下穿鐵路框架橋的基坑設計及安全分析

蘇 昶

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北 武漢 430063)

0 引言

隨著我國城市建設的迅速發展,城市規劃道路與既有鐵路線的交叉也越來越多,平交道口已經不能滿足其高速、安全行車的要求,亟需采用立交的形式解決城市道路與鐵路的交叉問題[1-2]。為了盡可能的節約道路建設用地并減弱城市道路行車對鐵路運營的干擾,下穿鐵路線的框架橋結構成為越來越常見的立交形式[3-4]。然而,該類工程的建設,不可避免地存在既有鐵路線下的基坑開挖工作,其開挖施工十分復雜,需要考慮的影響因素眾多,包括土體性質、支護結構以及與既有線路的關系等[5-6]。該類框架橋的基坑往往屬于大型基坑,開挖過程中,結構變形大,對土體的擾動嚴重,其支護結構的設計與施工難度遠超常規工程,這對基坑結構設計、開挖施工、安全評價等均提出了更高的要求[7-8]。

針對大型基坑開挖的研究,近年來,大多數學者都是通過現場監測或簡單的數值模擬來研究基坑位移、地表沉降或支護結構變形。其中,現場監測就是在基坑開挖過程中,通過布設傳感器的方式,實時監測基坑及周圍地表的變形情況,評估基坑開挖的安全性[9-10];數值計算方法大多用于模擬深基坑開挖過程,計算和預測支護結構和土體的變形,在模擬過程中,可以考慮基坑開挖的各個階段,評價基坑開挖對基坑支護結構變形及周圍建筑物的擾動[11-13]。

本文以杭州市蕭山區彩虹大道下穿滬昆鐵路立交工程為背景,介紹既有鐵路線環境下的框架橋及其基坑的設計、施工方案,通過現場監控、數值模擬的方法分析基坑開挖對周圍地表沉降的影響,并對具有典型鐵路線旁開挖的基坑進行安全評價,為其他類似下穿工程的基坑開挖提供參考。

1 工程背景

彩虹快速路是杭州市“四縱五橫”快速路網系統中重要的一橫,規劃該道路以斜交52°下穿既有滬昆鐵路線,相交處穿越多股鐵路站線,如圖1所示。工程影響范圍內存在多組接觸網立柱、通信信號設備,因此,在工程實施前,必須對道岔、接觸網立柱、通信信號設備進行臨時遷改,并對施工過程中鐵路線的沉降進行嚴格監測。

如圖2所示,該立交工程采用3×8.6 m+2×13.2 m框架設計方案,框架結構高12.0 m,采用C40鋼筋混凝土結構,框架底面位于鐵路站線軌面下13.7 m的淤泥質黏土層?？蚣芑A采用間距0.6 m、長度15 m、直徑0.6 m的高壓旋噴樁基礎,樁基采用梅花形布置。該工程范圍內土層物理力學參數如表1所示,土層可分為四層,框架結構主要處于粉質黏土、淤泥質黏土等土層范圍內,其樁基礎主要處于淤泥質黏土、黏土等土層范圍內。

表1 基坑內土層力學參數表

2 大型基坑設計

如圖3所示,為該大型基坑的平面布置圖以及基坑施工現場,根據施工的先后順序,該框架橋立交工程共有2個基坑:第一個基坑,即Ⅰ區基坑,長28 m、寬87 m,占地約1 500 m2;第二個基坑,即Ⅱ區基坑長35 m、寬85 m,占地約2 200 m2。其中,Ⅰ區基坑邊緣距既有鐵路線最近距離6.5 m,Ⅱ區基坑邊緣距臨時鐵路線最近距離4.1 m,基坑開挖過程中將對鐵路線的路基產生影響。

如圖4所示為該大型基坑的橫斷面布置圖,基坑開挖平均深度13.5 m, Ⅰ 區基坑的明挖土方量約20 250 m3,Ⅱ區基坑明挖土方約29 700 m3?；釉诓煌叱痰钠矫嫔瞎膊贾萌阑炷量蚣苤?其高程統計如表2所示?；油鈬捎靡慌陪@孔灌注樁作為支護結構,并在鉆孔灌注樁內外各布置一排高壓旋噴樁,作為基坑開挖的止水帷幕。

表2 基坑混凝土支撐距軌面深度 m

本建設工程采用臨時遷移鐵路站線、明挖大型基坑、現澆框架的方式進行施工,主要步序如表3所示。先施工既有鐵路正線南側的Ⅰ區基坑,待Ⅰ區框架結構施工完成,且框架結構內回填密實至1.05 m標高處,既有鐵路正線改移至南側臨時鐵路便線運營后,方可施工北側的Ⅱ區基坑。

表3 現澆式框架橋施工步序

3 基坑監控數據分析

為了研究并評估基坑開挖過程中基坑結構的變形以及基坑周邊地表沉降的情況,以Ⅰ區基坑開挖施工為例,如圖5所示,在基坑結構及周邊地表均布置了全站儀測點,對其變形情況進行每日的觀測記錄。其中,選取基坑內6根立柱樁布置了沉降監測點(C1—C6),在基坑頂部的圍護結構內布置了2個位移監測點(P1,P2),在基坑周邊地表均勻布置了6個沉降監測點(M1—M6)。

基坑支護結構由立柱樁、圍護樁和內混凝土支撐組成,如圖6所示,為六根立柱樁頂的沉降監測數據,6個監測點的變化趨勢基本一致,均先增加后逐漸趨于穩定,9個月后,各柱的沉降值均達到穩定狀態。其中,C1,C2,C3這三個測點數據在前100天呈負沉降(即抬升)趨勢,這主要是由于基坑開挖后土體卸載、基坑底部應力釋放引起的基坑土體抬升。但隨著支撐結構和施工荷載的增加,立柱樁上荷載增大,逐漸產生正沉降(即下沉)。在接下來的幾個月里,立柱樁的抬升和下沉交替進行。立柱樁的上下反復位移會導致土體松動,基坑土體應力被反復平衡,在此過程中將產生不均勻沉降。過大的不均勻沉降會導致立柱失穩,影響支護結構體系的安全穩定。通常,在基坑開挖過程中,立柱樁的不均勻沉降將迅速增加,在Ⅰ區基坑整個開挖過程中,立柱樁的最大沉降量約為15 mm,沉降量較小,不影響支護體系的穩定[14]。

如圖7所示,為圍護樁頂測點(P1,P2)的水平位移及豎直位移監測數據。從圖7中可以看出,基坑開挖過程中,圍護樁在外力作用下,產生了一定的水平及豎直位移。與立柱樁沉降數據曲線相似,圍護樁的變形也主要發生在基坑開挖過程中,待基坑開挖完成后,其變形量逐漸趨于穩定。然而,與立柱樁的沉降值相比,圍護樁結構的變形量是較小的,其最大水平位移約4.2 mm,最大豎直位移約3.0 mm,兩方向上的圍護結構變形量均可以忽略不計,不會影響基坑開挖過程中和開挖后的安全穩定[15]。

如圖8所示,為基坑周邊地表測點(M1—M6)的沉降監測數據。從圖8中可以看出,受基坑開挖的影響,基坑周邊地表均產生了不同程度的沉降現象,與基坑立柱樁、圍護結構的變形曲線相似,地表沉降曲線也呈現先增長后趨于穩定的趨勢,在基坑開挖過程中,其周邊地表的沉降量逐漸增加,待基坑開挖完成后,其沉降量逐漸趨于穩定。在Ⅰ區基坑開挖過程中,臨近基坑側的既有鐵路線地表沉降值最大約13.0 mm,遠離基坑側的既有鐵路線地表沉降值最大約19.0 mm,由此,Ⅰ區基坑開挖過程中,對既有鐵路線的地表將產生15 mm左右的軌道豎直不平順影響,在基坑施工過程中,依據相關規定,降低既有鐵路線的行車速度,并加強對鐵路線尤其是道岔的養護與維修。

4 數值模擬分析

考慮到現場監測點布設的局限性,為了更好的了解并分析基坑開挖過程中基坑結構及基坑周邊地表的變形規律,本文利用數值模擬的方法,對Ⅰ區基坑的施工過程進行了模擬分析,并與現場監測數據進行了對比。

如圖9所示,本文采用有限元分析軟件Plaxis 3D 2016對基坑開挖過程進行了數值模擬,模型中土體、鐵路路基采用小應變土體硬化本構模型,基坑圍護結構及主體結構采用線彈性本構模型。其中,鉆孔灌注樁圍護結構采用實體單元進行模擬,內襯結構采用板單元模擬。鉆孔灌注樁按抗彎剛度等效的原則進行換算彈性模量,支撐、格構柱采用梁單元模擬,立柱樁采用Embedded樁單元模擬。

如圖10所示,為基坑施工過程中引起沿基坑中心線的地表沉降狀況。從圖10中可以看出,對比同一地表位置處,基坑開挖過程中的各施工過程對其沉降呈現累計效應,即隨著基坑開挖的進行,地表沉降逐漸增加,待基坑開挖完成后,地表沉降量趨于穩定,這與現場監測的數據曲線是相同的。對比同一施工階段下,隨著基坑開挖,靠近基坑的地表范圍內,由于基坑圍護結構對周邊土體的約束作用,導致其沉降量較小;隨著不斷遠離基坑,圍護結構的約束作用越來越弱,地表沉降量也逐漸增加;直至遠離基坑一定距離后,土體受基坑開挖的擾動減弱,地表沉降量又逐漸降低;由此,地表沉降曲線呈現出較典型的兩端小中間大的“腰鼓”特征。

根據數值模擬的結果可知,Ⅰ區基坑的施工過程中,將對既有鐵路線范圍內地表產生最大15.0 mm～18.0 mm的沉降量,這與現場監測的數據是幾乎相同的。由此,根據基坑開挖過程中引起地表沉降的規律可知,在大型基坑周邊2 m～25 m范圍內,基坑施工將對地表產生超過10 mm的沉降,這將對該范圍內既有鐵路線的運營產生不可忽略的影響,在基坑施工過程中,應注意限制既有鐵路線的運營速度,并加強對其線路設備的養護和維修。

如圖11所示,為基坑施工過程中引起基坑圍護結構沿基坑深度的水平變形狀況。從圖11中可以看出,對比同一基坑深度處,基坑開挖過程中的各施工過程對其水平變形同樣呈現累計效應,即隨著基坑開挖的進行,基坑圍護結構的水平變形逐漸增加,待基坑開挖完成后,其水平變形量趨于穩定,這與現場監測的數據曲線是相同的。對比同一施工階段下,該工程土層具有典型的二元沉降規律,上部地層為軟土層,下部地層相對較好,圍護結構的水平變形曲線呈現典型的“弓形”特征;且基坑圍護結構的最大水平位移位置隨開挖深度的變化而變化,在基坑開挖初始階段,由于內部支撐未成形,圍護結構變形與懸臂梁變形相似,水平位移最大值出現在墻頂;但隨著開挖深度的不斷增加和混凝土內支撐的形成,圍護結構頂的水平位移受到限制,圍護結構最大水平位移位置逐漸向下移動。

根據數值模擬的結果可知,在基坑開挖完成后,圍護結構頂的水平位移約5.0 mm,這與現場監測數據是幾乎相同的。在基坑開挖至第二道支撐及開挖至基底過程中,由于基坑開挖深度的不斷增加,內部混凝土支撐結構逐漸增加,導致圍護結構中的應力重新分布,圍護樁中部的彎矩不斷增大,其水平變形也呈現顯著增長。在基坑施工過程中,圍護結構最大水平變形約22 mm,其變形量處于安全范圍內,基坑圍護結構的安全穩定性很好。

5 結語

本下穿立交框架工程采用臨時改遷鐵路線、明挖深基坑、現澆框架的方式進行施工建造,整個施工過程未中斷鐵路交通,對鐵路的運營影響減少到了最小程度。本文依托該工程建設背景,分別介紹了其深基坑設計方案、現澆框架橋施工步驟,并利用現場監控及有限元模擬的方式對基坑施工過程中圍護結構的變形及周邊地表的沉降進行了分析,得到以下主要結論:

1)針對穿越鐵路線的立交框架工程建設,相較于頂進施工方法,明挖基坑現澆框架的施工方法對既有鐵路線的運營影響更小,施工安全性更易保障。

2)隨著基坑開挖的進行,基坑圍護結構的水平位移量逐漸增大,且最大水平位移的位置隨其應力重分布而逐漸靠近圍護結構的中間高度位置,圍護結構最大水平位移22 mm,遠未達到破壞形態,圍護結構的安全穩定性很好。

3)隨著基坑開挖以及混凝土內支撐的架設,基坑土體反復出現卸載、加載的重復平衡現象,基坑內立柱樁存在反復抬升、下沉的現象,而其不均勻沉降將影響基坑結構的穩定性,在本基坑施工過程中,其最大沉降量15 mm,未達到立柱失穩狀態,基坑支護結構的穩定性很好。

4)隨著基坑施工,基坑開挖將擾動周邊土體,造成周邊地表的沉降,本基坑施工過程中,其周邊地表最大沉降量達18 mm,這將顯著影響周邊既有鐵路軌道的豎向平穩度,在基坑施工過程中,應適當限制既有鐵路的運營速度,并加強對其軌道尤其是道岔的維護與檢修。