桩锚复合支护结构对临近铁路侧基坑开挖的影响

陈云钢，张 胜，许 立，叶 舒

(1.安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山243032；2.五冶集团上海有限公司，上海201100)

随着城市土地资源日益紧张，地下空间利用成为一种发展趋势，其对基坑支护工程安全稳定性要求在不断提高。桩锚复合支护结构因成本低、支护效果优良，在基坑工程中被广泛应用，许多学者对该支护方式的支护效应进行了研究。许海勇等建立桩锚支护结构水平位移的计算模型，并与实际工程监测数据对比，验证了理论计算的准确性；Sun等结合工程实例通过数值模拟对确定承载力检查点进行研究，提出了桩锚结构的变形状态控制设计方法；苏白燕等建立桩锚支护体系分析模型，对比分析数值分析结果、现行规范计算结果与实测结果，建议加强深基坑工程深层水平位移监测；韩健勇等以深基坑工程为研究背景，计算桩锚支护结构的内力，结果表明桩锚支护结构可支护砂土地层深基坑，满足基坑的安全性要求；许健等通过对比分析黄土地区深基坑桩锚支护结构变形、位移、锚索轴力及建筑物沉降等监测结果与数值计算结果，发现桩锚支护结构具良好的支护作用；雷华阳等利用有限元研究基坑开挖对既有临近滩涂铁路路基的影响，确定了最优支护方案。综上，学者对桩锚复合支护结构的变形和位移规律已有较多研究，但对基坑开挖过程中临近铁路侧时桩锚复合支护结构变形方面的研究较少。此外，如何布置桩体、锚索才能更好地控制基坑变形也值得探讨。鉴于此,依托实际工程案例，运用有限元软件Abaqus建立桩锚复合支护结构模型，对临近铁路侧L型布置的桩锚复合支护结构变形及基坑临近铁路侧沉降进行分析，将有限元计算结果与实际监测结果进行对比，研究桩锚支护下临近铁路沉降和桩顶位移、沉降的变形规律，以期为类似工程提供借鉴参考。

1 工程概况

马鞍山钢铁股份有限公司炼焦总厂南区新建的筒仓基坑工程位于马鞍山钢铁股份有限公司厂区内，基坑为两个不规则多边形，基坑开挖边线周长分别为106.92，140.90 m，面积分别为437.58，633.69 m。基坑开挖深度最大15.4 m，紧临工业运煤轨道的B2转运站桩锚支护结构，支护结构距离铁轨枕边1.75 m，施工期间该轨道为停运状态。

1.1 地质条件及土层参数

依据勘察报告，场地的地貌单元属山前冲坡积扇，地势较平坦，紧临工业运煤轨道的B2转运站桩锚支护结构的土体参数和厚度如表1。

表1 土层基本参数Tab.1 Basic parameters of the soil

1.2 水文条件

根据现场勘查，场地内地下水类型为上层滞水，主要赋存于人工填积层中，主要补给来源为大气降水及生产、生活用水。

1.3 支护结构的设计与变形监测

1.3.1 支护结构设计方案

根据JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》，该基坑安全等级为一级、重要性系数取1.1，综合考虑场地工程、水文、地质条件、基坑周边既有铁路及基坑开挖深度等因素，选择桩锚复合支护结构。基坑铁路轨道一侧部分设计参数剖面如图1。

图1 基坑临近铁路侧支护剖面Fig.1 Profile of foundation pit adjacent to railway support

1.3.2 监测项目与监测点布置

基坑监测项目主要有围护结构顶部水平、竖向位移、周边建筑物及道路沉降，基坑监测点如图2，图中东侧有L 型桩体布置段，W监测点在阳角部位，W监测点在排桩中部，W监测点在排桩端部。

图2 基坑监测点平面布置Fig.2 Layout of foundation pit monitoring points

1.4 基坑开挖工况

因基坑深度较大，为确保安全，采用分层开挖的方式。开挖步骤分成9 个工况进行，基坑开挖及支护进度见表2。

表2 基坑开挖及支护进度Tab.2 Excavation and support progress of foundation pit

2 有限元模型的建立

2.1 模型简化

考虑到实际情况，模拟过程中作以下假设：地下水位远低于基坑底，不考虑地下水的影响；土体为均匀弹塑性体且各向同性；桩身、锚索、腰梁等支护结构为弹塑性体。

2.2 模型建立

选取紧临工业运煤轨道的B2 转运站桩锚支护结构，模型尺寸为60 m×48 m×30 m，共划分85 895 个单元，106 798个结点，如图3。该模型土体采用摩尔-库仑模型，土体参数见表1，桩体、冠梁、腰梁的参数见表3，锚索参数和预应力见表4。其中第一道锚索由2 束7 根直径为15.2 mm 的钢绞线组成，第二至四道锚索由4束7根直径为15.2 mm的钢绞线组成，抗拉等级均为1 390 MPa。考虑到临近铁路，在距离基坑边缘2.89～8.11 m的铁路区域添加荷载为40 kPa的均布荷载。

图3 计算模型示意Fig. 3 Schematic of calculation model

表3 桩体参数Tab.3 Pile parameters

表4 锚索参数Tab.4 Anchor cable parameters

3 结果分析

3.1 铁路两侧沉降

图4 为监测点C～C的监测沉降位移随时间变化曲线。由图4可知：随着基坑开挖的进行，沉降位移整体呈增长趋势，前期较慢、中期发展较快、后期趋于稳定；监测点C，C，C，C最大沉降为2.23，2.36，2.34，2.51 mm；开挖后期监测点C的沉降变化曲线与C，C，C差异较大，这是因为该处桩体布置呈L 型，随着开挖加深，桩体的挤压效应更明显，一定程度上限制了土体滑动。

图5 为铁路两侧监测点C，C的部分监测数据和模拟数值的变化曲线。由图5 可知：监测点C与C的沉降位移变化模拟值总体较平缓，9个工况中监测点C的沉降位移一直在缓慢增大，但监测点C中间一段较平缓，这是由于监测点C临近支护桩，土层在实际开挖过程中，扰动较为明显；监测点C最大模拟沉降位移为1.46 mm，小于监测值2.34 mm，说明在桩体较近的部位，沉降位移受施工影响较大，模拟值小于实际监测值。

图4 C5～C8监测沉降位移Fig.4 Monitoning settlement displacement of C5-C8

图5 监测点C6，C7的沉降位移Fig.5 Settlement displacement of monitoring points C6 and C7

图6 为监测点C，C铁路两侧沉降差异值与模拟差异值变化曲线。由图6 可知，铁路轨道两侧实测和模拟沉降位移差最大为1.18，1.33 mm，说明桩锚支护对现有铁路沉降的控制具较好作用。

图6 铁路两侧竖向位移差异值Fig.6 Vertical displacement difference between two sides of railway

3.2 桩顶水平位移

图7 为监测点W～W桩顶的水平位移变化曲线。由图7可知：随着基坑开挖的进行，桩顶水平位移发展整体呈增长趋势；监测点W，W，W最大位移分别为8.40，16.64，15.40 mm，W最大位移是W和W最大位移的50%，55%，均小于规定20 mm，表明支护效应良好。

图8 为监测点W，W，W的监测和模拟桩顶水平位移。由图8可知：W，W，W的模拟最大位移分别为8.97，12.7，19.14 mm，W最大模拟位移是W和W最大模拟位移的70.6%，46.8%。由此可知，处于阳角处W的桩顶水平位移最小，表明L型支护排桩可提高支护效应；随着开挖深度增加，桩顶水平位移增加，在施加预应力锚索后的每一工况，桩顶水平位移增幅降低，表明桩锚复合支护具有较好的支护效应。

图7 W7～W9桩顶监测水平位移Fig.7 Monitoring horizontal displacement of W7-W9 pile top

图8 W7～W9桩顶水平位移Fig.8 Horizontal displacement of W7-W9 pile top

3.3 桩顶沉降位移

图9为监测点W～W的桩顶沉降位移变化曲线。由图9可知：W，W，W3个监测点桩顶沉降最大分别为1.89，1.49，1.76 mm，3 个监测点的沉降位移变化速率不同；W整体变化较为稳定，保持在0.010 mm/d，W，W的 沉 降 变 化 速 率 最 大，分 别 为0.038，0.050 mm/d，差异较大。表明在临近铁路侧基坑支护阳角部位变化差异较大，危险性较高，施工时应加强沉降监测。

图10为监测点W，W，W的监测和模拟沉降位移。由图10 可知，随着基坑开挖深度增加，桩顶沉降位移增加趋势呈三阶段。第一阶段为工况1～4，整体沉降位移增幅较小；第二阶段为工况5～8，桩体沉降位移增幅较大；第三阶段为工况9，桩顶沉降位移增幅变小。

图9 W7～W9桩顶监测沉降位移Fig.9 Monitoring settlement displacement of W7-W9 pile top

图10 W7～W9桩顶沉降位移Fig.10 Settlement displacement of W7-W9 pile top

3.4 桩体水平位移和锚索应力

位于支护桩中间部位的某根桩体在工况1～9的过程中水平位移模拟结果如图11。由图11可知：随着基坑开挖过程的进行，桩体上部位移变化明显；工况1～9桩体位移均在增大，但过工况2后，9种工况水平位移变化平缓，表明桩锚支护效应明显；工况4施加第二排锚索后，桩体位移增速变缓，但从工况4到工况5继续开挖，桩体位移增加的绝对数仍较大，故可适当增加第三排锚索锁定值，提高支护效应。

图12为工况2～9每排锚索中部某根锚索的最大模拟应力变化。由图12可知：第1～4排锚索最大应力分别为130.33，203.86，240.33，180.00 kN；第二排锚索和第三排锚索应力较大，在施工过程中可适当增加锚索锁定值，提高支护稳定性。

图11 桩体水平位移Fig.11 Horizontal displacement of pile

图12 锚索应力Fig.12 Stress of anchor cable

4 结 论

1)随着基坑开挖的进行，铁路两侧沉降逐渐增大，中期发展较快、后期趋于稳定。铁路两侧沉降最大值为2.51 mm，监测值和模拟值竖向差值最大为1.18 mm和1.33 mm，总体上桩锚复合支护结构对控制临近铁路侧沉降具较好的支护效应。

2)基坑监测和模拟结果显示阳角部位桩顶水平位移最小，表明阳角L型桩体布置能有效限制桩体水平位移；桩顶沉降在中期发展较快，施工过程中应加强监测。适当增加中部锚索的锁定值可提高支护效应，降低失稳风险。

3)铁路两侧沉降差异、桩顶水平位移、桩顶沉降位移的数值模拟和现场监测结果吻合较好，数值模拟可用于指导施工工况。