余秀平， 江胜华， 李勇海

(中铁四局集团第二工程有限公司，江苏苏州 215131)

随国内交通不断地迅速发展，出现较多大型交通桥梁跨越铁路既有线工程，桥梁基坑的开挖变形对铁路运营线影响分析研究必然是一个重点方向。基坑工程除了需要满足自身围护结构等强度稳定性等要求，还需要满足周边环境安全等要求，重点保护基坑周边重要构筑物安全稳定，从目前相应的基坑规范[1-2]提供的计算方法并不能良好解决基坑开挖对周边环境影响评价。

随着计算机软件不断成熟与完善，有限元计算方法在基坑变形预估中逐步成为基坑计算主流方法之一，选择合适的土体材料模型和相应参数是基坑变形有限元分析计算中最为核心的问题，它决定了计算预估结果的准确性[3]。目前，在硬化土本构模型基坑开挖卸荷作用下计算基坑隆起和地面沉降中具有适用性。杨兰强等[4]通过开展标准固结试验、三轴固结排水剪切试验和三轴固结排水加卸载试验，获得宁波地区典型软土的HS模型参数数值，采用 Midas GTS有限元软件对基坑变形计算结果与实际监测数据比较验证参数的适用性。白成生[5]采用HS本构模型及Zsoil软件分析了基坑工程地面沉降等变形特征。黄鑫等[6]对比摩尔-库伦和硬化土2种本构模型在基坑降水开挖工程中的适用性，HS模型考虑加卸荷特征，基坑开挖变形计算HS模型更具有适用性。

基坑工程造成地面沉降效应主要原因为坑内土体开挖卸荷后坑底隆起和围护结构向基坑内变形产生，本文以杭州某临近铁路既有线桥梁基坑为例，采用三维有限元软件计算，采用硬化土本构模型，分析基坑开挖对铁路线的变形影响，为基坑在临近铁路既有线的施工设计提供参考。

1 工程概况

本项目位于浙江省宁波市，桥梁整体小角度(30°)斜交上跨萧甬铁路、杭甬客专，形成上跨铁路节点。跨铁路节点桥全长301 m，桥跨布置为跨径布置为(68+138+95) m。采用预应力混凝土刚构桥，刚构桥主跨138 m一孔跨越萧甬铁路和杭甬客专。桥梁施工采用转体方式。

主墩27号墩承台基坑设计平面尺寸为22.4 m×16.8 m，基坑深度为4.2 m，基坑边线距离铁路最近距离为8.11 m。基坑围护结构采用φ100@120 cm钻孔灌注桩，桩长26 m，排桩外侧设置φ60@45 cm双排旋喷桩，桩长9 m。桩顶设置一道内支撑，内支撑采用φ609×16 mm钢支撑，顶圈梁为120 cm×100 cm钢筋混凝土结构(图1、图2)。

图1 基坑平面布置(单位：cm)

图2 基坑剖面布置(单位：cm)

2 计算模型及参数

2.1 HS模型

有限元计算中最为核心的问题在于材料本构模型的选取和相应适合的材料参数的取值，合理的本构模型和合理的材料参数既反映了土体的主要特性又体现基坑主要变形特征。选择合理本构模型的前提下，根据工程经验和土工试验确定合理的材料模型参数，才可能较为准确地模拟计算基坑变形值。经过数十年土力学学科的发展，土体本构模型也伴随着发展了很多种，但是已经在岩土类有限元软件广泛使用的模型还不是很多，在一些地方性的规范中指出，硬化类的弹塑性本构模型可以较好地模拟出围护结构的墙体变形和墙背土体弹塑性变形，在基坑开挖变形有限元计算中具有适用性。

由T.Schanz等基于Duncan-Chang模型基础建立硬化土本构模型，HS本构模型采用双曲线拟合应力应变相关特征，较真实反映土体非线性特征，并且能够反映土体复杂的应力路径，可模拟不同类型的土体行为，区别基坑开挖土体卸载、加载，数值分析可以较为准确地得到坑底隆起和围护结构背后地面沉降。

2.2 土层参数选择

本数值计算所采用的HS模型参数是根据桥位处地勘参数和工程案例经验值经过综合比较确定。为了更为准确地模拟基坑开挖过程，还需要确定土体排水行为，在应力分析的孔隙水压力可分为正常状态的孔隙水压力和非正常状态的孔隙水压力，即不排水条件下，由于外部载荷土体颗粒之间产生的超孔隙水压力。超孔隙水压力接近0的状态称为排水条件，通常用于沙土等的渗透性大的岩土材料。但是，模拟如黏土等渗透性非常小，且瞬间载荷作用下，水并不能及时排出情况，应当执行不排水分析。在初始状态，超孔隙水压力还未消散，被看作是最不稳定的状态，孔隙水压力是由根据压缩性和渗透性系数确定的体积变化来决定。本文主要重点分析研究基坑开挖过程中围护结构变形及基坑对周边环境的影响，主要考虑的是短期内的影响特性，而且场地内土体都为不容易透水的淤泥质黏土，土体设置为不排水行为，土体HS模型参数见表1。

表1 HS模型的土层主要参数

2.3 模型建立

Midas有限元计算模型几何尺寸为120 m×100 m×30 m，基坑尺寸为22.4 m×16.8 m×4.2 m。其中土体采用3D实体单元，材料模型采用HS模型；钻孔桩通过刚度等效为2D板单元，材料模型采用弹性模型；内支撑和冠梁分别采用桁架和梁单元，材料模型同样采用弹性模型。混凝土采用C30弹性模量取值30 GPa，钢材采用Q235弹性模量取值206 GPa。建立整体模型在四周及下部添加地基约束并施加自重荷载。

排桩等效为板单元计算为式(1)：

EAIA=ED(d+a)h3/12

(1)

式中：EA为桩的弹性模量；IA为桩截面惯性矩；ED为等效板单元的弹性模量；d为桩直径；a为桩净间距；h为等效板单元厚度。计算后，板单元厚度为0.79 m。

实际工程中围护结构与土层并不是完全变形协同，实际变形中围护结构和土层具有一定差异，在模型中土层与围护结构网格节点为共节点，在围护结构单元上施加界面单元，用以确认板单元和土体之间摩擦行为及相对位移。

模型节点数为24 464个，单元数为130 719个，基坑整体模型见图3。

图3 有限元整体模型

2.4 施工工况

数值模拟按照桥梁基坑实际开挖工况进行分析，在施工阶段因为近营业线施工所以基坑附近严禁堆载。基坑开挖平面尺寸为22.4 m×16.8 m，开挖深度为4.2 m。基坑开挖步骤见表2。

表2 基坑开挖顺序

3 模拟结果与分析

3.1 围护结构变形分析

围护结构在施工阶段基坑开挖前水平位移数值较小，水平最大变形值为1.4 mm，基坑开挖后水平位移最大值为3.6 mm，最大变形值位于基坑长边方向的中部围护结构顶部处。围护结构施工过程中土体挖除转成钢筋混凝土结构，自重增加的状态下，围护结构向下沉降，沉降最大值为35 mm，基坑开挖基坑卸荷后，基坑内土体卸荷回弹，围护结构随土体发生一定的上浮，基坑开挖后围护结构累积沉降值18 mm。

3.2 基底隆起

基坑底部土体隆起的原因较多，主要原因有：

(1)由基坑开挖后卸荷引起的回弹量。

(2)基坑周围土体自重作用下使得坑底土体向上变形。

(3)基坑底部土体含水量增大而膨胀。

(4)围护结构根部产生塑流变形或不可逆侧移。

(5)坑底不透水土层自重不足抵抗水头压力而造成上浮。最为主要的隆起原因还是认为卸荷原因造成的土体回弹。基坑开挖后最大的隆起值为72 mm，位置处于基坑底中心处。

3.3 地面沉降

基坑开挖发生地面沉降的影响范围广泛并且如因为地面沉降而造成灾害的则会产生较为恶劣的后果。产生地面沉降的因素主要有：

(1)土体自身固结引起沉降。

(2)基坑围护结构渗水土体孔隙水渗流引起沉降。

(3)围护结构向基坑内位移引起沉降。

(4)基坑坑底隆起引起坑外地面沉降。

(5)内支撑拆除引起地面土体向基坑内变形沉降。最为主要的引起地面沉降的原因还是认为由于围护结构侧向变形和坑底隆起引起。基坑开挖后铁路路基位置处地面最大沉降值为8.5 mm。

4 基坑监测

4.1 监测布局

(1)围护结构深层水平位移监测点布置在基坑的周围四个边缘(每边至少设1个监测孔)且位于每边中部，根据基坑开挖情况，及时监测围护结构深层水平位移。

(2)围护结构顶水平、竖直位移，在围护结构顶部设置监测点，利用全站仪、水准仪进行水平、竖直位移监测。

(3)目前的坑底隆起监测应是随着开挖施工进程的随时测量，每一层开挖地面埋回弹标成本高，成本高，不切实际，而埋回弹标主要用于计算回弹模量，最终用于建筑物的沉降验算。

(4)在铁路路基处布置地表沉降监测点，利用水准仪进行位移监测。

4.2 监测结果

围护结构水平位移最大监测值为5.1 mm位于基坑长边桩顶处，竖直位移最大监测值为28 mm；坑底隆起难以监测，所以未作实际监测；铁路路基沉降最大监测值为2.5 mm，监测值与计算值偏差较大，主要原因在于铁路路基压缩模量远大于地层土体计算时压缩模量，沉降计算值偏大。

5 结束语

(1)有限元计算结果表明，采用HS模型和合适的参数可以有效进行基坑变形预估计算，能够有效的指导施工。

(2)基坑计算最大变形位于基坑长边的中部，空间效应呈现明显，在施工过程中应该加强长边方向的支撑设置。

(3)在模型建模中未能加入铁路路基的相关模型，下一步应该增加路基相应材料参数，得出更为精确的路基沉降竖直。

(4)所有材料模型参数基于经验值，下一步还需进行参数的校正和相关参数敏感性的分析。