基坑群开挖涉邻近路堤沉降特性研究

雍晓军，陈勇浩，杨书一，朱利明，邵毅安

（1.江苏雷威建设工程有限公司，江苏 南京 210000；2.南京工大桥隧与轨道交通研究院有限公司，江苏 南京 210031；3.南京工业大学交通运输工程学院，江苏 南京 211816）

1 引言

伴随城市规模日益扩大，市内公路交通网与老旧城郊铁道线路交叉贯穿日益普遍。由于铁道交通常担负大运量、长运距的交通动脉角色，在空间构筑物密集的公铁交叉段，采取不中断铁路运营的顶管施工，变得越来越普遍。多箱涵顶进施工所需的工作基坑，以及衔接路堤两侧道路的敞开式槽体结构施工均需进行基坑开挖。在敏感构筑物周围的多基坑开挖所形成的基坑群，其引起的邻近铁路路堤、桥梁桩基承台位移是重要的施工控制指标[1～3]。

陈湘桂等[4～10]研究大型厂房内连续基坑群不同位置深层位移；李明广[12]开展基坑群中相邻围护结构受力变形特性研究，并提出坑间有限宽度土体作用下的围护结构设计分析方法；赵彤[13]研究大型基坑群的开发进度、工期、造价及施工；聂子云等[2]研究了地铁深多重基坑对周围环境的影响。影响基坑邻近构筑物变形的因素有很多，例如基坑开挖深度、围护结构刚度、基坑施工顺序、构筑物基础形式等。一般认为，围护结构的混凝土等级对土体变形控制效果比较微弱[4～10]。实际施工中，由于各类因素影响，混凝土浇筑质量难以保证，客观上导致了结构混凝土等级降低。基坑群开挖，围护结构在空间上分割土体，现有研究对土体空间结构研究较少。因此，探究基坑群基坑施工中，不同混凝土等级的围护结构对邻近路堤沉降特性及空间土体的有益作用，对邻近路堤的基坑群设计和施工控制优化具有重要意义。

2 工程背景及概况

2.1 基坑工程概况

杭州市萧山区钱江世纪城民祥路工程实施范围西起环路平交路口，东至铁东路平交路口，在沪昆铁路约K203+713、K203+750、K203+775、K203+812依次分别新建7m、7.5m+8m、7.5m+8m、4m共四组6孔框架，顶进下穿沪昆铁路上、下行线两股道路堤，框架中心线与铁路正交。沪昆铁路路堤、杭深铁路（沪昆高铁）桥及桥下既有U型槽均在施工平面范围内。顶进工作坑1、3、5、7自北向南沿沪昆铁路路堤布置，5号基坑东南角，距离路堤最近处约为5.0m；新建U型槽基坑2、4、6自北向南布置，并与既有U槽相连，其中2号坑位于杭深铁路（沪昆高铁）桥141#与142#桥墩之间，与桥墩最近处约为8.6m。

顶进工作坑1、3、5、7深度（后背处深度）分别为3.132m（3.95m）、5.227m（6.1m）、5.227m（6.1m）、0.977m（1.85m）。1、3、5号坑南北东三面均采用Φ1200～Φ1500钻孔灌注桩+3排Φ 800高压旋喷桩，其中邻近铁路路堤侧选用大直径灌注桩，西面为Φ1200@1400钻孔灌注桩+1排Φ850高压旋喷桩。3、5号坑采用首层800×800混凝土支撑，1号坑不设内支撑。7号坑南北侧为拉森IV形钢板桩+1排Φ800高压旋喷桩，东西侧另增Φ1200钻孔灌注桩。

新建U型槽基坑2、4、6最大深度分别为4.8m、3.239m、3.239m。2号坑采用Φ1000钻孔灌注桩+拉森IV形钢板桩+1排Φ700双轴搅拌桩。4、6号坑与2号支护形式相似，且距沪昆铁路路堤、杭深铁路（沪昆高铁）桥梁桥承台较远。既有U槽西侧端头既有围护桩结构，其冠梁标高高于既有U槽底板。灌注桩顶冠梁尺寸介于 1700×1000～1200×800之间，总体布置规律遵循沿近铁路路堤侧尺寸大，反之小。民祥路工程中前述构筑物位置关系如图1所示。

图1 民祥路工程基坑群与构筑物位置关系

2.2 基坑周边构筑物概况

基坑东侧邻近既有铁路，由西向东依次为沪昆铁路、杭深铁路、沪昆高铁。沪昆铁路为I级铁路，2股道，线间距为4.0 m ～5.0m，1、3、5、7处顶进施工直接穿过铁路路堤；杭深铁路、沪昆高铁为高速铁路，2股道，线间距为4.0 m～6.5m，敷设于铁路桥上，铁路桥梁为32m简支梁，桥墩采用n形双柱墩，承台桩基采用16×Φ1000钻孔灌注桩。与新建U型槽最近高铁承台顶标高6.721m，承台底标高4.721m。与4、6号基坑相接的既有U型槽，由于紧邻开挖面，采用Φ1000钻孔灌注桩+1排Φ800高压旋喷桩加固，以期减少施工扰动。

3 计算模型建立和计算参数选取

使用MIDAS GTS NX大型岩土有限元分析软件建立模型，土层计算参数依据现场实测值调参后，取值如表1所示。采用修正Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，该模型是在M-C本构模型基础上改善的硬化土本构模型，适用于基坑、隧道开挖等工程问题。混凝土支撑、钢板桩、桥梁墩台、桩基等，假设在基坑开挖过程中始终处于弹性变形状态，采用弹性本构模拟。

土层计算参数选取 表1

本模型土体、承台、桥墩采用实体单元模拟，桥桩、支撑、冠梁采用梁单元模拟。基坑围护桩根据等效抗弯刚度原理，考虑钻孔灌注桩直径D、桩间净距t，将围护桩转换为等刚度地连墙，等刚度地连墙厚度为h，使用板单元模拟，换算关系见公式（1）。模型底部固定约束，侧面滑动约束，共计259 209个单元。三维空间计算模型如图2所示。

图2 三维空间模型

土-构筑物耦合作用复杂，通过界面单元模拟可能会发生滑动或分离的异质材料界面，模拟相对刚度差异较大的地基和结构之间界面的行为。使用GTS NX中界面单元参数助手，根据两接触单元的材料属性，自动计算各层土体与混凝土对应的界面单元法向刚度模量、切向刚度模量、摩擦角及粘聚力。

计算工况和实际工况对应，全场基坑围护结构施作完后再进行开挖。基坑现场开挖顺序为1-5-3-2-6-4-7，所有基坑均单次开挖至设计标高。模型不考虑基坑开挖的时间效应[10]。数值模型路堤西侧边缘的变形趋势与现场施工顺序吻合，路堤西侧计算沉降值与现场实测值吻合较好，数值模型对土体变化趋势的模拟具有可信度，参数分析得到的结果具有参考价值。

图3 路堤顶面西边线全工况沉降图

4 不同混凝土等级对铁路路堤沉降的影响

民祥路工程基坑群排桩混凝土设计标号C30，以C30为基准分析沉降分布形式，工况选取基坑3开挖结束后进行分析。依次将排桩混凝土参数改为C20、C25、C40，针对铁路路堤坡脚处CX2、CX6、CX9的位移变化曲线，研究围护结构混凝土强度等级变化对铁路路堤坡脚变形的影响，如图4所示。

图4 不同混凝土强度下CX2、CX6、CX9沉降值比较图

由图4计算结果可以看出，某一测点的沉降值大小受邻近开挖基坑固有特性影响最大。CX2是1号基坑东侧端头的测点，CX6、CX9分别是3号与5号较大较深基坑东侧端头测点，由于开挖深度差异，导致CX6与CX9的沉降值与CX1相差显著。

所有测点的沉降值均随围护结构混凝土标号增大而降低。由于CX2位于小基坑端头，由基坑开挖引起的土压力较小，增大混凝土标号以减小土体变形效果不明显。CX6、CX9处对土体沉降的控制效果更显著，是因为随着基坑开挖深度增加，围护结构所受土压力增加，围护结构受弯效应加剧，提高混凝土标号使围护结构更加刚硬，从而减少了自身变形，进而阻碍了周围土体产生位移，减小了沉降。

通过计算不同混凝土等级下的基坑端头土体产生沉降差值比例，结果表明，通过提升围护结构的混凝土等级，以限制较小基坑端头顶部边缘土体的沉降效果不明显。随着基坑开挖深度增加，提高混凝土等级效果更加显著。需要指出深大基坑处的围护结构混凝土等级降低，所引发测点土体沉降增幅更加剧烈。由上述分析可知，不同混凝土等级的围护结构，对路堤坡脚沉降的限制效率不同。本工程下穿铁路路堤，探讨路堤顶面土体变形规律是必要的。对路堤顶面轴线与东西边线进行基坑群开挖后工况分析，混凝土标号选取规则同前。

由图5(a、b、c)可以看出，路堤顶面产生的沉降幅值，由西侧边线向东侧边线递减，最大沉降值依次约为-4.0mm、-2.1mm、-1.5mm。近开挖处的区域沉降会出现明显峰值，且峰值较大的沉降区域会拉平峰值小的沉降区域，使得较小沉降区峰值沉降区域扩大。从空间上看，图5(a)区域1处为基坑1与基坑3的东端头间隔，且此处混凝土等级提升带来效果不明显；区域3处表征基坑5与基坑7间土体，可见此处路堤顶的沉降，出现了明显的极小值，且基坑7所引发的沉降峰值向基坑5偏移。区域2处为基坑3与基坑5间的土体，其沉降值偏小，且混凝土等级的变化所带来的约束效果小于基坑3与基坑5坑内范围，但均大于基坑1与基坑7处。

图5 不同混凝土强度下路堤顶面沉降值比较图

区域1处，该处围护结构形成了一个封闭三角形，三角区域内土体阻碍了路堤侧围护桩的变形，形成的土楔起主要作用，故提升混凝土级别所带来收效不明显。

区域3处，基坑5与基坑7间距较大，局部土体位移的影响得到消散，因此沉降趋势有拐点出现。由于基坑7长宽比（＞5）较大，南北向围护结构对土体的约束强于东西向，从而长边土体变形大于短边。在基坑5开挖共同作用下，该处路堤顶土体最大沉降向基坑7北侧偏移。

从沉降影响区域来看，基坑3与基坑5开挖尺寸与深度接近，故对两侧影响区域宽度接近。

区域2处，由于场地土狭长，无法形成土楔，围护结构的抗弯刚度依旧起主要作用，提升混凝土等级的效果较明显。但是两侧的基坑开挖对土体的扰动很大，使得该处地基顶面西侧土体沉降较大。

图5(b)与图5(a)的路堤沉降值离散点分布趋势类似。在基坑1与基坑3之间的土体沉降同样出现了峰值拉平的现象；在大基坑轴线对应位置，沉降峰值保持最大，且图5(b)两峰值间距相较于图5(a)增大了4.0 m；在对应基坑7位置无峰值出现。

图5(c)中，由较大的基坑4与基坑6开挖，引起的沉降峰值几乎消失，从数值分布上看已接近水平线，而基坑2对应处的沉降峰值更加明显。这是由于基坑4与基坑6远离路堤，且现场保留的U槽及挡土墙对路堤形成了有效的约束，围护结构后的土体几乎是一起沉降的，并未出现向某一点沉降值收敛的情况。142#桥墩与143#桥墩处的沉降值出现极小值，是由于该处的两侧围护结构，将土体限制在狭长空间，且桥台及桩体组成了有效的挡土结构，所以对应的路堤顶面土体沉降快速减小。

图5(b、c)可看出，改变混凝土等级以抑制土体沉降的效果并不明显。综上所述，全场地的围护结构可以通过选择不同等级混凝土进行施工，以充分节省投资。同时由以上分析，可以看出路堤顶面土体沉降值大小、分布规律与开挖面的距离，周围多构筑物的空间关系，大小坑的相对位置及围护结构物理力学性质均有关。

5 结语

通过比较不同混凝土强度条件下的围护结构，分析场地土体所形成空间结构，对邻近路堤沉降的影响，得出以下结论。

①提高围护结构混凝土强度使土体沉降减小的有益效果与开挖基坑的固有特性有关。根据分析，深大基坑处的围护结构混凝土等级提高，所带来对土体沉降的阻碍效果，相比小基坑更加明显。并且，深大基坑处的围护结构浇筑质量达不到标准，所引发周围土体沉降增幅会更加剧烈。

②改变混凝土强度以控制邻近路堤沉降的效果，与基坑周围土体所构成的空间结构有关。由于围护桩与土体共同构成“土楔”，可以有效支撑围护结构的受弯变形。因此，提升“土楔”处的围护结构混凝土强度，减小附近土体沉降效果不明显。

③路堤顶面土体沉降值大小、分布规律与开挖面的距离，周围多构筑物的空间关系，大小坑的相对位置及围护结构物理力学性质均有关。现场U槽及挡土墙对路堤形成了有效的约束，围护结构后的土体几乎是一起沉降的，沉降值未出现向某一点形成峰值的情况；两侧挡土墙将土体限制在狭长空间，桥台及桩体组成了有效的挡土结构，使得路堤对应位置处沉降减小。

④全场地的围护结构可以通过选择不同等级混凝土进行施工，以节省投资。同时，需保证深大基坑处围护结构的混凝土浇筑质量。