减少放坡开挖对铁路影响的有效策略

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0前言

地铁车站基坑的放坡开挖极易对周边土体产生扰动，导致位于基坑影响范围内的地表及周边建（构）筑物产生附加沉降。若附加沉降值过大，将直接影响到建（构）筑物结构及基坑自身的安全。因此，施工前对因车站基坑放坡开挖造成周边建（构）筑物的附加沉降影响进行分析，对于保证基坑设计的安全性、经济性和合理性具有十分重要的意义。目前，在实际工程中对于边坡稳定性的评价通常采用《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）中提供的圆弧滑动简单条分法。该方法有两点假设与实际不符。（1）没有考虑土条两侧的作用力。该假设虽解决了二次静不定问题，但是造成了稳定安全系数偏小。（2）没有准确考虑渗流的影响。工程上一般采用简化方法忽略或粗略地计算地下水渗流的作用，但在实际工程中，基坑周围的渗流场分布十分复杂，当边坡中的水头差较大或采用降水措施时，渗流力的不利作用随之增大，简化方法计算结果则脱离实际较远，有时甚至得出错误的计算结果。本文采用荷兰代尔夫特技术大学研制的岩土软件PLAXIS模拟渗流条件下放坡开挖过程中的真实形态，采用强度折减法对基坑的安全性进行评估，并且通过模拟的结果提出合理的工程措施方案，以减少放坡开挖对周围环境的影响。

1工程概况

某地铁车场北侧为湖泊，西侧紧靠一条排水明渠，排水明渠底绝对标高为17.7m，排水明渠西侧约20.4m为某铁路正线。场地地貌形态属于长江冲洪积一级阶地到三级阶地的过渡地段。勘察钻探揭露深度范围内，场地地层自上而下划分为杂填土层（Qml），地层编号（1-1a）、（1-1b）；第四系全新统冲积层（Q4al），地层编号（3-1）、（3-1a）~（3-1e）；第四系上更新统冲积层（Q3al），地层编号（7-1）~（7-3）、（8-1a）、（8-1）；第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl），地层编号（9-1）、（9-2）；志留系坟头组泥岩（S2f），地层编号（20a-1）、（20a-2）。地下水主要分为上层滞水和孔隙承压水。上层滞水主要赋存于（1）层杂填土中，勘察期间测得场地上层滞水静止水位在地面下1.30~3.70m间，相当于绝对标高18.79~21.87m。孔隙承压水赋存于车场北部的（8-1）层粉细砂混少量砾卵石之中，水量丰富，具承压性，与区域地下水有着紧密的联系。在抽水孔1#中测得（8-1）层中赋存的承压水埋深5.7m，相当于标高15.65m。车站基坑拟采用1：1.5放坡开挖。基坑剖面图如图1。

2材料参数的设置

土体采用摩尔库伦模型进行模拟，该模型用一阶方法近似描述土体弹塑性行为，土体破坏前为线弹性，参数少而意义明确，适合工程应用。摩尔库伦模型需要输入的主要参数分别为：弹性模量E、泊松比、内摩擦角、内聚力c、剪帐角；考虑渗流时，还需要输入渗透系数和确定相应的水利边界条件。需要说明的是，由于许多岩土材料在加载刚开始就表现出一种非线性行为，所以要特别注意在计算中采用的刚度参数值。如果考虑土体加载问题时，采用50%强度处的割线模量E50是合适的；如果考虑开挖问题中的卸载问题时，采用卸载模量Eur是合适的（表1）

3强度折减法

为了解决用圆弧滑动简单条分法计算边坡安全性系数的局限性，本文采用强度折减法进行安全分析。该方法在1975年由Zienkiewice[1]提出，随着微机的发展和有限元计算技术的提高，强度折减有限元法正成为边坡稳定分析研究的新趋势。国内的宋二祥[2]、连镇营[3]等对其都做了许多相应的研究工作，数值结果都表明强度折减法的合理性。强度折减法对安全系数定义如下：安全系数该方法中，内聚力和内摩擦角的正切值将成正比减小，折减系数由Msf来控制。开始时Msf=1，然后Msf按照设置的数值递增至计算模型发生破坏，此时的Msf值即为安全系数。

4有限元模拟

该工程基坑北侧紧邻湖泊，西侧靠近某铁路正线。由于地下水位较高，铁路正线的要求严格，故基坑开挖时不能大面积降水，且要保证基坑开挖对铁路路基变形的影响达到铁路正常运输的要求。本文用有限元软件模拟该工程的目的有两个：（1）对比实际基坑考虑渗流和不考虑渗流时的稳定性，并提出渗流对该基坑的敏感度；（2）对该工程提出合理的工程措施方案，以减少放坡开挖对铁路路基变形的影响。PLAXIS是一个专门用于岩土工程变形和稳定性分析的有限元计算程序。通过简单的输入过程可以生成复杂的有限元模型，而强大的输出功能可以提供详尽的计算结果。为了简化计算及尽快收敛，本文对模型做了如下处理：采用轴对称模型；采用15节点三角形单元；对基坑下层土进行网格加密措施。有限元模型见图2。

4.1渗流对边坡稳定性的影响分析

水的渗透将对土骨架产生拖拽力即动水压力，导致土体中的应力和变形发生变化。对于渗流系数较大的土坡，会因此而产生流砂现象，对于渗透系数较小的土坡，它对边坡的稳定也是不利的。本工程中杂填土和素填土的透水性强，且水量丰富，对基坑开挖产生较大影响。从图3和图4中可以看出，不考虑渗流时铁路路基顶部的最大位移约为14mm，而考虑渗流时铁路路基顶部的最大位移约为28mm。利用强度折减法对基坑安全性评估（图6）可以得到，不考虑渗流时基坑安全系数为1.19，考虑渗流时基坑安全系数为1.02。可见本工程中渗流作用对基坑开挖时铁路路基位移的影响及基坑的安全性是不容忽略的。

4.2基坑开挖对铁路路基的保护措施

为了减少放坡开挖对铁路路基变形的影响，根据以往施工经验并结合实际情况，提出以下两种措施方案：方案A先对排水明渠底部（施工前将其改移）及坡脚进行旋喷桩加固直径650@500，然后进行放坡开挖，见图7；方案B采用悬臂桩支护直径1000@12000+旋喷桩止水，并对坡脚进行旋喷桩加固直径650@500，见图8。图5可以看出，滑裂面在（3-2d）粉质粘土夹粉土层与（3-2e）粉质粘土夹粉土层的分界线上，由此推断无论是方案A的搅拌桩还是方案B的悬臂桩都应该穿透（3-2d）粉质粘土夹粉土层，使滑裂面向土层深处发展，从而提高安全系数。由计算结果可以知：采用方案A时，铁路路基的最大位移约24mm，安全系数1.12；采用方案B时，铁路路基的最大位移约为13mm，安全系数1.17。显然方案B效果更好。这是由于桩的抗弯刚度更大，变形更小，限制了土体的位移，很好的起到了隔断作用。而安全系数变化不明显是因为两个方案的工程措施都使得滑裂面向土层深处发展，很好的提高了基坑自身的安全性。从图11和图12可以看出，基坑安全性的极限情况仅仅是基坑局部有滑坡，而基坑整体是安全的。因此施工时局部土体也需进行加固。

5结论

本文结合实际工程，利用PLAXIS程序模拟基坑放坡开挖过程，分析渗流条件下的基坑整体稳定性，并通过模拟的结果提出合理的工程措施方案来减少放坡开挖对周围环境的影响。得到结论如下：

（1）本工程中渗流对基坑开挖时铁路路基位移的影响及基坑的安全性是不容忽略的。同时采用有限元强度折减法并考虑流固耦合计算得到基坑整体稳定安全系数，其计算假定比较符合工程实际，计算结果合理可信。

（2）虽然对提高基坑自身的稳定性来说，旋喷桩加固+放坡开挖和悬臂桩+坡脚加固的效果相差不大，但是采用刚度更大的悬臂桩+坡脚加固的措施对限制铁路路基变形的效果更明显。