龔宏華，周旭明，詹剛毅，石鈺鋒，4，胡俊浩，蔣亞龍

（1.江西地方鐵路開發(fā)有限公司，江西 南昌 330001；2.華東交通大學(xué)江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；3.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070；4.華東交通大學(xué)建筑設(shè)計(jì)院有限公司，江西 南昌 330013）

近年來，我國基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模不斷增大，鐵路交通網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，經(jīng)常存在新建橋梁上跨既有鐵路的情況[1-4]。為滿足橋梁跨徑的要求，經(jīng)常出現(xiàn)橋墩緊鄰鐵路布置的情況，橋梁墩臺基坑施工可能會(huì)對鐵路運(yùn)營安全造成影響。同時(shí)，由于墩臺基坑緊鄰鐵路[5]，列車荷載作用也會(huì)對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定造成一定的不良影響。

目前，許多學(xué)者對緊鄰鐵路的基坑開挖案例進(jìn)行了研究，總體可概括為以下幾個(gè)方面：①數(shù)值模擬，主要通過模擬基坑開挖過程，分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形受力及鄰近鐵路變形規(guī)律，提出基坑施工安全性指標(biāo)與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測[6-8]；②實(shí)測分析，主要通過對緊鄰鐵路基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形內(nèi)力及鐵路結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試后，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)[9-10]；③理論研究，通過拉格朗日法計(jì)算分析在基坑開挖與鄰近鐵路荷載的相互影響下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律[11]。

緊鄰鐵路基坑施工變形嚴(yán)格控制標(biāo)準(zhǔn)高[12]，因此對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通常按最不利情況進(jìn)行，容易造成某些安全系數(shù)偏大，結(jié)構(gòu)承載能力不能充分發(fā)揮，工程造價(jià)偏高。長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)不僅能滿足基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的要求[13-16]，同時(shí)還能降低工程造價(jià)。長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)雖在工程上得到了較好的應(yīng)用，但在緊鄰鐵路偏壓基坑中使用的案例較少，使用長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)是否可行存在爭議。為此本文以某緊鄰鐵路的橋梁墩臺基坑施工為背景，對鐵路兩側(cè)基坑分別采用等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)和長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)，通過比較分析偏壓荷載下兩種方案圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形受力差異，探討緊鄰鐵路偏壓基坑中使用長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)的可能。

1 工況概況

某擬建大橋上跨既有鐵路，采用平面轉(zhuǎn)體法施工，擬開挖大橋墩臺基坑分別位于鐵路左右兩側(cè)，開挖形狀近似為邊長為22.2 m 的正方形。兩側(cè)基坑開挖范圍內(nèi)土層依次為素填土、粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、中風(fēng)化粉砂巖，屬于上軟下硬的土巖復(fù)合地層，地下水位埋深1.6～2.0 m。

左側(cè)基坑離鐵路路基最近距離為1.8 m，右側(cè)鐵路離鐵路路基最近距離為2.1 m，根據(jù)《營業(yè)線施工安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（TB 10314-2021）可知，鐵路路基處于基坑施工影響范圍之內(nèi)，且列車作用于鐵路路基面上的荷載[17]較大，基坑開挖過程中不僅要注意偏壓荷載對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形受力的影響，同時(shí)也要關(guān)注基坑開挖對鐵路路基的影響。為此基坑采用樁徑為1.5 m，樁間距為1.8 m，樁長15 m 的鉆孔灌注樁進(jìn)行支護(hù)。左側(cè)基坑離鐵路最近距離約為1.8 m，開挖深度為4.7 m，采用等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)。右側(cè)基坑離鐵路最近距離約為2.1 m，開挖深度為4.3 m，采用長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)，短樁長8 m，長樁與短樁按1∶1 比例相鄰排布。兩側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂均設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，冠梁寬1.7 m，高1 m，基坑周圍布置樁徑為0.6 m，樁間距為0.4 m，樁長為5.5 m 的水泥攪拌樁作為止水帷幕。基坑平面示意圖如圖1 所示。

圖1 基坑平面示意圖Fig.1 Plane diagram of foundation pit

2 測試方案

現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容主要包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測與圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁身內(nèi)力測量。

水平位移監(jiān)測采用預(yù)埋測斜管配合測斜儀測量進(jìn)行，測量時(shí)先將測斜儀導(dǎo)輪卡在測斜管的導(dǎo)槽內(nèi)，慢慢下放測斜儀直至管底，以測斜管底部為起點(diǎn)，輕拉電纜，每隔0.5 m 進(jìn)行讀數(shù)，直至導(dǎo)輪拉至測斜管頂部。然后將測斜儀導(dǎo)輪旋轉(zhuǎn)180°，重復(fù)上述步驟，完成一個(gè)測點(diǎn)的樁身水平位移測量。

樁身內(nèi)力監(jiān)測先通過預(yù)埋混凝土應(yīng)變計(jì)并采用609 式振弦頻率測讀儀測得頻率值，再通過式（1）～式（3）計(jì)算得到鋼筋應(yīng)力，然后根據(jù)混凝土應(yīng)變與鋼筋應(yīng)變協(xié)調(diào)的假定原則[18]換算成混凝土應(yīng)力，最后通過式（4）計(jì)算樁身任一截面處彎矩。

式中：P 為鋼筋內(nèi)力，kN；k 為標(biāo)定系數(shù)，kN/Hz2；f0為初始頻率值，Hz；fi為實(shí)時(shí)測量頻率值，Hz；S 為鋼筋截面面積；σc為混凝土應(yīng)力；σs為鋼筋應(yīng)力。

式中：M 為樁身彎矩，kN·m；Ec為混凝土的彈性模量；Es為鋼筋計(jì)的彈性模量；I0為全截面對中性軸的慣性矩，m4；ds為同一截面位置兩個(gè)鋼筋計(jì)之間的距離，m；σw，σn分別為圍護(hù)樁外側(cè)和內(nèi)側(cè)鋼筋應(yīng)力，MPa。

測斜管與混凝土應(yīng)變計(jì)均固定在鋼筋籠上，為防止元件破壞，灌注樁澆筑時(shí)，將混凝土平穩(wěn)地倒入鉆孔中。破樁時(shí)，采用小型破樁機(jī)對樁體進(jìn)行破除。破樁結(jié)束后，及時(shí)將測斜管接長，同時(shí)整理混凝土應(yīng)變計(jì)導(dǎo)線，用膠布密封導(dǎo)線端頭，并將導(dǎo)線塞入塑料保護(hù)管中。

如圖2 所示，左側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁身水平位移監(jiān)測點(diǎn)與內(nèi)力監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)于同一根樁中。水平位移監(jiān)測點(diǎn)共2 處，分別記為：LCX1，LCX2。內(nèi)力監(jiān)測點(diǎn)共2 處，分別記為：LZW1，LZW2。測斜管綁扎長度為樁長0～10 m，混凝土應(yīng)變計(jì)在樁長2～8 m 范圍內(nèi)間距2 m 布設(shè)，共4 對，左側(cè)基坑剖面示意圖如圖2 所示。

圖2 左側(cè)基坑剖面示意圖Fig.2 Profile diagram of left foundation pit

如圖2 所示，右側(cè)基坑與左側(cè)基坑呈近似中心對稱，為比較長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)與等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)在偏壓荷載下的變形受力，右側(cè)基坑的監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)與左側(cè)基坑對稱。右側(cè)基坑水平位移監(jiān)測點(diǎn)共3 處，分別記為：RCX1，RCX2，RCX3。樁身內(nèi)力監(jiān)測點(diǎn)共3 處，分別記為：RZW1，RZW2，RZW3。長樁的測斜管與應(yīng)變計(jì)布設(shè)方式同左側(cè)基坑，短樁測斜管綁扎長度為樁長0～8 m，應(yīng)變計(jì)在樁長2～4 m 范圍內(nèi)間距2 m 布設(shè)，4～5 m 范圍內(nèi)間距1 m 布設(shè)，5～7 m 范圍內(nèi)間距2 m 布設(shè)，共4 對，右側(cè)基坑剖面示意圖如3 所示。

左側(cè)基坑與右側(cè)基坑開挖深度均較淺，加之現(xiàn)場施工進(jìn)度較快，兩個(gè)基坑均在兩天內(nèi)開挖至坑底?，F(xiàn)場主要對基坑開挖至一半深度、開挖至坑底及開挖完后一個(gè)月內(nèi)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移與樁身內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測。

圖3 右側(cè)基坑剖面示意圖Fig.3 Profile diagram of right foundation pit

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移與內(nèi)力結(jié)果分析

3.1 水平位移監(jiān)測結(jié)果分析

圖4 與圖5 分別為右側(cè)基坑與左側(cè)基坑所設(shè)監(jiān)測點(diǎn)的水平位移變化情況，其中圖中水平位移正負(fù)規(guī)定為：基坑內(nèi)方向?yàn)檎?，基坑外方向?yàn)樨?fù)。

圖4 左側(cè)基坑樁身水平位移圖Fig.4 Horizontal displacement diagram of pile body of left foundation pit

圖5 右側(cè)基坑樁身水平位移圖Fig.5 Horizontal displacement map of pile body of right foundation pit

由圖4 可知，當(dāng)基坑開挖至一半深度時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移較小，監(jiān)測點(diǎn)LCX1，LCX2 的最大水平位移值分別為0.42 mm 與0.79 mm，分別位于樁頂與深度0.5 m 處。當(dāng)基坑開挖至坑底時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移迅速增大，監(jiān)測點(diǎn)LCX1，LCX2 處的最大水平位移值分別達(dá)到了1.49 mm 與2.21 mm，分別位于深度0.5 m 與樁頂處。監(jiān)測點(diǎn)LCX2 處的最大水平位移略大于監(jiān)測點(diǎn)LCX1，這是由于監(jiān)測點(diǎn)LCX2 靠近鐵路，開挖過程中受到偏壓荷載的影響較強(qiáng)。當(dāng)基坑開挖結(jié)束后，樁身水平位移繼續(xù)增長，監(jiān)測點(diǎn)LCX1 處水平位移值在每次測量后增加了0.07，0.09，0.09 mm，監(jiān) 測 點(diǎn)LCX2 增 加 了0.21，0.12，0.11 mm，監(jiān)測LCX2 處水平位移增量雖大于監(jiān)測點(diǎn)LCX1，但兩者增量均較小。從圖中兩處測點(diǎn)每次測量后樁身水平位移變化規(guī)律看，兩處測點(diǎn)樁身水平位移在不同深度下增長均較小，樁身水平位移變化規(guī)律相似，可見偏壓荷載對緊鄰鐵路側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形雖有影響，但這種影響較小，在可控范圍之內(nèi)。

根據(jù)圖5 可知，當(dāng)基坑開挖至一半深度時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)RCX1，RCX2，RCX3 的最大水平位移分別為0.42，0.82，0.84 mm，均位于深度0.5 m 處。當(dāng)開挖至坑底時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)RCX1，RCX2，RCX3 的最大水平位移分別達(dá)到了1.47，2.41，2.46 mm，均位于樁頂處。當(dāng)基坑開挖結(jié)束后，監(jiān)測點(diǎn)RCX1 處水平位移值在每次測量后增加了0.08，0.07，0.09 mm；監(jiān)測點(diǎn)RCX2增加了0.20，0.11，0.16 mm；監(jiān)測點(diǎn)RCX3 增加了0.16，0.12，0.27 mm。緊鄰偏壓側(cè)監(jiān)測點(diǎn)RCX2 與監(jiān)測點(diǎn)RCX3 處水平位移增量雖大于偏遠(yuǎn)側(cè)監(jiān)測點(diǎn)RCX1，但三處監(jiān)測點(diǎn)水平位移增量均較小，可見偏壓荷載會(huì)對長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形造成影響，但在本工程中，這種影響較小。監(jiān)測點(diǎn)RCX2 處長樁水平位移最大值為2.88 mm，監(jiān)測點(diǎn)RCX1 處短樁為3.01 mm，并且長樁與短樁的水平位移變化規(guī)律相似，可見相鄰排布的長樁與短樁在冠梁作用下協(xié)同變形。

為了比較長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)與等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)在偏壓荷載下的變形差異，選取兩側(cè)基坑在開挖至一半深度，開挖至坑底，監(jiān)測最終值3 個(gè)階段下的最大水平位移進(jìn)行對比。由于右側(cè)基坑監(jiān)測點(diǎn)與左側(cè)基坑監(jiān)測點(diǎn)呈近似對稱，選擇監(jiān)測點(diǎn)RCX1 與LCX1，RCX2 與LCX2，RCX3 與LCX2 之間的最大水平位移進(jìn)行位移比值分析。表1 為左右兩側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同階段下最大水平位移及比值情況。

由表1 可知，不同階段中長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)與等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移均較小，且最大水平位移比值均較接近“1”，兩者水平位移較接近。相比等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移雖出現(xiàn)增長，但增長量較小，最大增長量為0.25 mm。在長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，緊鄰鐵路側(cè)結(jié)構(gòu)變形比偏遠(yuǎn)側(cè)大1.20 mm，而在等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)中則為1.01 mm，可見偏壓荷載對長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響略大于等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

表1 左側(cè)基坑與右側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移及比值Tab.1 Maximum horizontal displacement and ratio of retaining structure of left foundation pit and right foundation pit

結(jié)合圖4 與圖5 可知，長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)中各監(jiān)測點(diǎn)處樁身水平位移變化規(guī)律與等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本一致，且每次測量后的樁身水平位移增量均較小，可見在本工程中，減小部分樁的長度不會(huì)使圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形大幅度增長，采用長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)仍可保證基坑變形安全。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場測得的應(yīng)變數(shù)值，計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁身彎矩，圖6 與圖7 分別為左側(cè)基坑與右側(cè)基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁身彎矩變化情況。

圖6 左側(cè)基坑樁身彎矩分布圖Fig.6 Distribution map of bending moment for left foundation pit

圖7 右側(cè)基坑樁身彎矩分布圖Fig.7 Distribution map of bending moment for right foundation pit

由圖6 可知，當(dāng)基坑開挖至一半深度時(shí)，樁身彎矩較小，當(dāng)開挖至坑底時(shí)，樁身彎矩迅速增大，彎矩反彎點(diǎn)向下移動(dòng)，監(jiān)測點(diǎn)LZW1，LZW2 的樁身彎矩最大值分別為91.25，96.23 kN·m，兩處監(jiān)測點(diǎn)的樁身彎矩最大值較為接近，可見在基坑開挖過程中，偏壓荷載對等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的樁身彎矩影響較小。在基坑開挖結(jié)束后，監(jiān)測點(diǎn)LZW1，LZW2 的樁身彎矩最大值分別到達(dá)了100.63，106.21 kN·m，雖然緊鄰鐵路側(cè)的樁身彎矩大于偏遠(yuǎn)側(cè)，但數(shù)值較為接近，可見偏壓荷載會(huì)等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁身彎矩影響較弱。

由圖7 可知，右側(cè)基坑采用了長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)后，樁身彎矩變化規(guī)律與等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本一致。當(dāng)基坑剛開挖至坑底時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)RZW1，RZW2，RZW3樁身彎矩最大值分別為90.55，104.81，92.88 kN·m。監(jiān)測點(diǎn)RZW3 的樁身彎矩最大值略大于監(jiān)測點(diǎn)RZW1，可見偏壓荷載對長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)中短樁樁身彎矩影響較小。監(jiān)測點(diǎn)RZW2 的樁身彎矩最大值大于監(jiān)測點(diǎn)RZW3，可見在偏壓荷載影響下，長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的長樁彎矩要大于短樁。

同理，為了比較長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)與等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的樁身彎矩變化差異，選取兩側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖至一半深度、開挖至坑底、監(jiān)測最終值三個(gè)階段下的樁身彎矩最大值進(jìn)行對比。表2 為兩側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同階段下樁身最大彎矩及比值情況。

由表2 可知，不同階段中長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)與等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的樁身最大彎矩值較接近，彎矩比值均接近“1”。由比值可知，長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的長樁最大彎矩大于等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，而短樁最大彎矩值則小于等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，可見縮短部分圍護(hù)樁長將使剩下圍護(hù)樁的樁身彎矩最大值增加。從比值大小看，雖然長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)中長樁的彎矩增加，但增長量較小，樁身彎矩最大增長量為10.14 kN·m，依舊滿足抗彎承載力要求。長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，緊鄰偏壓樁身彎矩比偏遠(yuǎn)側(cè)大17.01 kN·m，而在等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)中則大5.58 kN·m，可見偏壓荷載對長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)與等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響均較小。結(jié)合圖6 與圖7 的樁身彎矩變化情況知，長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)與等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的樁身彎矩變化規(guī)律在不同時(shí)期下基本相同，且在基坑開挖結(jié)束后增長較小，未出現(xiàn)局部彎矩大幅度增長的情況。綜上分析，在本工程中，長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)始終處于安全狀態(tài)。

表2 左右兩側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁身彎矩最大值及比值Tab.2 Maximumbendingmomentandratioofpilebodyofretainingstructureofleftfoundationpitandrightfoundationpit

4 結(jié)論

1）左側(cè)基坑與右側(cè)基坑水平位移最大值均較小，兩側(cè)基坑變形均在可控范圍內(nèi)，等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)與長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)均可保證基坑與鐵路運(yùn)營的安全。

2）與等長樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)相比，長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形增加，最大增長0.25 mm，長樁彎矩增大，最大增長10.14 kN·m，采用長短組合方式不會(huì)使圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形出現(xiàn)明顯增長，并可合理地提升了樁體的抗彎承載性能，長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)在本工程中有較好的支護(hù)效果。

3）長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)緊鄰偏壓側(cè)的樁身最大水平位移與彎矩大于遠(yuǎn)離側(cè)，但兩者相差較小，偏壓荷載對長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)影響較小，采用長短樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)對本工程的基坑切實(shí)有效，為相關(guān)工程提供一定借鑒。