相邻基坑开挖对高铁桥梁桩基的影响研究

王振祥

（江苏省地质矿产局第一地质大队，南京 210041）

0 引言

当前我国社会经济持续繁荣，物价房价飞涨，城市用地变得寸土寸金。密集的建筑群引起密集的基坑群施工，相邻基坑甚至多个建筑基坑同时施工的情况也日渐增多，而相邻基坑开挖，对围护结构受力变形、坑底加固模式、周围环境等的影响也变得更加复杂。在基坑的设计施工阶段必须考虑相邻基坑开挖产生的相互影响[1]。陈东杰[2]对上海铁路南站特长平行相邻基坑进行了有限元计算并进行工程监测，表明相邻基坑施工变形影响显著。颜桂云等[3]研究了双基坑开挖的空间效应，分析了相邻基坑同步开挖和不同基坑间距对坑内土体沉降、支护结构内力位移分布的影响，探讨基坑开挖角部刚度效应。王磊等[4]分析了相邻深基坑开挖对地下管线的埋深、间距、材质等6个方面的位移场变化。沈建等[5]研究相邻基坑不同施工顺序对各自围护结构变形和支撑体系受力的影响。

文中依托江苏省某相邻基坑工程，采用midas/gts建立二维模型，研究邻近基坑开挖卸荷对基坑围护墙、桥梁桩基的影响，并讨论不同开挖顺序，围护墙深度对控制桩基附加变形的作用。

1 工程概况

某地铁车站垂直正穿高速铁路，位于高铁正线34～35#桥墩正中间，为地下2层岛式车站。车站长度213.15m，宽度21.7m，大基坑开挖深度约为15.74m，采用明挖顺筑法施工，车站主体围护基坑采用放坡+坑中坑形式，坑中坑形式采用地下连续墙+三道内支撑体系，主体为单柱双跨结构型式。车站大基坑地连墙厚度800mm，深度20.1m。三道内支撑距放坡后的地面距离分别是0.7、4.14、7.24m，其中第一道撑采用钢筋混凝土撑，截面700mm×900mm；第二、三道撑采用钢支撑，外径609mm，厚度16mm。因基坑开挖宽度大，在大基坑底部设置一排直径900mm抗拔桩，桩长47m。

左右两侧相邻承台小基坑开挖宽度9.75m，深度4.45m，小基坑外侧围护采用拉森钢板桩，桩长12m。设置一道钢支撑，直径530mm，厚度10mm，距放坡地面0.5m。左右两侧承台小基坑底部采用直径1.25m、桩长76m的钻孔灌注桩作为基础桩，横桥向各3排，桩间距2.4m。地铁车站与高速铁路的位置关系如图1所示。

图1 模型概况

2 模型建立

2.1 土体本构模型的选取

当前数值分析在基坑研究与设计中的正确运用，关键点在于土体本构模型及参数的合理选择应用。徐中华[6]较系统地介绍了岩土数值分析中常用的土体本构模型特点并指出：弹性模型一般不适合基坑工程分析；理想弹塑性模型如摩尔-库伦模型（MC），邓肯-张模型（DP），未考虑应力历史和路径的影响，且加载和卸荷模量相同，难以同时获得合理的围护结构及土体变形；硬化类弹塑性模型如修正剑桥（MCC）、硬化土模型（HS）、修正摩尔-库伦（MMC），可以反映软黏土硬化特性，同时区分加荷和卸荷，可适用于基坑工程分析。基于以上分析，文中采用midas/gts软件，土体本构模型选择软件自带的修正摩尔-库伦（MMC）模型。该模型的土体刚度和破坏参数主要包括：三轴固结排水剪切试验的参考割线模量Eref50、固结试验的参考切线模量Erefoed、三轴固结排水卸载再加载试验的参考卸载再加载模量Erefur。黏性土一般Erefoed=Es、Eref50=2Erefoed、Erefur=3Eref50；幂指数m=0.5，膨胀角ψ可取为（φ-30°）；失效率Rf一般取为0.9，参考压力pref一般取100kPa。

表1 土层参数表

2.2 计算模型

考虑基坑开挖尺寸效应的影响，计算模型区域取为177m×100m。模型底部采用全自由度约束，侧面法向约束。针对二维模型，围护墙、承台桩基、抗拔桩均采用梁单元模拟，弹性本构；土体采用MMC本构；围护墙、桩基与土之间采用goodman接触面单元模拟。有限元计算模型如图2所示。

图2 有限元模型

2.3 计算步骤

根据设计文件，具体计算工况如下：①初始地应力平衡（已放坡开挖）；②围护墙、承台桩基施工；③地铁大基坑第一次开挖0.7m，加一道撑；④大基坑第二次开挖3.5m，加二道撑；⑤大基坑第三次开挖3.1m，加三道撑；⑥大基坑开挖到底，并及时施加0.2m厚素混凝土垫层；⑦两侧小基坑同时一次开挖0.5m，加一道撑；⑧两侧小基坑坑同时二次开挖3.95m到底，并及时施加0.2m厚素混凝土垫层。

3 计算结果分析

根据现有设计文件，进行数值模拟计算。计算结果表明，基坑开挖到坑底时，围护墙及承台桩基处于最不利状态，因此分析主要针对大基坑开挖完成（工况⑥）、小基坑开挖完成（工况⑧）进行分析。图3、图4是地铁大基坑、承台小基坑分别开挖完成后土体水平位移云图。由图可知，基坑开挖，由于内支撑作用，土体的水平位移均在各自坑底附近达到最大。承台桩基的隔离效应，对土体的位移场起到明显限制作用。同时，大小基坑的开挖也使得承台桩基受到土体位移作用，产生附加水平位移。

图3 大基坑开挖完成土体水平位移（单位：mm）

图4 小基坑开挖完成土体水平位移（单位：mm）

3.1 对地连墙的影响

图5表示大、小基坑分别开挖完成后，大基坑围护墙的水平位移。由于第一、二道支撑刚度作用发挥完全，大于坑外主动土压力，因此在深度4m以上，围护墙水平位移朝向坑外。4m深度以下，坑外主动土压力发挥主要作用，围护墙向坑内侧移动，并在坑底（15.74m）附近达到最大。因为大小基坑共用围护墙，在小基坑开挖完成后，围护墙侧向移动增加近1mm，表明两侧小基坑开挖影响围护墙侧向移动。围护墙在整个开挖过程中，最大水平位移6mm，小于10mm的预警值，因此围护墙的变形是安全的。

图5 大基坑围护墙水平位移

3.2 对承台桩基的影响

图6表示大基坑开挖完成后承台桩基水平位移。桩基整体位移向基坑内侧移动，侧向移动规律一致。3个桩的桩顶水平位移一致，均为1.95mm。内侧桩因距离基坑开挖面最近，外侧桩最远，因此从内至外，水平位移逐渐减小，最大水平位移4.8mm。

图6 大基坑开挖完成承台桩基水平位移

图7表示小基坑开挖完成后承台桩基水平位移。与大基坑开挖完成相比，小基坑开挖完成后桩基表现出更复杂的侧向移动。小基坑开挖完成后，最靠近大基坑开挖面的内侧桩受到围护墙的限制约束，侧向移动规律与图5类似，因小基坑的开挖导致附加侧向位移，最大水平位移5.5mm；最外侧桩开挖时除了受到大基坑开挖引起侧向移动的影响，还受到小基坑外侧钢板桩开挖时产生较大水平位移的影响，引起外侧桩产生较大附加侧向移动；最外侧桩受到钢板桩支护影响较大，最大水平位移在桩顶处；中间桩也受到外侧钢板桩变形影响，同时内侧围护墙也有部分限制作用，因此水平位移介于两者之间。

图7 小基坑开挖完成承台桩基水平位移

3.3 不同开挖顺序的影响

现有的基坑开挖顺序是首先地铁大基坑开挖，然后两侧承台小基坑同时开挖（大➝小）。为研究相邻基坑不同开挖顺序的变形影响，文中还研究以下两种情况：①先同时挖小基坑，再挖大基坑（小➝大）；②3个基坑同时开挖（sametime）。

基于上述分析，因中间桩的水平位移介于内外侧桩之间，讨论不同开挖顺序下内外侧桩的水平移动。

图8、图9分别表示不同开挖顺序下，内侧桩和外侧桩的水平位移。对于内侧桩，3种工况的变形规律一致，但小➝大开挖模式和sametime模式内侧桩的侧向移动略小于原有工况，最大水平位移减小量在0.5mm以内，因此对于内侧桩，3种开挖模式效果接近。对于外侧桩，原有工况因受外侧钢板桩变形影响较大，水平位移最大；小➝大开挖模式和sametime模式下，因小基坑开挖深度浅，仅4.45m，同时大基坑也是在小基坑开挖后或开挖的同时进行，围护墙的侧向移动是逐渐增加的，不同于大基坑先开挖完成导致围护墙侧向移动较大，引起桩基侧向移动增大。因此基于以上分析，原有工况侧向位移最大，全部同时开挖现场施工困难，建议采用先开挖小基坑，后开挖大基坑模式。

图8 内侧桩水平位移

图9 外侧桩水平位移

3.4 拉森钢板桩的深度影响

根据文中研究，承台小基坑外侧的拉森钢板桩围护影响着外侧桩基的水平位移，因此文中研究钢板桩不同插入深度对桩基水平位移的影响。分析工况包括：插入深度8、10、12（现状工况）、14、16、18、20m。

如图10，在小基坑开挖深度4.45m时，针对钢板桩的不同插入深度，外侧承台桩的水平位移结果基本一致，可知改变钢板桩的插入深度并不能有效限制桩身侧向移动。针对拉森钢板桩，提高钢板桩桩身刚度是有效的控制途径。同时根据陈东杰的研究分析，相邻基坑开挖引起的整体变形影响并不因为围护墙刚度变大或变小而消失，在相邻基坑工程中，采用增大围护墙及支撑刚度来控制变形影响的意义不大。

图10 外侧桩水平位移

4 结语

针对当前城市出现的密集基坑群开挖现象，文中借助江苏某典型相邻基坑工程开挖案例，运用有限元方法分析相邻基坑开挖模式、支护模式对高铁桥梁桩基的影响，结论如下：

（1）对于相邻基坑开挖引起的三排桥梁桩基侧向移动，内侧桩主要受到邻近大基坑开挖影响，外侧桩除了受到大基坑开挖影响，还有小基坑开挖引起外侧钢板桩围护变形影响，中间桩的侧向移动介于两者之间。

（2）考虑不同开挖顺序可以有效减小桩基侧向移动，通过比选，建议采用先开挖小基坑后开挖大基坑的模式。

（3）外侧小基坑钢板桩插入深度、内侧大基坑围护墙和支撑刚度这两个因素对控制桩基侧向移动意义不大，建议通过增大外侧钢板桩刚度和提高开挖速度来减小桩基侧向移动。