邻近铁路隧道的深基坑双排桩支护结构变形规律及优化设计分析

金 座 中铁城建集团第一工程有限公司

1 前言

在邻近铁路隧道的建筑工程建设中，由于施工受到周边条件的影响，对安全施工和施工技术要求十分高，为了确保施工的安全性和质量性，在邻近铁路隧道的施工中深基坑双排桩支护结构需要具有良好的性能，但由于此结构受到影响因素比较复杂，对结构性能造成很大的影响，如果不能够有效控制结构的性能变化，势必对工程安全、稳定建设造成威胁，因此这就掌握深基坑双排桩支护结构变形规律，并根据实际情况制定优化方案，确保支护结构长期作用的发挥。

2 工程概况

在某商业楼的建设中，和铁路隧道的邻近区域同时施工，此商业楼的地上部分共有10 层，而地下部门共3 层。在拟建场地中，地层按从上到下顺序分别是最大埋深是6.56m 的填土、最大埋深是11.9m的黄土、最大埋深是15.7m的古土壤、最大埋深是39.9m的砂土、最大埋深是60.1m的粉质黏土。基坑施工总面积约是2480m2，对基坑设计的开挖深度是20m，且基坑支护主要包括前后的排桩和桩间梁，也就是双排桩的支护形式。基坑的西侧和铁路施工的线路毗邻，地下的管网十分多且繁杂，地质的条件比较复杂，尤其是和邻近的铁路隧道进行同步施工，这对工程安全性与稳定性造成很大影响。

3 模型建立

3.1 简化计算

因为基坑的周边地质十分复杂，诸多因素都会对基坑造成变形的影响，为了便于和简化计算，就假设因为施工的周期比较短，对地下水的影响不考虑，按照不固结和不排水的条件实施分析，对基坑周边和其他荷载的作用也不考虑；支护的结构和周围的土体间通过面面接触的单元变形对相互作用实现协调；把冠梁与桩顶当作刚性体，对土体考虑是弹塑性的材料，且满足摩尔库伦的准则，桩体的材料是弹性体，他们都是以C3D8R为单位类型[1]。

3.2 设置参数

在双排桩的支护中，计算的基本参数包括：桩排距是2.0 m；桩间距是1.5m；桩径是1m；桩长是31m；冠梁的高度是1m，宽度是4m。基于基本参数共设计有5 种桩长的类型，分别是27m、29m、31m、33m、35m；桩径也设计5 种类型，分别是0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m，且桩体的刚度分别是0.50倍EI、0.75倍EI、1.00 倍EI、1.25 倍EI 和1.50 倍EI（其中EI 是桩体的基本性刚度），而桩间距与桩排距分是桩径的2 倍、3 倍、4 倍、5 倍、6倍。管梁和双排桩重度是2560kN/m3，其泊松比是0.2、弹性的模量是31.5GPa。

3.3 设定模型和边界的条件

通过Abaqus 软件建立模型，其中x 方向是基坑的东西向（东正西负），y方向是南北向（北正南负），z方向是深度的方向（向上为正）。在模型中，范围大小为东西150m、南北130m、深60m，以地表当作自由的边界，且基坑的四周是法向约束的条件，而基坑底部是全约束的条件[2]。

4 模拟结果的分析

4.1 改变桩长的结构变形规律和优化

在其它基本参数保持不变的条件下，对桩长改变，发现桩体最大的位移量比桩顶以及桩底位移量显著增加，表明双排桩的支护变形是中间大和两端小的特点。由于桩顶有冠梁，对桩顶位移产生限制，且桩底嵌固在岩石或者坚硬的土层中，存在较大约束力，则桩身的变形呈现出弓字形态。

在桩长在33m之下时，其桩顶发生的位移超过桩底位移，而在桩长在33m之上时，则桩顶发生的位移要比桩底位移小，同时发生的最大位移也随着桩长的增长而不断减小。此情况主要是桩长的增加导致嵌入深度的加深，增加了基坑以下的被动性土体的面积，则桩体的前后存在的被动以及主动土的压力差值在不断减小，所以桩长增长能够提高支护的结构稳定性，增加桩长并不能实现对桩底变形的有效抑制，甚至会增加桩底变形，此时桩身变形出现双反弯点的特点[3]。

通过桩长增长能够改善桩体的受力以及变形，但达到的效果比较有限，在桩长增长8m 后，则桩体最大的位移仅减小了2cm，却显著增加了施工的成本，所以通过桩长增长来提升结构稳定性并非有效手段。按照模拟的结果，在桩长是33m，其桩顶与桩底位移是较小的，就选择双排桩是33m桩长。

4.2 改变桩径的结构变形规律和优化

在桩长是33m 和其它基本的参数不变条件下，对桩径改变，发现改变桩径对桩顶存在较大影响。在对桩径不断增加时，桩顶的位移呈现先增大而后减小特点，但桩底位移基本是不变的，因为在较小桩径时，其冠梁约束桩顶位移，且桩径越小的话，这种约束就越显著；在增加桩径后，对冠梁约束力减小，但桩径会影响桩顶位移，且桩径越大的话，这种约束就越显著；随着不断增大桩径，前后排的桩体最大位移呈现逐渐减小的特点，则说明桩径增大能够提升结构稳定性，而桩径增大到一定值，则对变形约束就减弱。通过模拟分析，选择1.2m桩径。

4.3 改变桩体刚度的结构变形规律和优化

在桩长是33m且桩径是1.2m和其它基本的参数保持不变条件下，对桩体刚度改变。发现结构变化和桩径的影响是类似的，改变桩体刚度并没有对桩底位移产生显著的影响，而对桩顶位移产生很大影响，在增加桩体刚度时，桩顶的位移呈现幂函数的减小状态。通过桩体的刚度反映出桩体变形抵抗能力，在相同受力条件下，对刚度增加能够降低桩体的位移。很具前后排的桩体最大位移变化得知，其变化的趋势和桩顶位移是呈现幂函数的降低情况，则对刚度增加能够提升支护的稳定性，但增加刚度会减弱变形抑制的效果，在增加刚度到1.0EI 时，再对刚度增加效果就会很小，所以本工程保持1.0EI的桩体刚度[4]。

4.4 改变桩间距的结构变形规律和优化

在桩径是1.2m、桩长是33m、桩体的刚度是1.0EI和其它基本的参数保持不变条件下，对桩间距改变，发现不断增加桩间距，则前后排的桩顶位移也在不断的增加，而桩底值的变化基本不变，进而呈现出双反弯点的形变特点。因为增大桩间距时，桩底部需要承担的土压力更大，使桩底位移发生增加，但上部受冠梁约束，呈现出双反弯点的变形。当不断增加桩间距，桩体的最大位移也在逐渐增加，当间距到4倍桩径后，桩体的位移发生显著增大，同时前排桩位移远超过后排桩，所以施工中对前后排桩采用非对称性布置，且按照桩径大小对桩间距合理选择。因为深基坑对支护的安全系数要求比较高，则选择2倍桩径的桩间距。

4.5 改变桩排距的结构变形规律和优化

在保持上述参数不变的条件下，对桩排距改变，发现增加桩排距，前排的桩体要承受更大土压力，但后排的桩体所承担土压力就会降低，而桩顶受冠梁约束，使前后排位移一致，因为前排桩发生位移逐渐增大，但后排桩桩顶发生位移较大，桩底位移则变化较小。不断增加桩排距，其最大位移逐渐减小，在桩排距是4 倍桩径时，前后排桩间和土体间存在良好协同性，在对排距继续增加时，会使桩间的土对前排桩的压力增加，减弱后排桩支护效果，且变形的协同性也会下降。在施工时建议把桩排距设置为4倍桩径，并通过非对称的配筋方式优化配筋方案，对前后的排桩弯矩差异性进行降低[5]。

5 工程实际运用的效果分析

按照分析的结果，选择33m 桩长、1.2m 桩径、1.0EI 桩体刚度、2D 桩间距和4D 桩排距等参数，来对现场基坑实施支护处理，且对基坑的两侧位移和变形实施全程的监测和分析。通过对结果沉降曲线实施分析，发现基坑的两侧发生沉降的变形呈现出“凹”形的分布状态，基坑的东侧沉降变形比西侧要明显，这主要是由于存在铁路隧道对基坑发生遮挡的作用；东侧的基坑最大的位移是3.3cm，比设计的规范值要小，且最大的位移在东侧的基坑4m 左右位置；和离基坑的远侧位置，地表的沉降量随着距离增加而增加，这主要因为铁路隧道的两侧土存在压力的分布不均情况而导致的。因此，对深基坑采用双排桩的支护结构，具有很好的效果，实现铁路隧道以及基坑的安全性和稳定性提升。

6 结束语

综上所述，在建立模型基础上，通过对桩长、桩体的刚度、桩径、桩间距和桩排距等参数改变，来对和铁路隧道临近深基坑的双排桩支护结构变形的规律实施分析，并根据变形规律进行支护方案的优化，通过后期实践表明，优化后的支护结构具有很好的效果，能够确保铁路隧道以及基坑具有良好稳定性与安全性。