向富宝

中铁十八局集团有限公司 天津 300222

1 工程背景

工程地点位于云南红河弥勒市，在建铁路隧道邻近区域将同时进行商业楼施工，商业楼地上共8层，地下共4层。拟建场地地层从上往下依次为填土（最大埋深6.5 m）、黄土（最大埋深11.8 m）、古土壤（最大埋深15.6 m）、砂土（最大埋深40.0 m）和粉质黏土（最大埋深60.2 m）。基坑设计开挖深度为20 m，总面积约为2 490 m2，基坑支护由前排桩、后排桩以及桩间梁组成（即双排桩支护）。基坑西侧毗邻铁路施工线路，北面为某医院办公楼，南面为商业街，东侧是某公司大楼（图1），地下管网众多，地质条件复杂，特别是与邻近铁路隧道同时施工，给工程的安全与稳定带来重要影响[1]。因此，需针对施工方案进行专项研究和讨论。

图1 工程布置示意

2 有限元模型的建立

2.1 计算假定

基坑周边地质条件复杂，影响基坑变形的因素众多。因此，需作出如下假设以简化计算：由于施工周期较短，故不考虑地下水影响，按不固结、不排水条件进行分析；暂不考虑基坑周边其他荷载作用；支护结构与周围土体之间采用面-面接触单元的变形协调相互作用；将冠梁和桩顶均考虑为刚性体，单元类型为C3D8R；土体考虑为弹塑性材料且符合摩尔-库伦准则，单元类型为C3D8R；桩体本身材料为弹性体，单元类型为C3D8R。

2.2 参数设置

铁路隧道深基坑采用双排桩支护，计算基本参数为：桩间距1.5 m，桩排距2.0 m，桩径为1 m，桩长为31 m，冠梁高度和宽度分别为1 m和4 m。在基本参数的基础上，共设计5种桩长，分别为27、29、31、33和35 m，桩径也设置5种，分别为0.6、0.8、1.0、1.2和1.4 m，桩体刚度为0.50、0.75、1.00、1.25、1.50倍EI（EI为桩体基本刚度），桩间距和桩排距分别为2、3、4、5、6倍桩径。双排桩和冠梁的重度为2 550 kN/m3，弹性模量为31.5 GPa，泊松比为0.2。

2.3 模型及边界条件

采用Abaqus数值软件进行模型的建立，x方向表示基坑东西方向，东正西负，y方向表示南北方向，北正南负，z为基坑深度方向，向上为正。模型范围为东西方向150 m，南北方向130 m，深度方向60 m，地表为自由边界，基坑四周均为法向约束条件，基坑底部为全约束条件，建立的有限元模型如图2所示。

图2 深基坑有限元模型

3 模拟结果分析

3.1 桩长的影响

保持其他基本参数不变，改变桩长，得到了前后排桩顶、桩底和桩体的位移与桩长的关系（图3）。桩体的最大位移量明显大于桩顶和桩底的位移量，这说明采用双排桩支护时，其变形呈中间大、两端小的变化特征。这是因为桩顶存在冠梁，限制了桩顶的位移，而桩底深入嵌固于岩石或坚硬土层内，受到的变形约束力也较大，因此，桩身变形呈弓字形。当桩长小于33 m时，桩顶位移量大于桩底位移量，当桩长大于33 m后，桩顶的位移量小于桩底的位移量，且最大位移量随桩长增加在逐渐减小。这是因为桩长增加，相当于嵌入深度增加，基坑以下被动土体区域的面积增大，桩体前后的被动和主动土压力差值也在逐渐减小，因此，增加桩长对支护结构的稳定性有利，但是桩长的增加并不能很好地抑制桩底的变形，相反，会使桩底的变形增大，即嵌固深度的增加对于桩身变形的限制能力会逐渐减弱，这时桩身的变形将呈双反弯点形。由于土压力直接作用于前排桩，因此，前排桩的变形略大于后排桩的变形。综上分析，增加桩长可以在一定程度上改善桩体受力和变形特性，但效果有限，当桩长增加8 m后，桩体的最大位移量仅相应减小2 cm，但增加桩长会使施工成本呈几何倍增加，因此，利用桩长来提高稳定性不是最佳选择。根据模拟结果，当桩长为33 m时，桩顶和桩底的位移相对较小，且基本相等，因此，建议将本工程双排桩桩长优化为33 m。

3.2 桩径的影响

保持桩长33 m及其他基本参数不变，改变桩径，得到桩顶、桩底和桩体的位移与桩径的关系（图4）。从图4中可以看到：桩径的改变对于桩顶的影响较大，随着桩径的不断增大，桩顶位移呈先增大后减小的变化特征，而桩底的位移量基本保持不变。这是因为桩径较小时，冠梁对桩顶的位移约束起主要作用，桩径越小，约束作用越明显；当桩径增加后，冠梁的约束作用减小，此时桩径对桩顶位移的影响作用开始显现，桩径越大，约束作用越明显；随着桩径的不断增加，前后排桩体的最大位移量呈逐渐减小趋势，表明增加桩径可以提高支护体的稳定性，但其桩径在增大至一定值后，对变形的约束力将减弱。综上，建议将本工程的桩径优化为1.2 m。

图3 桩长-位移关系

图4 桩径-位移关系

3.3 桩体刚度的影响

保持桩长33 m、桩径1.2 m及其他基本参数不变，改变桩体刚度，得到桩顶、桩底和桩体的位移与桩体刚度的关系（图5）。

图5 桩体刚度-位移关系

从图5中可以看到：与桩径影响类似，桩体刚度的改变对桩底位移的影响并不明显，但对桩顶位移的影响很大，随着桩体刚度的增加，桩顶位移呈幂函数减小，桩体刚度反映了桩体自身抵抗变形的能力，在受力相等情况下，增加刚度可以有效减小桩体位移，从前后排桩体的最大位移量变化可以看到，其变化趋势与桩顶位移表现一致，即呈幂函数型降低，这说明增加刚度能够起到增加支护稳定性的作用，但刚度的增加对于变形的抑制作用在逐渐减弱，当刚度增加至1.0EI后，再增加刚度时位移的减少量将很小，对工程造价不利。因此，建议本工程的桩体刚度保持1.0EI不变。

3.4 桩间距的影响

保持桩长为33 m、桩径为1.2 m、桩体刚度1.0EI及其他基本参数不变，改变桩间距，得到桩顶、桩底和桩体的位移与桩间距的关系（图6）。

图6 桩间距-位移关系

从图6中可以看到：随着桩间距的不断增大，前后排桩顶的位移值不断增大，但桩底值变化幅度较小，基本保持不变，呈现双反弯点形变形特征。这是因为当桩间距增加时，桩底部会承受比原来更大的土压力，导致桩底位移量逐渐增加，而上部由于受到冠梁的约束作用，因此变形呈双反弯点形变化，这对支护结构的稳定性不利。桩体最大位移随着桩间距的增加呈逐渐增长趋势，特别是当间距增加至4D（D为桩径）后，桩体位移量将显著增加，且前排桩的位移量远大于后排桩，对深基坑支护结构的稳定与安全极为不利，因此在施工过程中可以将前后排桩进行非对称布置，并根据桩径大小选择合理的桩间距。由于本深基坑周围均为比较重要的建筑物，支护安全系数相应提高，因此桩间距可适当优化至2D以减小工程造价成本。

3.5 桩排距的影响

保持桩长33 m、桩径1.2 m、桩体刚度1.0EI和桩间距2D不变，改变桩排距，得到桩顶、桩底和桩体的位移与桩排距的关系（图7）。

图7 桩排距-位移关系

桩排距的增加，意味着前排桩体承受的土压力将增大，而后排桩体承受的土压力会减小，但桩顶受到冠梁的约束作用，会使得前后排的位移协调一致，故而表现为前排桩的位移会逐渐变大，后排桩的桩顶位移变化幅度较大，而桩底位移变化幅度较小；随着桩排距的增加，最大位移呈逐渐减小的变化特征，且当桩排距为4D时，其前后排的桩间土体之间拥有良好的协同性，当继续增大排距后，会逐渐导致桩间土压力向前排桩加强，使得后排桩的支护作用和效果减弱，协同变形的能力降低。因此，建议在施工时将桩排距扩大为4D，且在施工过程中可以采用非对称配筋方式对配筋方案进行优化，以减小前后排桩的弯矩差异。

4 实际运用效果

根据分析结果，决定采用桩长33 m、桩径1.2 m、桩体刚度1.0EI、桩间距2D以及桩排距4D等参数对现场进行支护施工，并对基坑两侧的位移变形进行了全过程监测，结果如图8所示。从图8中可以看到：基坑两侧的沉降变形呈“凹”形分布，基坑东侧的沉降变形明显大于西侧，这是因为铁路隧道的存在对基坑具有遮挡效应；东侧基坑最大位移为3.3 cm（小于设计规范值），且最大位移位于东侧基坑约4 m处；在离基坑远侧，地表沉降量随距离的增大而增大，这是由于铁路隧道两侧土压力分布不均导致的现象。总体而言：深基坑双排桩支护结构效果良好，有利于铁路隧道和基坑的稳定安全。

图8 沉降曲线

5 结语

采用数值分析方法，对邻近铁路隧道深基坑双排桩支护结构的变形规律进行了探讨，从桩长、桩径、桩体刚度、桩间距以及桩排距等多个参数出发，分析了不同参数对支护结构位移变形的影响。同时考虑工程造价成本，最终得到案例工程的最佳支护方案为：桩长优化为33 m、桩径优化为1.2 m，桩体刚度保持原设计方案1.0EI不变，桩间距优化为2D，桩排距优化为4D。实际运用结果表明：深基坑双排桩支护结构效果良好，有利于铁路隧道和基坑的稳定安全。