地块基坑临近铁路桥梁开挖安全影响分析

黄 伟

(中铁二院华东勘察设计有限责任公司,浙江 杭州 310004)

1 工程概况

温州市瑶溪北单元11-A-24地块工程位于瓯海大道以南,规划水埠路以北,场地中分布有区间道路站东路、浃底路。北面与温州市域铁路S1线南洋大道特大桥接壤,基坑边线与桥梁26号墩最短距离为12 m。场地东西两侧有内河,有公路直通现场,交通便利。

本地块所处地层主要以淤泥为主,这类土强度低、含水量高、压缩性高,渗透系数非常小,并且具有明显的流变性,多数还具有高灵敏度的结构性。基坑开挖引起的变形主要是围护结构的变形、基坑底部土体的变形以及基坑外土体的变形,将对基坑周边的环境产生一定的影响[1]。如果不采取相应措施,基坑北侧市域铁路桥梁结构可能会发生总体沉降量过大,两墩台沉降差过大,进而影响市域铁路运营安全等问题。因此,需要对地块基坑临近铁路桥梁进行安全影响分析,确保铁路桥梁结构安全、运营安全。

2 工程地质条件

本工程场地沿线为软土路段,均有软土分布,工程地质性质差—极差,具有高压缩性、低承载力、抗剪强度低、含水量高、孔隙比大、灵敏度高等特点。基坑底部为淤泥层,路基填筑时易产生过量的沉降及不均匀沉降,属软土路基,须进行软基处理。北侧铁路桥梁为摩擦桩,桩底位于⑤1黏土层。

3 设计概况

瑶溪北单元11-A-24地块项目位于温州市龙湾区,北面与温州市域铁路S1线南洋大道特大桥接壤,其基坑与S1线桥梁承台最短净距仅为12 m,相互位置关系见图1、图2。S1线为双线电气化铁路,设计时速120 km,平均旅行时速50～60 km。桥梁孔跨布置采用25、30、35、40 m双线简支箱梁,桥台采用矩形空心台,桥墩采用矩形墩,采用1、1.25、1.5 m桩径钻孔桩基础。

桥梁临近11-A-24地块的里程为DK27+776～DK27+951,主要桥墩编号为23～29号桥墩。桥梁正线桥面宽度11 m,其中,23～25号墩承台长9.5 m,宽5.9 m,桩径/长分别为φ1 m 6根/59 m、φ1 m 6根/61 m、φ1 m 6根/58.5 m；26～28号墩承台长10.2 m,宽6.9 m,桩长分别为φ1.25 m 6根/58 m、φ1.25 m 6根/58.5 m、φ1.25 m 6根/58 m；墩台桩均采用摩擦桩。

图2 地块基坑与桥梁相互位置关系图

温州市瑶溪北单元11-A-24地块工程位于瓯海大道以南,地坪高程4.90 m。

本工程围护结构体系[2]： 基坑南侧及东南角采

用双排PC工法组合钢管桩进行围护,东侧邻近主楼区域及西侧邻近主楼区域采用门架式双排钻孔灌注桩进行围护,东侧非主楼区域采用SMW工法桩加一道钢筋混凝土斜支撑进行围护,西侧非主楼区域采用钻孔灌注桩加一道钢筋混凝土斜支撑进行围护；基坑西北角、东北角、西南角(西侧)采用钻孔灌注桩加一道钢筋混凝土水平支撑进行围护,售楼处南侧及西南角(南侧)采用PC工法组合钢管桩加一道钢筋混凝土水平支撑进行围护；基坑北侧采用门架式双排钻孔灌注桩加一道钢筋混凝土支撑进行围护(支撑在顶板上)；基坑主动区采用水泥搅拌桩(北侧采用三轴水泥搅拌桩)进行止土；坑内增加被动区加固以控制土体位移。

4 控制标准

任何基坑的开挖都必然会引起基坑周边地层发生不均匀的沉降变形,周边建筑结构就会发生很大反应；倘若不均匀沉降过大,必然造成建筑物的倾斜、变形、开裂甚至倒塌；若不均匀沉降不大,但是总的沉降量过大,则会造成建筑物在使用功能上产生很大的负面影响,特别是对于市政工程的影响最大,例如造成市政管网的破坏。

结合铁路沉降观测技术规程以及铁路线路维修管理标准中对桥梁变形限值的要求,并参考浙江省《城市轨道交通结构安全保护技术规程(DB33/T 1139—2017)》《铁路沉降变形观测及评估技术规程(Q/CR 9230—2016)》《铁路线路修理规则》(铁运[2006]146)等规范对桥梁结构变形要求,综合分析并考虑监控量测技术措施,采用桥墩顶位移值和墩身倾斜率作为基坑施工对铁路桥梁的安全控制指标,具体见表1。

表1 安全控制指标及限值

5 影响分析

5.1 基坑变形、稳定性验算

根据浙江省标准《建筑基坑支护技术规程(DB33/1096—2014)》和国家标准《建筑基坑支护技术规程(JGJ 120—2012)》及工程经验确定基坑安全等级为一级。基坑验算结果见表2、图3、图4。

表2 基坑稳定性验算结果汇总

根据验算结果,第一道支撑拆除前,必须采取换撑措施或回筑顶板覆土回填,方可保证结构变形安全,基坑变形及各项稳定性安全系数均满足一级基坑的设计要求。

图3 临近23～24号桥墩围护桩弯矩、变形包络图

图4 临近25～29号桥墩围护桩弯矩、变形包络图

5.2 三维数值分析

基坑开挖时,通过地层应力释放与土层变形对周边土层产生影响,因此基坑开挖的关键是分析其对周边建筑物等环境的影响。对基坑开挖方案与支护措施进行设计,并制订合理的开挖工序,确保基坑开挖和基础施工可以顺利、安全、可靠地实施。另外，基坑开挖过程中,充分考虑基坑开挖对建筑物的影响,应加强对周边建筑物的沉降变形观测,防止因基坑开挖导致周边建筑物发生过大变形或不均匀沉降,从而导致建筑物开裂甚至倒塌。对于温州市域S1线温州特大桥而言,如果沉降过大,或相邻两桥墩沉降差过大,将影响温州铁路的行车舒适度、耐久性,更严重者可能发生安全事故。因此,控制基坑开挖对周边建筑物的影响是避免周边建筑物或构筑物变形过大引起的安全隐患。

本文采用有限元软件MIDAS GTS进行三维计算分析[3],根据工程经验和理论分析,取模型大小为240 m×80 m×65 m。采用内力收敛条件,收敛精度为0.001。对岩土体、桥墩、承台采用实体单元模拟,桥桩、冠梁、支撑采用梁单元,基坑围护桩结构根据刚度等效原理采用板单元。岩土体本构模型采用修正摩尔-库伦(Modified Mohr-Coulomb)模型进行模拟,其余采用弹性模型。网格剖分时考虑了不同岩土的特性、围护桩等介质的不同处理。整个三维有限元计算模型共83 350个单元,50 034个结构节点。模型采用标准约束型式,模型左右、前后边界固定水平位移,底部边界固定竖向位移,约束其竖向及水平向位移,上部边界为地表自由面；自重荷载取重力加速度,计算结果见图5、图6。

图5 基坑开挖引起地层水平位移云图

图6 基坑开挖引起地层竖直位移云图

由于11-A-24基坑与温州市域铁路S1线桥梁结构最小净距离仅12 m,基坑距离桥梁结构较近,基坑开挖后对S1线桥梁结构的变形和内力均产生了一定的影响。11-A-24基坑开挖对温州市域铁路的影响[4]主要体现在其结构沉降量,其中桥梁墩台顶的均匀沉降最大值和水平位移最大值分别为5.96 mm和6.12 mm,满足15 mm控制值的要求；桥墩顶的最大高低倾斜率为0.389‰,满足0.6‰控制值的要求；桥墩顶间差异沉降最大值为0.77 mm,满足允许最大沉降差4 mm控制值的要求。

6 结 语

1)考虑11-A-24地块工程基坑的开挖深度、周边环境及地质条件,结合类似的工程经验,靠近市域铁路 S1 线北侧采用双排钻孔灌注桩加一道钢筋

混凝土支撑进行围护(支撑在顶板上)；基坑西北角、东北角、西南角(西侧)采用钻孔灌注桩加一道钢筋混凝土水平支撑进行围护；基坑主动区采用水泥搅拌桩(北侧采用三轴水泥搅拌桩)进行加固；坑内增加被动区加固以控制土体位移,排桩外侧采用φ600@450水泥搅拌桩加固,并对基坑内侧采用5排φ600@500的水泥搅拌桩加固。该种支护形式具有侧向支撑刚度大和基坑开挖变形小的特点,可有效控制基坑开挖过程中对周边设施的影响[4],在项目所在地区已有大量成功实施的经验。并对临近S1线和基坑被动区采用水泥搅拌桩加固,以有效减小基坑土体位移,确保结构安全。

2)根据计算分析结果，基坑开挖后对S1线桥梁结构变形和内力均产生一定的影响。桥梁墩台顶的均匀沉降最大值和水平位移值、桥墩顶的最大高低倾斜率、桥墩顶间差异沉降均满足相应控制值的要求，建议加强施工现场的管控和监测。