练相结合的“翻转课堂”式信息化教学。授课对象是我院发电厂及电力系统专业大二学生，共64名同学。授课内容是英语求职信的写作方法。为了适应时代的发展和把握全球交流的机遇，一封体现个人的逻辑思维能力、语言表达能力和人际交往等能力的优秀的英文求职信能大大提高成功应聘的机会，也是美好未来的“敲门砖”。恰逢同学们即将进入大三实习面试的阶段，因此，同学们非常希望能写出像样的英语求职信。“求职信”的教学正好体现“产出导向法”对英语教学的帮助。

2　坑中坑偏载基坑变形及支撑轴力实测分析

2.1测试方案

结合现场施工对坡顶位移(D24—T28)、地下连续墙水平位移(CX1—CX3)和支撑轴力(ZL1—ZL4)进行监测，测点布置如图1所示。地下连续墙水平位移采用测斜管监测，混凝土支撑及钢支撑轴力分别采用应变计与反力计监测。1-1和2-2所在断面处施工进度如表2所示，其中施工时间为各工序完成的时间；此外，为控制路基变形，175～202 d在坡顶进行了双液注浆加固。

图2　基坑横剖面图(单位: mm)

土层名称含水率/%重度γ/(kN/m3)孔隙比塑性指数液性指数黏聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)泊松比ν压缩模量Es0.1～0.2/MPa③1黏土26.21.940.7621.50.453511.10.315.54③2粉质黏土28.81.910.8216.20.671711.50.324.84④2粉质黏土32.31.890.93160.841810.70.323.56④3粉土夹粉黏29.71.890.8410.60.821316.40.336.17④6粉质黏土30.81.880.8713.20.8697.60.334.21⑤1黏土25.31.970.7318.90.482012.70.295.57⑤2粉质黏土27.11.940.7713.90.641410.30.305.61⑦粉土夹粉质黏土24.31.960.697.210.591021.60.317.63⑦1粉质黏土28.31.920.814.50.7898.80.315.08

表2　主要施工进度表

2.2地表沉降

坡顶D26断面测点沉降时程曲线如图3所示。由图3可知，地表沉降在放坡开挖阶段随时间近似线性增长，各测点变形规律相同，均小于15 mm。在坑底加固与施工冠梁、混凝土支撑期间，各测点变形规律不同，其中D26-1、D26-2和D26-3沉降虽有增长，但速率逐渐降低，趋近收敛，而D26-4沉降迅速增加，并未收敛，分析是受坡脚土体渗漏水和列车荷载影响所致；另外，坡顶边缘搅拌桩的加固作用亦减小了靠近基坑的D26-1和D26-2沉降。后期的注浆施工造成地表不同程度的隆起，但D26-4测点在注浆期间沉降突增，分析认为是坡体受注浆劈裂、挤压作用向坑内位移所致。

2.3地下连续墙水平位移

图4为出入口基坑CX1和CX3不同工况下水平位移，其中向坑内位移为正，反之为负。由图4(a)可知，超载侧墙体整体向坑内位移，呈悬臂式，水平位移在墙顶处最大，随开挖深度增加而增加，最大值为13 mm，约为开挖深度的1.4‰。欠载侧墙体上部向坑外变形，下部向坑内变形，随开挖深度增加这一趋势更加明显；开挖至坑底后，3 m以上墙体位移向基坑外，最大位移约5 mm，位于冠梁顶，3 m以下墙体位移朝向坑内，最大位移约10 mm，位于最下一道支撑与坑底之间。

图3　D26断面测点沉降时程曲线

(a) 超载侧CX1

(b) 欠载侧CX3

由上述墙体变形特征分析此类基坑的变形特点如下：受列车荷载及边坡的偏压影响，超载侧墙体呈悬臂形，水平位移自冠梁至墙趾逐渐减小；而对侧墙体上部向坑外逆向位移，下部向坑内位移；超载侧墙体最大位移大于对侧墙体。与传统对称基坑相比，偏载基坑围护结构的整体变形形态和最大位移发生位置均不同；随着开挖深度的增加，偏载基坑围护结构的整体变形均在变化，而传统的对称基坑每施加一道支撑后，该道支撑以上的围护结构变形将趋于稳定。

2.4支撑轴力

ZL1和ZL3断面的支撑轴力时程曲线如图5所示，支撑轴力随开挖深度增加而逐渐增加，架设第3道支撑后，第1道支撑轴力维持稳定，仅有小幅波动，表明后续开挖对第1道支撑基本无影响；而在拆第3道支撑时，其上部2道支撑轴力均有增加，尤其是混凝土支撑，表明拆撑的轴力主要由底板和其上部2道支撑承担。

(a) ZL1

(b) ZL3

3　坑中坑偏载基坑有限元分析

实践表明，偏载基坑的变形与对称荷载基坑显著不同。传统的基坑分析方法，如等值梁法、弹性法等不能考虑非对称荷载，不适用于偏载基坑的设计；若按超载侧荷载进行对称设计，偏于保守；若忽略放坡开挖过程，将边坡等效为分布荷载进行计算，不能考虑放坡开挖对内坑围护结构内力的影响，则可能偏于危险。

为更好地考虑基坑的整体性状，运用有限元软件对本工程不同的设计方法进行计算分析，以期为此类偏载基坑支护结构设计提供有益参考。根据对外坑边坡处理方式的不同，对比3种计算方案：1)与本工程施工过程一致； 2)忽略放坡开挖过程，将边坡简化为分布荷载； 3)双侧对称放坡开挖。各方案如图6所示。

(a) 方案1　　　　　(b) 方案2　　　　　(c) 方案3

图7　有限元模型网格划分图

开挖工况模拟简述如下：对于方案1、3，按表2所示施工顺序进行模拟，放坡开挖完成后模型位移置零(与实测对应，实测内坑地下连续墙位移以放坡开挖完成为基准点)；对于方案2，先施加分布荷载，再将模型位移置零。

3.1围护结构变形与弯矩

不同工况下围护结构水平位移如图8所示，其中工况A表示外坑放坡开挖完成(方案2为施加超载完成)，工况B表示内坑开挖完成；左侧墙体对应欠载侧，右侧墙体对应超载侧。由图8(c)可知，方案1左侧地墙变形计算值与实测较为吻合，但最大值及其所在深度有所差异，究其原因，一方面基坑开挖会在坑底产生残余应力，使得内坑支护结构的实际荷载大于土体自重应力产生的荷载[12]；另一方面基坑欠载侧正在施工站房结构，一定程度上增大了欠载侧墙后土压力，而数值计算未能考虑上述因素。

(a) 工况A左侧地下连续墙　　(b) 工况A右侧地下连续墙　　(c) 工况B左侧地下连续墙　　(d) 工况B右侧地下连续墙

图9为各方案不同工况下地下连续墙弯矩，结合图8可知，外坑放坡开挖完成时内坑围护结构已经产生了一定的位移和内力，且在总位移和内力中占有较大的比重。受非对称荷载影响，方案1、2两侧地下连续墙变形和内力区别明显，超载侧墙体的最大位移和内力均大于欠载侧；此外，欠载侧地下连续墙变形与弯矩从工况A到工况B均发生了反向。

不同计算方案下围护结构位移和弯矩最大值如表3所示。由表3可知，在工况A时，方案2两侧地下连续墙位移及弯矩均最大；工况B时，方案3左侧地下连续墙位移及弯矩最大，方案2右侧地墙弯矩最大，方案1右侧地墙下连续位移最大。方案1放坡开挖完成时左、右侧地下连续墙的最大弯矩分别相当于内坑开挖完成时最大弯矩的51.2%和42.5%。

(a) 工况A左侧地下连续墙　　(b) 工况A右侧地下连续墙　　(c) 工况B左侧地下连续墙　　(d) 工况B右侧地下连续墙

方案工况A:放坡开挖完成Δmax/mm左侧右侧Mmax/(kN·m)左侧右侧工况B:开挖至坑底Δmax/mm左侧右侧Mmax/(kN·m)左侧右侧1-3.57.2-299.0-492.0-9.719.2583.7-1185.82-4.612.6-386.5-856.7-7.213.0319.3-1543.934.04.0287.9-287.916.616.61148.1-1148.1(|2|-|1|)/|1|%/%31.475.029.374.1-25.8-35.9-45.330.2(|3|-|1|)/|1|%/%14.3-44.4-3.7-41.571.1-13.596.7-3.2

注：Δmax为围护墙最大位移；Mmax为围护墙每延米最大弯矩。

将各方案地下连续墙弯矩、变形最大值与符合实际施工过程的方案1对比可知，在工况B情况下，方案2超载侧地下连续墙最大弯矩比方案1大30.2%，欠载侧地下连续墙最大弯矩比方案1小45.3%；方案3超载侧地下连续墙最大弯矩比方案1小3.2%，欠载侧地下连续墙最大弯矩比方案1大96.7%。故若按照方案2将边坡超载简化为分布荷载的形式进行计算，会高估超载侧地下连续墙的内力，低估欠载侧地下连续墙的内力；若根据超载一侧按对称方案3进行设计，欠载侧地下连续墙弯矩将高估近100%，偏于保守。方案2与方案1的对比也表明，当基坑一侧的土体堆载较大时，将其等效为分布荷载进行计算会产生较大的偏差。因此，建议考虑基坑整体性状，按照方案1进行计算，对两侧围护结构区别设计，同时考虑围护结构的正、负弯矩差别采取非对称配筋，可兼顾工程安全与经济效益。

3.2支撑轴力

支撑轴力实测值与计算值对比如图10所示。由图10可知，方案1、3计算结果与实测较为接近，方案2混凝土支撑轴力远小于方案1、3和实测值，分析原因如下：方案2将边坡土体简化为内坑地表的分布荷载进行计算，忽视了土体变形过程中因刚度差异和变形协调带来的荷载重分布影响，而坡体内锚杆和搅拌桩增大了这一刚度差异；此外，将边坡土体等效为竖向分布荷载也忽略了边坡侧土压力的影响。因此，对于偏载基坑支护结构设计，按超载侧进行对称计算能够合理预估支撑轴力，但若将边坡超载简化为分布荷载，则会低估第1道支撑的轴力。

图10　支撑轴力实测值与计算值对比

Fig. 10Comparison between measured axial force of support and calculated axial force of support

4　结论与讨论

本文以苏州地区某临近铁路的坑中坑基坑工程为背景，采用实测和数值模拟的方法，研究了基坑开挖支护结构的变形与受力规律、设计方法，得到如下结论：

1)受边坡偏压及列车荷载影响，超载侧墙体变形呈悬臂形，而欠载侧墙体上部朝向坑外、下部朝向坑内位移；随着基坑开挖深度增加，两侧墙体的上述变形趋势增大；超载侧墙体最大位移大于对侧墙体。

2)数值计算表明，对于坑中坑偏载基坑，在外坑开挖完成时，内坑围护结构已经产生了一定的内力，且在总内力中占有较大的比重，应当考虑外坑开挖对内坑围护结构内力的影响。

3)对于坑中坑偏载基坑支护结构设计，将边坡超载简化为分布荷载进行计算，将高估超载侧墙体内力，低估欠载侧墙体内力和第1道支撑轴力；按超载侧对称计算将高估对侧围护结构内力。

4)偏载基坑支护结构设计宜考虑基坑整体性状，对两侧围护结构区别设计，针对围护结构的正、负弯矩差别采取非对称配筋，可兼顾工程安全与经济效益。

5)本文虽然在放坡+地下连续墙支护的坑中坑基坑开挖支护结构性状研究方面取得了一些成果，但计算及分析对象的偏载程度是固定的，应当进一步研究不同偏载程度下的支护结构性状；此外，建议多搜集实测数据，为相关的理论分析提供验证与支撑。

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Study of Deformation Rules and Stress of Retaining Structure of Unsymmetrically Loaded Foundation Pit in Another Foundation Pit Adjacent to Railway

WANG Peixin1, 2, ZHOU Shunhua1, 2, JI Chang1, 2, LI Xue1, 2

(1. Department of Urban Rail Transit and Railway Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China;2.KeyLaboratoryofRoadandTrafficEngineeringoftheMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Different design methods for retaining structure of unsymmetrically loaded foundation pit in another foundation pit adjacent to railway are calculated and analyzed by finite element software; and the deformation rules of the retaining structure are analyzed based on monitoring data. The monitoring data show that: 1) For overloaded sidewall, the deformation of the sidewall increases with the excavation depth increases and moves towards inner foundation pit. 2) For underloaded sidewall, the deformation of upper part faces to outer foundation pit and that of lower part faces to inner foundation pit. The finite element analysis results show that: 1) The internal force of overloaded sidewall would be overestimated and the internal force of underloaded sidewall and the axial force of Support No. 1 would be underestimated when the slope excavation is ignored and the slope is equivalent to distributed load. 2) The internal force of retaining structure of underloaded sidewall would be overestimated when calculation is based on overloaded sidewall. 3) The integral characteristics of unsymmetrically loaded foundation pit in another foundation pit and the interaction between two foundation pits should be considered in design phase of the foundation pit.

foundation pit in another foundation pit; railway; unsymmetrical load; retaining structure; deformation; internal force

2016-03-18;

2016-05-19

王培鑫(1987—)，男，河南林州人，同济大学道路与铁道工程专业在读博士，研究方向为基坑与盾构隧道。E-mail：1209wpx@tongji.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.08.004

U 45

A

1672-741X(2016)08-0911-07