公铁立交工程深基坑数值模拟及监控量测分析

曹鹏程

(中铁二十三局集团有限公司 四川成都 610072)

1 工程概况

随着我国经济发展，城市化进程快速推进，公路与铁路立交情况时有发生。城市施工场地紧张，尤其遇到深水基坑时，如何安全开挖施工是众多设计和施工人员必须面对的问题。

哈佳铁路学府路框构桥及佳木斯特大桥基坑施工项目位于黑龙江省佳木斯市，工程拟建2座框构中桥和哈佳铁路佳木斯特大桥两个桥墩，基坑面积为3 645.4 m2，周长为294.139 m，基坑在框构桥及封闭路堑处开挖深度为11.89 m，基坑内佳木斯特大桥桥墩基础低于框构桥及封闭路堑底面5.74 m，总开挖深度为17.63 m，属于特大深水基坑。该工程项目北侧紧邻铁路施工便线，基坑与列车临时过渡便线最小距离为11.3 m，易受列车振动影响。

本文依托该工程项目研究公铁立交深水基坑开挖过程的土层及排桩侧移、排桩沉降以及支撑应力的变化情况，分析基坑开挖过程的稳定性和安全性，为类似工程提供借鉴。

2 深基坑施工设计和数值计算

本项目铁路基础与公路基础埋深大、开挖深度不一致，属于特大型深水基坑，且邻近铁路干线，有列车振动源。项目初步设计采用首层设置混凝土排桩+混凝土冠梁+混凝土支撑组成的围护结构，第二层采用预应力钢管支撑结构。为了确保施工安全，首先对本工程的施工过程进行数值模拟计算，对初步设计的安全性进行评估。

2.1 地层地质参数确定

本项目地层采用Drucker-Prager弹塑性模型模拟[1]。地层的物理学参数通过地质勘查书数据选定。其中，弹性模量通过地质资料的压缩模量换算得出，换算公式[2]为:

式中，Es为压缩模量；E为弹性模量。

由于地质勘查书中数据没有提供土层的泊松比，通过土性分类并参考《土的工程分类标准》(GB/T 50145-2007)的规定进行选取[3]。土层的物理学参数见表1。

表1 地层物理学参数

2.2 列车引起的振动激励

考虑深基坑仅距下游车站400 m，基坑边缘距进站铁路繁忙干线仅11.3 m，基坑施工受列车振动影响较大，数值计算中需考虑列车振动激励。本项目邻近车站，列车进站时速大多降至45 km，列车数量多且有叠加效应，而现有的列车激励标准时程曲线都是按标准速度给出且不考虑多车叠加效应。为准确模拟本项目施工过程，首先对工程地点的列车振动激励进行实测。在施工位置预设的围护结构和支撑试验件上安装6个拾振器，分别测试各测点的竖向及垂直于列车运行方向的振动响应。为了全面掌握列车振动的影响，进行24 h连续监测，共测试22趟列车，包含7趟客运列车和15趟货运列车。测试得到的典型列车振动时程曲线如图1a所示。现场振动测试结果表明，围护结构和支撑的响应表现为垂直速度小于水平速度，货车比客车响应大；经过对列车振动时程曲线进行频谱分析，振动卓越频率在10 Hz左右，振动频率主要范围在8～40 Hz之间，如图1b所示。

图1 列车振动时程曲线及频谱分析

2.3 有限元数值建模

为了模拟基坑在开挖时土层内力变化，以及混凝土排桩、冠梁、混凝土支撑、钢支撑和土层之间的共同作用，建立项目的三维整体有限元模型[4-6]。

有限元数值模型中，混凝土排桩、冠梁、混凝土支撑和钢管支撑按标准弹性材料，采用beam188梁单元模拟；地层采用三维实体单元solid45模拟分析。模型单元划分49 760个，地层土体单元44 080个，混凝土排桩单元4 112个，钢筋混凝土支撑单元1 328个，钢管支撑单元240个。深基坑边界设置条件为:侧向边界受X轴和Z轴水平位移约束；基坑底部边界受到Y轴方向竖向位移约束；地面为无约束边界，不受方向限制。

基坑土层有限元模型以及支撑有限元模型如图2所示。

图2 深基坑有限元模型

模型的初拟建形态，首先对各层土在自身重力情况下进行分析，再将位移归零，并且设置混凝土排桩进行稳定分析[7]。考虑每层开挖设置支撑时，每个重要关节单元功能按照逐层设置支撑的步骤，逐个激活各层支撑，实现对各层支撑的模拟。每一层支撑在混凝土排桩变形以后施加，利用改变节点位置的数值增减来实现。降水造成的地下水位变化采用水压力施加给混凝土排桩来分析，基坑各层开挖采用土单元的重要关节功能来模拟。

2.4 模拟计算工况设计

合理的施工工序能够保证基坑结构稳定、缩短工期和降低成本[8]。本项目拟定的施工工序如下:

(1)建立施工围挡，破除既有道路及路面，按一定工序施作混凝土排桩、格构柱；待灌注桩混凝土达到一定强度后，施作旋喷止水帷幕；止水帷幕封闭后，布置疏干井；破除排桩桩头，施工混凝土冠梁及挡土墙。

(2)基坑挖深至第1道混凝土支撑底面以下0.5 m标高时，为第1工况；设置第1道混凝土支撑，为第2工况；施作桩间网喷混凝土，至基底设计标高。

(3)基坑挖深至第2道钢管撑底面以下0.5 m标高时，为第3工况；设置第2道钢管撑，为第4工况；施作桩间网喷混凝土，至基底设计标高。

(4)基坑挖深至第3道钢管撑底面以下0.5 m标高时，为第5工况；设置第3道钢管撑后挖至坑底，为第6工况；施作桩间网喷混凝土，至基底设计标高。

2.4.1 土层变形计算结果

通过模拟计算基坑开挖全过程，提取各工况下的土层侧向变形。通过分析可知，第1工况下土层水平方向最大变形为3.361 mm；第2工况下土层水平方向最大变形为2.40 mm；第3工况下土层水平方向最大变形为4.736 mm；第4工况下土层水平方向最大变形为4.742 mm；第5工况下土层水平方向最大变形为6.973 mm；第6工况下土层的水平方向最大变形为6.986 mm。变化较为明显，基坑土方逐层开挖对地面沉降变形影响比较大。图3为第3工况和第5工况情况下土层侧向变形云图。

图3 施工过程土层侧向变形云图

2.4.2 排桩和支撑应力计算结果

不同工况下，混凝土排桩和内支撑轴向应力变化通过分析计算，第1工况下混凝土排桩和钢管撑轴向应力最大值为0.102 MPa；第2工况下混凝土排桩和钢管撑轴向应力最大值为0.597 MPa；第3工况下混凝土排桩和钢管撑轴向应力最大值为0.637 MPa；第4工况下混凝土排桩和钢管撑轴向应力最大值为5.07 MPa；第5工况下混凝土排桩和钢管撑轴向应力最大值为5.6 MPa；第6工况下混凝土排桩和钢管撑轴向应力最大值为5.6 MPa。均在规范允许范围内。

3 开挖过程现场监测分析

本基坑属于特大型深水基坑，存在较大的安全风险。在施工中对其开展实时监测，及时根据结构的变形和受力情况进行调整，确保施工安全；并且通过实际监测数据与数值计算结果进行比较，对有限元计算和设计的合理性进行检验，为以后同类型工程的设计提供借鉴。

3.1 监测项目和监测点布置

根据工程特点，主要进行混凝土排桩及立柱桩沉降监测[9]、混凝土排桩顶部水平位移监测、混凝土支撑及钢支撑应力以及地下水位监测。监测点布置如图4所示，其中G0～G14表示混凝土排桩沉降监测布置点；D1～D9表示立柱桩沉降监测布置点；B0～B13表示混凝土排桩顶部水平位移监测布置点；F1～F5表示混凝土支撑轴向应力监测布置点；Y1～Y5表示钢支撑表面应力监测布置点；C1～C5表示地下水位监测布置点。

图4 监测点平面布置

3.2 监测数据分析

(1)混凝土排桩和立柱桩沉降量

通过在混凝土排桩顶部冠梁对应位置和立柱桩顶部对应位置设置监测点，监测施工过程中排桩和立柱桩的沉降量，经过分析剔除异常数据后得到所需基础数据，如图5所示。

图5 桩的沉降量变化曲线

从图5可以看出，整个开挖过程沉降稳定，未出现日变化量或累计变化量超限的情况。整个监测过程沉降变化较为稳定，混凝土排桩和立柱桩沉降量都处在可控范围内。

(2)混凝土排桩水平侧移

通过在混凝土排桩顶部冠梁设置测点，监测施工过程中排桩水平侧移，经过分析剔除异常数据后得到所需基础数据[10]，如图6所示。整个开挖过程侧移稳定，未出现日变化量或累计变化量超限的情况，混凝土排桩水平位移变化量都处在可控范围内[11]，且与有限元数值计算结果相近。

图6 排桩水平侧移变化曲线

(3)支撑应力

施工过程中对混凝土支撑和钢支撑进行应力监测，数据如图7所示。

图7 支撑应力变化曲线

施工初期混凝土支撑轴力变化起伏不大，支撑结构整体较为稳定。4月20日以后为配合深基坑坑底作业，基坑整体快速降水，基坑原有稳定性暂时性改变，轴力出现较大波动，通过与其他监测数据对比综合分析，认为基坑整体稳定性处于可控范围，且与有限元数值计算结果变化趋势一致。

在钢板桩内侧斜撑设置表面应力计监测开挖过程中整个钢板桩结构受力情况[12]。由图7可知，只有钢斜撑受力变化较为明显，4月26日以后基本稳定，处于可控范围内，且与有限元数值计算结果变化趋势一致。

4 结论

(1)根据基坑支护系统建立三维有限元模型经计算分析，混凝土排桩及立柱桩变形、混凝土支撑和钢管撑应力都小于容许值，基坑设计合理。

(2)基坑各项监测数据显示，作用在每一层混凝土支撑和钢管撑上的轴向力并不是随着开挖深度的增加而逐渐增大，而随着不同工况的推进呈波动变化特征，且监测数据与数值分析一致。数值分析和监测过程精准地掌握了基坑在各种工况下的应力和位移，确保了在基坑安全稳定的情况下施工。

(3)理论计算结果和实际监测数据的变化趋势基本相同，表明数值分析时建立的模型合理，参数选取可靠。