下穿铁路框架桥的基坑设计及安全分析

苏 昶

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 430063)

0 引言

随着我国城市建设的迅速发展,城市规划道路与既有铁路线的交叉也越来越多,平交道口已经不能满足其高速、安全行车的要求,亟需采用立交的形式解决城市道路与铁路的交叉问题[1-2]。为了尽可能的节约道路建设用地并减弱城市道路行车对铁路运营的干扰,下穿铁路线的框架桥结构成为越来越常见的立交形式[3-4]。然而,该类工程的建设,不可避免地存在既有铁路线下的基坑开挖工作,其开挖施工十分复杂,需要考虑的影响因素众多,包括土体性质、支护结构以及与既有线路的关系等[5-6]。该类框架桥的基坑往往属于大型基坑,开挖过程中,结构变形大,对土体的扰动严重,其支护结构的设计与施工难度远超常规工程,这对基坑结构设计、开挖施工、安全评价等均提出了更高的要求[7-8]。

针对大型基坑开挖的研究,近年来,大多数学者都是通过现场监测或简单的数值模拟来研究基坑位移、地表沉降或支护结构变形。其中,现场监测就是在基坑开挖过程中,通过布设传感器的方式,实时监测基坑及周围地表的变形情况,评估基坑开挖的安全性[9-10];数值计算方法大多用于模拟深基坑开挖过程,计算和预测支护结构和土体的变形,在模拟过程中,可以考虑基坑开挖的各个阶段,评价基坑开挖对基坑支护结构变形及周围建筑物的扰动[11-13]。

本文以杭州市萧山区彩虹大道下穿沪昆铁路立交工程为背景,介绍既有铁路线环境下的框架桥及其基坑的设计、施工方案,通过现场监控、数值模拟的方法分析基坑开挖对周围地表沉降的影响,并对具有典型铁路线旁开挖的基坑进行安全评价,为其他类似下穿工程的基坑开挖提供参考。

1 工程背景

彩虹快速路是杭州市“四纵五横”快速路网系统中重要的一横,规划该道路以斜交52°下穿既有沪昆铁路线,相交处穿越多股铁路站线,如图1所示。工程影响范围内存在多组接触网立柱、通信信号设备,因此,在工程实施前,必须对道岔、接触网立柱、通信信号设备进行临时迁改,并对施工过程中铁路线的沉降进行严格监测。

如图2所示,该立交工程采用3×8.6 m+2×13.2 m框架设计方案,框架结构高12.0 m,采用C40钢筋混凝土结构,框架底面位于铁路站线轨面下13.7 m的淤泥质黏土层。框架基础采用间距0.6 m、长度15 m、直径0.6 m的高压旋喷桩基础,桩基采用梅花形布置。该工程范围内土层物理力学参数如表1所示,土层可分为四层,框架结构主要处于粉质黏土、淤泥质黏土等土层范围内,其桩基础主要处于淤泥质黏土、黏土等土层范围内。

表1 基坑内土层力学参数表

2 大型基坑设计

如图3所示,为该大型基坑的平面布置图以及基坑施工现场,根据施工的先后顺序,该框架桥立交工程共有2个基坑:第一个基坑,即Ⅰ区基坑,长28 m、宽87 m,占地约1 500 m2;第二个基坑,即Ⅱ区基坑长35 m、宽85 m,占地约2 200 m2。其中,Ⅰ区基坑边缘距既有铁路线最近距离6.5 m,Ⅱ区基坑边缘距临时铁路线最近距离4.1 m,基坑开挖过程中将对铁路线的路基产生影响。

如图4所示为该大型基坑的横断面布置图,基坑开挖平均深度13.5 m, Ⅰ 区基坑的明挖土方量约20 250 m3,Ⅱ区基坑明挖土方约29 700 m3。基坑在不同高程的平面上共布置三道混凝土框架支撑,其高程统计如表2所示。基坑外围采用一排钻孔灌注桩作为支护结构,并在钻孔灌注桩内外各布置一排高压旋喷桩,作为基坑开挖的止水帷幕。

表2 基坑混凝土支撑距轨面深度 m

本建设工程采用临时迁移铁路站线、明挖大型基坑、现浇框架的方式进行施工,主要步序如表3所示。先施工既有铁路正线南侧的Ⅰ区基坑,待Ⅰ区框架结构施工完成,且框架结构内回填密实至1.05 m标高处,既有铁路正线改移至南侧临时铁路便线运营后,方可施工北侧的Ⅱ区基坑。

表3 现浇式框架桥施工步序

3 基坑监控数据分析

为了研究并评估基坑开挖过程中基坑结构的变形以及基坑周边地表沉降的情况,以Ⅰ区基坑开挖施工为例,如图5所示,在基坑结构及周边地表均布置了全站仪测点,对其变形情况进行每日的观测记录。其中,选取基坑内6根立柱桩布置了沉降监测点(C1—C6),在基坑顶部的围护结构内布置了2个位移监测点(P1,P2),在基坑周边地表均匀布置了6个沉降监测点(M1—M6)。

基坑支护结构由立柱桩、围护桩和内混凝土支撑组成,如图6所示,为六根立柱桩顶的沉降监测数据,6个监测点的变化趋势基本一致,均先增加后逐渐趋于稳定,9个月后,各柱的沉降值均达到稳定状态。其中,C1,C2,C3这三个测点数据在前100天呈负沉降(即抬升)趋势,这主要是由于基坑开挖后土体卸载、基坑底部应力释放引起的基坑土体抬升。但随着支撑结构和施工荷载的增加,立柱桩上荷载增大,逐渐产生正沉降(即下沉)。在接下来的几个月里,立柱桩的抬升和下沉交替进行。立柱桩的上下反复位移会导致土体松动,基坑土体应力被反复平衡,在此过程中将产生不均匀沉降。过大的不均匀沉降会导致立柱失稳,影响支护结构体系的安全稳定。通常,在基坑开挖过程中,立柱桩的不均匀沉降将迅速增加,在Ⅰ区基坑整个开挖过程中,立柱桩的最大沉降量约为15 mm,沉降量较小,不影响支护体系的稳定[14]。

如图7所示,为围护桩顶测点(P1,P2)的水平位移及竖直位移监测数据。从图7中可以看出,基坑开挖过程中,围护桩在外力作用下,产生了一定的水平及竖直位移。与立柱桩沉降数据曲线相似,围护桩的变形也主要发生在基坑开挖过程中,待基坑开挖完成后,其变形量逐渐趋于稳定。然而,与立柱桩的沉降值相比,围护桩结构的变形量是较小的,其最大水平位移约4.2 mm,最大竖直位移约3.0 mm,两方向上的围护结构变形量均可以忽略不计,不会影响基坑开挖过程中和开挖后的安全稳定[15]。

如图8所示,为基坑周边地表测点(M1—M6)的沉降监测数据。从图8中可以看出,受基坑开挖的影响,基坑周边地表均产生了不同程度的沉降现象,与基坑立柱桩、围护结构的变形曲线相似,地表沉降曲线也呈现先增长后趋于稳定的趋势,在基坑开挖过程中,其周边地表的沉降量逐渐增加,待基坑开挖完成后,其沉降量逐渐趋于稳定。在Ⅰ区基坑开挖过程中,临近基坑侧的既有铁路线地表沉降值最大约13.0 mm,远离基坑侧的既有铁路线地表沉降值最大约19.0 mm,由此,Ⅰ区基坑开挖过程中,对既有铁路线的地表将产生15 mm左右的轨道竖直不平顺影响,在基坑施工过程中,依据相关规定,降低既有铁路线的行车速度,并加强对铁路线尤其是道岔的养护与维修。

4 数值模拟分析

考虑到现场监测点布设的局限性,为了更好的了解并分析基坑开挖过程中基坑结构及基坑周边地表的变形规律,本文利用数值模拟的方法,对Ⅰ区基坑的施工过程进行了模拟分析,并与现场监测数据进行了对比。

如图9所示,本文采用有限元分析软件Plaxis 3D 2016对基坑开挖过程进行了数值模拟,模型中土体、铁路路基采用小应变土体硬化本构模型,基坑围护结构及主体结构采用线弹性本构模型。其中,钻孔灌注桩围护结构采用实体单元进行模拟,内衬结构采用板单元模拟。钻孔灌注桩按抗弯刚度等效的原则进行换算弹性模量,支撑、格构柱采用梁单元模拟,立柱桩采用Embedded桩单元模拟。

如图10所示,为基坑施工过程中引起沿基坑中心线的地表沉降状况。从图10中可以看出,对比同一地表位置处,基坑开挖过程中的各施工过程对其沉降呈现累计效应,即随着基坑开挖的进行,地表沉降逐渐增加,待基坑开挖完成后,地表沉降量趋于稳定,这与现场监测的数据曲线是相同的。对比同一施工阶段下,随着基坑开挖,靠近基坑的地表范围内,由于基坑围护结构对周边土体的约束作用,导致其沉降量较小;随着不断远离基坑,围护结构的约束作用越来越弱,地表沉降量也逐渐增加;直至远离基坑一定距离后,土体受基坑开挖的扰动减弱,地表沉降量又逐渐降低;由此,地表沉降曲线呈现出较典型的两端小中间大的“腰鼓”特征。

根据数值模拟的结果可知,Ⅰ区基坑的施工过程中,将对既有铁路线范围内地表产生最大15.0 mm～18.0 mm的沉降量,这与现场监测的数据是几乎相同的。由此,根据基坑开挖过程中引起地表沉降的规律可知,在大型基坑周边2 m～25 m范围内,基坑施工将对地表产生超过10 mm的沉降,这将对该范围内既有铁路线的运营产生不可忽略的影响,在基坑施工过程中,应注意限制既有铁路线的运营速度,并加强对其线路设备的养护和维修。

如图11所示,为基坑施工过程中引起基坑围护结构沿基坑深度的水平变形状况。从图11中可以看出,对比同一基坑深度处,基坑开挖过程中的各施工过程对其水平变形同样呈现累计效应,即随着基坑开挖的进行,基坑围护结构的水平变形逐渐增加,待基坑开挖完成后,其水平变形量趋于稳定,这与现场监测的数据曲线是相同的。对比同一施工阶段下,该工程土层具有典型的二元沉降规律,上部地层为软土层,下部地层相对较好,围护结构的水平变形曲线呈现典型的“弓形”特征;且基坑围护结构的最大水平位移位置随开挖深度的变化而变化,在基坑开挖初始阶段,由于内部支撑未成形,围护结构变形与悬臂梁变形相似,水平位移最大值出现在墙顶;但随着开挖深度的不断增加和混凝土内支撑的形成,围护结构顶的水平位移受到限制,围护结构最大水平位移位置逐渐向下移动。

根据数值模拟的结果可知,在基坑开挖完成后,围护结构顶的水平位移约5.0 mm,这与现场监测数据是几乎相同的。在基坑开挖至第二道支撑及开挖至基底过程中,由于基坑开挖深度的不断增加,内部混凝土支撑结构逐渐增加,导致围护结构中的应力重新分布,围护桩中部的弯矩不断增大,其水平变形也呈现显著增长。在基坑施工过程中,围护结构最大水平变形约22 mm,其变形量处于安全范围内,基坑围护结构的安全稳定性很好。

5 结语

本下穿立交框架工程采用临时改迁铁路线、明挖深基坑、现浇框架的方式进行施工建造,整个施工过程未中断铁路交通,对铁路的运营影响减少到了最小程度。本文依托该工程建设背景,分别介绍了其深基坑设计方案、现浇框架桥施工步骤,并利用现场监控及有限元模拟的方式对基坑施工过程中围护结构的变形及周边地表的沉降进行了分析,得到以下主要结论:

1)针对穿越铁路线的立交框架工程建设,相较于顶进施工方法,明挖基坑现浇框架的施工方法对既有铁路线的运营影响更小,施工安全性更易保障。

2)随着基坑开挖的进行,基坑围护结构的水平位移量逐渐增大,且最大水平位移的位置随其应力重分布而逐渐靠近围护结构的中间高度位置,围护结构最大水平位移22 mm,远未达到破坏形态,围护结构的安全稳定性很好。

3)随着基坑开挖以及混凝土内支撑的架设,基坑土体反复出现卸载、加载的重复平衡现象,基坑内立柱桩存在反复抬升、下沉的现象,而其不均匀沉降将影响基坑结构的稳定性,在本基坑施工过程中,其最大沉降量15 mm,未达到立柱失稳状态,基坑支护结构的稳定性很好。

4)随着基坑施工,基坑开挖将扰动周边土体,造成周边地表的沉降,本基坑施工过程中,其周边地表最大沉降量达18 mm,这将显著影响周边既有铁路轨道的竖向平稳度,在基坑施工过程中,应适当限制既有铁路的运营速度,并加强对其轨道尤其是道岔的维护与检修。