近接高铁桥桩的深基坑不同开挖方案对比

杨 波,肖凯成,王长健

(1.常州工程职业技术学院,江苏 常州 213164 ;2.中国铁路上海局南京南站工程建设指挥部,江苏 南京 210012)

深基坑工程对近接桩基的影响是相对复杂的三维过程,主要包括基坑开挖过程对周围土体沉降变形、对围护结构变形的影响、对桩基变形的影响、基坑开挖过程控制和监测等。刘国彬等[1]结合在建地铁车站基坑开挖现场检测数据,对比分析了不同工况下坑底土体暴露时间所对应的围护结构变形规律。李小青等[2]总结了基坑开挖理论中周围土体竖向变形的计算方法,利用指数曲线对基坑周围地表沉降变形数据进行拟合,构建了坑外土体沉降变形的计算方法。徐中华等[3]利用统计学原理,综合分析了上海地区93例采用地连墙作为围护结构的深全过程变形监测资料。冯虎等[4]通过建立深基坑工程数据库,收集整理了上海地区58例19m以上深度的基坑开挖变形数据,得到了上海地区超深基坑围护墙体的一般变形规律和变形控制要点。俞建霖等[5]针对狭长型基坑的特点,提出了基坑坑底抗隆起稳定分析方法,对比了常用的4种坑底抗隆起稳定分析方法,结合2个实际工程进行了相关算例分析,提出了考虑基坑宽度影响的坑底抗隆起稳定计算方法。江杰等[6]在基坑支护结构优化过程中引入冗余度理论,对基坑支护结构进行优化。龚伦等[7]采用大型有限元软件ANSYS建模计算,分析了桩基近接隧道施工过程,得到桥梁桩基与既有隧道影响范围按照影响大小划分为强影响区约、弱影响区、无影响区。于素慧等[8]通过对明挖法施工现场监测数据的分析,研究地下工程施工对土体沉降和邻接既有构筑物沉降等的影响;樊飞、夏鹏等[9-10]结合工程实例,开展了基坑监测与分析预警研究。这些研究对认识深基坑变形与控制有指导作用,但是,扬州南站深基坑工程近接桥桩承台具有基坑深大、富水、近接等其工程特点,需要开展针对性的研究工作。

本文依托新建连云港至镇江铁路扬州南站市政配套工程,着重研究长江漫滩软土地质条件下地铁深基坑施工过程中的基坑支护及变形控制。通过数值模拟分析,对比两种不同施工方案的基坑围护结构变形及坑外土体沉降,为工程施工总体方案的制定以及合理基坑开挖技术措施的确定提供依据,并进行施工监测与验证。

1 工程概况

扬州地铁1号线下穿连镇铁路扬州南站地铁深基坑工程,为富水软土地区近接开挖、深大基坑工程,安全等级为一级。该基坑区间自西向东垂直穿越连镇铁路股道、扬州南站站中心南侧第四跨桥跨间。基坑总长127 m、宽25 m,最大开挖深度约24 m,分三节段施工:中间节段和左右两侧基坑节段,中间节段长度为62 m,两侧节段长各33 m,见图1。其主体结构采用双层三跨的矩形断面暗埋结构形式,基坑工程采用明挖法施工,基坑围护结构采用地下连续墙(厚1 m)加内支撑围护形式。左右两侧基坑的内支撑结构竖向共五道(详见图2(a))。中间基坑的内支撑结构竖向共六道(详见图2(b))。

图1 基坑平面示意图Fig.1 Schematic plan of foundation pit

(b)图2 基坑支撑立面图Fig.2 Elevation of foundation pit support

本基坑工程位于长江下游滩涂地区,西面约300 m处有一长江支流、为拟建厂区地下水补给源之一。场区周边100 m范围内不存在地表水。地下水类型为第四系孔隙水潜水,百年洪水位为7.32 m。土体大部分由粉土、砂性土组成,透水性较强,地质构造较为简单。该工程地连墙与拟建高铁桥桩的净距仅为0.7 m,周围土体强度较低,其地连墙与地铁主体结构外墙采用叠合墙形式,故对围护结构地连墙的垂直度及变形要求极高。土体参数如表1所示。

表1 土体参数表Tab.1 Parameter table of soils

2 施工方案的数值模拟分析

为控制基坑围护结构地连墙的变形,根据工程建设实际,考虑两种施工方案:一是先施工中间基坑,后再施工高铁桥桩承台,然后施工两侧基坑的施工方案(下面简称方案1);二是将基坑整体开挖施工完成后再进行高铁桥桩施工(下面简称方案2)。

本文采用MIDAS GTS有限元分析软件对这两种施工方案进行模拟计算及效果分析。

2.1 计算假定

通过理论分析得知,长江漫滩软土深基坑工程中,影响开挖过程中支护结构和土体变形的因素较多,实际施工过程的各种条件也较为复杂。为便于分析,需要对建模条件的考虑因素预先予以规定,以便确定主要影响因素,在确保可行性的基础上建立较为贴合实际的模型。因此,作出以下假设:

(1)采用弹塑性模型进行模拟土体,采用线性弹性模型模拟地连墙支护结构。

(2)对基坑开挖过程的两个关键过程和结果进行数值模拟分析:一是基坑支护结构变形及基坑周边土体变形过程,二是基坑开挖对临近高铁桥桩施工影响的过程。

2.2 参数及模型选择

模型尺寸100 m×250 m×100 m,其中采用四面体网格形式,网格控制参数为基坑内部3 m、外部为6 m。整个模型划分为55 421个节点,119 909个单元。土体结构选择修正摩尔库伦模型,地连墙及支护结构选择弹性体模型,模型见图3。

图3 数值计算模型图Fig.3 Numerical model

2.3 两种方案的对比分析

开挖方案1和开挖方案2的前期是一致的,均为中间基坑开挖,区别在于后期高铁桥桩和左右基坑的前后顺序:方案1是先施工高铁桥桩承台,后施工左右基坑;方案2是先施工左右基坑,后施工高铁桥桩承台。下面从围护结构变形、土体变形、高铁桥桩承台变形三个方面进行对比分析。

2.3.1 围护结构变形的对比分析

因左基坑相对较深,对比左右基坑开挖期间围护结构变形时选取左基坑冠梁上一点分别对比方案1、2中不同工序下X、Y、Z轴方向的变形(如图4)。可以得知,左基坑冠梁在TY和TZ方向上的变形较大,说明该方向为主要变形控制方向。由图可知,在主要变形控制方向上,方案1的变形均小于方案2。

工况(a) TX方向变形图

工况(b) TY方向变形图

工况(c) TZ方向变形图图4 围护结构变形对比图Fig.4 Deformation comparison diagram of retaining system

2.3.2 土体变形的对比分析

(1)基坑外土体变形

对左右基坑在方案1、2施工期间坑外土体沉降变形,选取沉降值最大的工况进行对比(如图5)。对比得知,方案1地面土体沉降数值要小于方案2、但相差较小。

距离/m(a) 左基坑

距离/m(b) 右基坑图5 左右基坑方案1、2土体最大沉降对比Fig.5 Comparison about maximum settlement of soil mass between left with right foundation schemes I and Ⅱ

对比左右基坑开挖过程坑内土体的最大变形,方案1最大变形分别是左基坑-6.12 mm、右基坑-1.44 mm;方案2最大变形分别是左基坑-3.18 mm、右基坑0.69 mm。方案2的基坑坑底土体隆起较小。

2.3.3 高铁桥桩承台变形的对比

方案1、2在施工期间高铁桥桩承台最大变形如表2。

表2 高铁桥桩承台最大变形对比表Tab.2 Comparison about maximum deformation of High speed railway bridge piles cap

对比最大变形模拟结果表得知,方案1、2下的桥桩承台变形差别不大,方案2沉降变形控制较好。

2.3.4 对比结论

根据两种不同开挖方案模拟结果的综合分析,从基坑围护结构变形及地面沉降、施工期间降水和气象原因、施工过程安全风险控制难度等方面进行考虑,建议采用方案2进行施工。

3 施工监测与分析

为了确保扬州南站地铁深基坑开挖的顺利进行,动态监控和评估施工安全风险和地连墙结构变形、制定详细基坑监控并实施尤其重要,须通过监测及时预测分析支护结构、内支撑体系、地表及建筑物动态变化,及时调整施工进度和调整控制措施,确保施工安全有序可控。

下面选取典型监测结果,与计算结果进行对比分析。

3.1 围护结构变形对比

在对基坑测斜数据进行统计时发现,在中间基坑第三阶段开挖时临近桥桩侧出现了变形最大值1.6 mm。为了对比,选取计算模型上对应时间和位置的地连墙变形数据进行分析,对比结果如图6所示。

如图5所示,在基坑开挖20 m之前,实测数据基本接近计算数据变化,说明计算具备相应的代表性;20 m之后计算值与实测值出现分布偏移,可能由于模型建立时为了降低运算量没有考虑墙体与土体的接触作用。

深度/m图6 中间基坑地连墙计算值与实测值对比Fig.6 Comparison between calculated value and measured value on diaphragm wall of middle foundation

3.2 沉降变形对比

选取沿高铁桥桩X轴、Y轴方向距离2、10、18、26 m左右基坑开挖结束时基坑变形值和理论计算值进行对比。沉降值如表3,变形对比如图7。计算值分布规律基本能够符合实际沉降值,但实测值比计算值略大,说明实际开挖过程沉降变形控制受多方面影响,但变化规律仍然符合基坑开挖对地面影响计算的规律。

表3 计算值和实测值对比表Tab.3 Comparison of calculated value and measured value

距离/m(a) 基坑Y轴方向 距离/m(b) 基坑X轴方向

4 结论

本文依托扬州南站地铁深基坑工程,通过数值建模和有限元分析工程开工过程,对比了两种不同施工方案,综合考虑施工条件和安全质量风险后选择先施工基坑后施工高铁桥桩的顺序。对施工过程中的监控量测,并与计算值进行了对比研究,得出以下结论。

1)根据两种不同开挖方案模拟结果的综合分析,从基坑围护结构变形及地面沉降、施工期间降水和气象原因、施工过程安全风险控制难度等方面进行考虑,建议采用方案2进行施工。

2)地下连续墙位移监测的累计变形位于中间基坑Y侧最左边缘处,变形最大值为1.6 mm,变形相对较小,均未超预警值;周边地表沉降监测累计变形最大点X方向临近基坑位置、为-38.7 mm,Y方向为距离基坑约18 m位置附近、为-28.9 mm,监测点变形相对较大但均未超预警值。

3)通过对比数值计算值和实测值发现,围护结构变形和地面沉降的变形计算值基本符合实测值,说明模型计算是有效的。基坑开挖施工和降水作业对围护结构变形和周围土体沉降的影响均未超过预警值,基坑开挖过程均处于可控范围内,地连墙围护结构的变形较小,为后续高铁桥桩施工提供了条件。

4)基坑水平支撑结构对保证基坑开挖及坑内外土体变形极其重要。根据模型模拟结果,地连墙变形最大值出现在地连墙上部。因此,第一、二道内部支撑结构的强度要保证,要加强支撑轴力监测频次,施工期间要做好支撑结构状态保护。

5)因高铁桥桩设计位置紧邻中间基坑,为确保在高铁桥桩施工期间桥桩、承台、基坑的相对位移保持稳定,建议中间基坑第一道支撑结构于高铁桥桩施工完成后进行拆除。