临近既有高铁路基的基坑开挖数值分析研究——以福州市晋安区三环路某建筑工程为例

陈宝林

(1.福建省建筑科学研究院有限责任公司 福建福州 350108； 2.福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350108)

0 引言

随着我国国民经济与基建的不断发展，基坑的开挖深度、外轮廓形状以及周边环境越发复杂[1-3]。近年来城市规模不断扩大，高速铁路周边工程项目日益增加。而高速铁路正常运营时对轨道的变形有着极其严格的要求。为保证基坑开挖顺利进行和铁路线的正常运营，一般需要对临近既有高铁的基坑开挖进行专项设计并进行系统的工程安全评估工作，但是按现有的规范标准很难对此类工程项目进行评估[4-5]。因此，有必要采用数值分析方法对此类工程进行分析。本文用三维有限元软件ABAQUS[6]对福州市区某临近既有高铁运营线的深基坑开挖进行数值分析，以期能得到基坑支护体系、周围建筑物和土体的受力和变形特性，能给类似基坑开挖的设计、施工、监测提供有利的参考。

1 工程概况

1.1 项目简介

该项目为棚户区改造安置用房，含主楼(14F)、裙房(2F)及地下2F，地下室基坑长约6.3m，宽约46m，设计开挖深度约为5.6m～7.4m。拟建工程位于福州市晋安区北三环路琴亭高架桥附近，场地南侧约20m处为既有高铁营业线(合福下行线中心线)。基坑平面示意如图1所示。

图1 基坑平面示意图

1.2 工程地质特征(表1)

表1 场地岩土体设计参数取值

1.3 基坑支护设计方案

基坑南侧临近既有高铁营业线，其控制轨道路基的最大沉降值不大于3mm，上浮控制值为2mm；水平位移：-3mm～+3mm。针对基坑所处的特殊位置，且为深基坑。在基坑南侧设计采用φ1000mm，间距750mm，桩长约27m的咬合桩并布置一道混凝土支撑，距坑边3m处布置一排φ1000mm，间距750mm，桩长约20m的素混凝土隔离桩；其余各侧均采用φ1000mm，间距1500mm，桩长约12m～15m的围护桩，在外侧布置φ750mm，桩长约27m的双轮搅拌止水帷幕，设置一道混凝土支撑。基坑南侧典型剖面图如图2所示。

图2 基坑南侧典型剖面图

2 基坑三维有限元模型

由于基坑形状的不规则，且在南侧临近既有高铁营业线，受力分析和变形特性较复杂，局部地区可能存在较大变形，采用传统二维分析方法将无法客观全面地反映基坑开挖时各种性状。因此，本文应用三维大型有限元软件ABAQUS在三维空间状态下模拟基坑开挖，但同时为了不使问题变得复杂，本文作如下假定：

(1)假设基坑开挖时已完成降水，在开挖时土体中产生的超孔隙水压力消散缓慢，此时进行短期稳定性分析时不考虑流固耦合和时间效应。

(2)假设基坑围护结构和隔离桩为线弹性材料，在整个基坑开挖过程中，其受力状态始终处于弹性阶段。

(3)不考虑开挖和支护结构的施工过程，开挖为分期开挖，每层开挖为线性卸载过程。

2.1 几何模型与单元选择

图3 模型示意图及网格划分(一)

图4 模型示意图及网格划分(二)

根据实际工程特点建立三维基坑有限元分析模型，模型示意及网格划分如图3～图4所示。路基面宽度为8.8m，轨道分布宽度为3.4m，轨道自重17.3kN/m2，列车荷载36.8kN/m2，总荷载54.1kN/m2，同时考虑地面超载20kPa以及钢筋混凝土支撑梁顶部超载4kPa。模型中土层由上到下依次为杂填土、淤泥、卵石、全风化花岗岩、强风化花岗岩。模型在与X轴、Y轴垂直的4个侧面边界上将其法向位移约束，在模型的底面(垂直于Z方向的法平面)约束X、Y、Z三个方向的位移。隔离桩和围护桩与土的接触的法向模型采用硬接触来模拟，切向模型采用罚函数的黏滑接触摩擦模型，桩土摩擦系数通过式μ=tan(0.75φ)计算得到。模型土体和路基均采用六面体线性应力单元(C3D8)，基坑围护桩、隔离桩均采用壳单元(S4)，支撑桁架采用梁单元(B31)。

2.2 材料本构关系及计算参数

土体采用摩尔-库伦理想弹塑性模型，隔离桩和围护结构采用线弹性模型。根据勘查资料及工程经验确定模型计算参数，如表2所示。

表2 模型计算参数表

3 有限元结果分析

3.1 基坑南侧水平位移分析

基坑开挖过程中，对基坑围护桩、周边建筑、临近高铁路基进行了全程监测。在基坑开挖结束后，选取靠近高铁路基的基坑南侧两个监测点的实测水平位移与计算模型数据进行对比,如图5所示。

图5 基坑南侧监测点示意图

1#、2#监测点水平位移如图6～图7所示。从位移曲线的变化特征来看，支撑极大地限制了基坑顶的位移，位移随着深度增加而增大，位移在靠近基坑底面处达到最大值，随后位移逐渐减少，在围护桩底部位移趋于零。由图可知，实测值与计算值曲线形态相近，数值相差不大，说明计算模型较好地模拟了现场基坑的开挖。实测值较计算值偏小，考虑到前文的假设及土本构关系、计算模型参数的选取问题，模型计算是偏于安全的，也说明了该支护方案是安全可行的。

图6 1#监测点水平位移曲线图

图7 2#监测点水平位移曲线图

图8 路基水平位移云图

3.2 临近路基位移分析

由于该基坑开挖周边环境复杂，尤其在南侧为现有运营高铁线，现有高铁线对变形要求极其严格。经模型计算，基坑开挖过程中，线路路基产生的最大水平位移为1.54mm，最大竖向位移为2.51mm。实测最大水平位移为1.71mm，最大竖向位移为2.63mm。说明该基坑支护方案针对南侧运营高铁线加设隔离桩的支护方案有效地控制了临近路基的变形且提高了基坑的稳定性。

图8～图9为路基的水平及竖向位移云图。由图可知沿着路基中轴线，位移在靠近基坑的位置处达到最大值，远离基坑位置逐渐减少。从靠近基坑处的路基横断面来看，远离基坑方向的水平位移在路基边坡坡肩处最大，朝向基坑方向的位移在路基坡趾处最大。竖向位移(方向向下)在路基横断面的中心处最大，竖向位移(方向向上)在路基坡趾处最大。

图9 路基竖向位移云图

图10 基坑支撑变形云图

图11 基坑等效偏应力云图

3.3 基坑支撑分析

图10～图11为基坑支撑变形云图、等效偏应力云图。由图可知，基坑支撑变形在图10中标示处达到最大值，说明该处位移大，比较容易失稳，在支撑设计时可加大该处的支撑刚度。基坑支撑等效偏应力在图11所示处达到最大值，说明该处为支撑受力较薄弱的位置，可适当增加该处的强度。

3.4 基坑周围土体分析

图12为基坑周围土体的等效塑性应变云图，由图可知，塑性应变沿着基坑边呈弧形向外扩散，在基坑边中点较大，两边较小，远离基坑边塑性应变趋于零；在基坑南侧只有局部区域发生了塑性应变。图13为基坑周围土体等效偏应力云图，由图知，其呈3/4圆包围住基坑；在基坑南侧，土体等效应力几乎为零。

图12 基坑周围土体等效塑性应变云图

图13 基坑周围土体等效偏应力云图

图14为基坑周围土体竖向位移云图。由图知，其沉降最大值在距离基坑边一定距离的位置，位移等值线以最大值为中心呈扁条形向外扩散。基坑内有向上的隆起的位移。靠近基坑南侧的土体的沉降和隆起都很小。

图14 基坑周围土体竖向位移云图

综上分析说明，通过模型计算由基坑周围土体等效塑性应变云图、等效偏应力云图及竖向位移云图可确定基坑开挖时周围土体的受力变形特性、影响区域范围和极值点，能给基坑开挖的设计、施工、监测提供有利的参考。该工程实例说明，在基坑南侧加设隔离桩有效地阻断了临近高铁正常运营和基坑开挖之间的相互影响，达到了该基坑设计要求的目标。

4 结论

(1)该工程周边环境复杂又临近既有运营高铁路线，采用ABAQUS软件对基坑开挖进行数值分析模拟，对该支护方案进行验算，经过施工监测，数据表明，模型计算结果与监测结果误差控制在15%以内。数值分析能较好地模拟基坑开挖的过程，能给基坑开挖的设计、施工、监测提供有利参考。

(2)临近路基水平位移在路基边坡坡肩处、路基坡趾处最大。竖向位移在路基横断面的中心处及路基坡趾处最大。施工监测时，应重点监测路基坡肩、坡趾及路基横断面的中心处，并采取一定的加固措施。

(3)通过数值分析模拟，找到基坑支撑体系的较薄弱位置，在设计和施工时应予以重点考虑。可采用增加该处支撑强度、刚度、加密该处的支撑等，使受力更加合理，节约成本。

(4)基坑开挖时，周围土体的塑性应变和等效偏应力的最大值在基坑边靠近中心处的位置。沉降最大值在距离基坑边一定距离的位置。在基坑南侧加设隔离桩，有效阻断了路基周围土体因基坑开挖而产生的变形，既保证了基坑的正常开挖施工，又不影响高铁线的正常运营，达到了该基坑设计要求的目标。