拉林铁路深水桥沙石筑岛临水基坑模型试验研究

何 旭，冯圣康 ，王家鑫 ，周亚凯

（1.中铁十九局集团第六工程有限公司，江苏无锡214028；2.淮阴工学院，江苏淮安223003；3.江苏省交通运输与安全保障重点实验室，江苏淮安223003）

拉林铁路（Lhasa-Linzhi Railway），简称拉林线，是中国一条连接西藏自治区拉萨市拉萨站至西藏自治区林芝市巴宜区林芝站的国铁Ⅰ级单线电气化快速铁路，是川藏铁路的重要组成部分。拉林铁路起于西藏自治区拉萨站（货车起于拉萨南站），沿拉萨河而下，经贡嘎转向东，经山南、朗县、米林，跨越雅鲁藏布江到林芝站，全长433km。本文研究依托工程为“新建铁路川藏线拉萨至林芝段LLZQ12标段多卡3号特大桥6～13号深水墩基础承台筑岛及深基坑钻孔桩围堰施工”。该工程中，采用沙石围堰筑岛，排桩+旋喷桩截水帷幕咬合支护结构，开挖深度10～14m。

对于筑岛工程本身而言，作为一种工艺简单的土石方工程，其技术较为成熟，质量容易得到保证。但在本项目依托工程中须解决的问题是由于顺河流向大面积筑岛后开挖，形成临水基坑。由于筑岛材料的选择限制，临水基坑须保证稳定性，因此上述问题能否合理解决，是筑岛工程设计、施工成败的关键。为定性验证筑岛施工中存在的临水基坑施工问题，本文采用室内临水基坑缩尺模型试验的方式进行试验验证。

1 室内模型试验设计

本试验拉林铁路多卡3 号特大桥筑岛开挖基坑为原型，土体来自多卡特大桥施工现场，是一种真实土料，并没有改变土质的物质组成，在室内将土体用机械夯实使土体重度增大至与现场地层砂质土重度相同，然后将土体静置一定的时间再开挖来模拟现场施工，土的基本物理性质指标如下：最佳含水量为22%，最大干密度为1.58g/cm3，重度为18.82kN/cm3，内摩擦角22°，天然密度为19.2g/cm3。根据相似性原理，试验采用室内缩尺模型结构。由于试验条件的限制，本试验并没有严格按相似率进行，是一种定性的模拟试验。试验旨在通过室内模型试验，模拟基坑开挖过程，测量土体应力在各个阶段的发展、变化过程，获得在各个阶段土体应力的大小、分布及其他规律，并监测在各个阶段基坑壁侧向位移的变化。

试验采用不锈钢合金外壳支撑内镶有机玻璃板，槽内净空尺寸为1800mm×1500mm，长度方向开放方便进出，如图1所示。试验采用临水堆载与临水不堆载两种情况。开挖时完成支撑。采用微型观测装置测量应力变化及模拟咬合桩顶部变形情况。应力监测位置如图2所示，共计24个，沿土层竖直方向上、中、下均有布置，同时配以通道编号。位移观测装置如图1 排列，测量咬合桩顶土体及外侧位移。

2 试验结果分析

2.1 临水基坑堆载状态与应力关系

伴随着基坑开挖施工的进行，作用在支护结构上的主动土压力不断增长。随着深度的增加，监测点土压力呈现随深度增加，变化量减小趋势。在临水状态基坑同等深度处，可见应力随监测水平位置变化情况（图3）。

图1 模型试验和堆载装置结构示意图

图2 土压力盒埋置图

图3 邻水状态未堆载侧壁主动应力与埋深变化规律

监测数据结果表示，随着开挖扰动的产生，土体应力随变形开始增长。靠近基坑内壁位置处应力变化较大，随着距离增长应力影响减弱。随着基坑进一步开挖，应力随之增长。因此，在基坑开挖施工作用下，应力集中于侧壁范围，当开挖进入临水水位线以下后，应力曲线出现拐点，体现了临水状态对基坑支护作用的影响幅度（图4）。

2.2 基坑侧向位移与开挖过程的关系

图4 临水支撑侧土体应力—开挖深度关系图

基坑开挖施工，必然带来侧壁土体位移，即便是进行了咬合桩支护，位移依然仅仅是变形量数量级的区别，其趋势与方向通常保持不变。本试验对基坑自坑顶到临水边缘布设8 个位移监测点，结果表明，除7、8号距离较远无明显读数外，1～6 号监测点随基坑开挖成变形趋缓的趋势。由于水体存在，在一定变形后支护结构可能发生整体移动，因此存在此种规律现象，同时结果也体现了基坑变形随监测点远离坑边而总体减小的趋势（图5）。

3 结语

通过以上模型箱定性缩尺试验，对于诸如拉—林多卡特大桥的沙石筑岛上的临水基坑工程具有如下理论规律：

（1）基坑的开挖施工会显著影响应力变化，其随深度增加而增长。

（2）因为临水状态的关系，土压力增长容易出现极值点，在支护配筋时应尤为关注。

图5 不同工况下侧向位移—开挖深度关系图

（3）此类基坑开挖位移变化明显，稳定的渗流场会增强变形增长趋势。

此试验定性说明了临水基坑开挖存在的一些风险与施工注意问题，同时验证了砂石料筑岛+咬合桩支护结构施工技术方案的可行性，为地区的同类工程提供了一定参考。