摘 要：以武汉地铁２号线循礼门车站下穿轻轨桥墩段为依托，采用考虑流固耦合作用的三维数值模拟方法探讨了深基坑降水开挖对邻近桩基的影响规律，并对几种措施的位移控制效果进行了分析；然后着重论述了被动区加固参数对桩基位移的影响．结果表明：通过优化降水方案来控制邻近桩基变形的效果比较明显；隔离桩、主动区加固和被动区加固都能一定程度地抑制桩基的水平位移，相比而言，被动区加固的效果更佳；被动区加固深度存在临界范围，加固体所在深度与最大水平位移出现的深度一致为宜．

关键词：基坑；群桩；隔离桩；主动区加固；被动区加固；控制效果

 

      深基坑的开挖卸载必然导致坑周地表沉降和地层移动，对周围既有构筑物产生影响甚至导致破坏．对于既有桩基而言，基坑降水开挖引起的水平地层位移的影响往往更为显著，可能在桩身内产生过大的挠曲和弯矩，进而使上部结构功能失效；所以，探讨基坑降水开挖对邻近桩基的影响规律，寻求可行的变形控制对策是很有意义的．目前，已有学者采用试验^{［１－３］}和理论分析^{［４－８］}的方法针对该问题开展了大量的研究工作．但当边界条件复杂、地层变化多样或地下水丰富时，试验方法及理论方法并不能胜任，更快捷有效的方法是数值模拟的方法．然而目前的模拟工作^{［９－１０］}只是侧重于分析基坑开挖对邻近桩基的影响规律，没有考虑基坑降水及开挖过程中地下水与土体的流固耦合作用．针对各种工程加固措施（如隔离桩、主动区加固、被动区加固等）对邻近桩基的变形控制效果及控制规律的研究还极为少见．

      本文依托武汉地铁２号线循礼门车站工程，采用考虑地下水与土体耦合作用的三维数值模拟方法探讨深基坑降水开挖对邻近轻轨桩基的影响规律；然后对各种工程加固措施的位移控制效果进行了分析，并着重论述被动区加固参数对轻轨桩基位移的影响规律．

 

      循礼门站周围建筑物密集，东侧为轻轨１号线高架桥，地连墙与轻轨桥墩承台的最小间距不足１．５ｍ，如何控制施工对桩基的影响是重中之重．车站标准段宽３０．５ ｍ．主体结构顶板覆土２．４～５．３ｍ，底板埋深２０．５ｍ，坑底位于粉细砂层上．在轻轨桥墩附近采用盖挖顺作法施工，盖挖段基坑宽２３．５ｍ，围护结构采用０．８ｍ地连墙＋内支撑（内支撑共设５道，第２道为Φ６０９（壁厚１６ｍｍ）钢支撑，其余为钢筋混凝土支撑）．地连墙底部埋深５１ｍ，进入强风化泥岩１．５ｍ．场地地层分布见文献［１１］中的图１．地下水有上层滞水和承压水２种，上层滞水赋存于杂填土中，埋深为０．５～２．０ｍ．承压水赋存于粉细砂中，与上覆粉土粉砂互层构成统一承压含水层．轻轨桥墩的加固方案及加固范围见文献［１１］中的图２.

      本文采用ＦＬＡＣ３Ｄ进行数值模拟，计算范围以盖挖段为中心，沿长度方向延伸２２０ｍ，沿轻轨方向延伸２３０ｍ，竖向取至地表以下６０ｍ的深度（基岩面以下约１２ｍ），计算模型尺寸为２２０ｍ×２３０ｍ×６０ｍ，轻轨桥墩取至承台以上４ｍ．所有对象均采用实体单元来模拟．注浆加固区、旋喷桩加固区等均简化为各向同性的均匀材料．模拟中，土体（包括旋喷桩加固区及注浆加固区等）采用Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服准则．而轻轨桥墩、隔离桩、地连墙、抗拔桩、临时立柱、支撑及冠梁等混凝土构件和钢构件则采用线弹性模型．依据勘察报告，表１给出了部分材料的物理力学参数（其他物理力学参数见文献［１１］中的表１）．模型的边界条件为：桥墩上表面为垂直荷载边界，４侧为法向约束，底面固定．Ｑ_２和Ｑ_３桥墩承受的上部结构最大竖向荷载分别为１６ ＭＮ和１５．２ ＭＮ，将其转化为均布荷载，施加在模型中轻轨桥墩的上表面．

      模型中考虑地下水与土体的流固耦合作用．由于地连墙及止水帷幕已隔断承压水进入基岩，且由现场抽水试验可知，降水井内水位恢复相当缓慢，这表明深入基岩的止水帷幕和地连墙对地下水的阻隔效果较好，渗漏量很小，因此对基岩、连续墙的透水边界条件进行适当简化，即假定基岩、连续墙为不透水介质．在模型的右、前、后３侧，由于地下水受长江的水力补给，设定为定水头边界；由于基坑为狭长矩形，模型左侧截断边界处基本不会有地下水流入（出），因此设置为不透水边界；降水井侧壁处设置为定流量的泄漏边界．另外，由于桩和土、地连墙与土之间存在明显的刚度差异，在受力过程中可能出现相对滑移，因此在桩与土、承台与土、地连墙与土之间的界面处设置了接触单元（Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）．考虑到泥浆护壁成桩易形成“泥皮”，弱化了桩侧极限摩阻力．按照Ｐｏｔｙｏｎｄｙ^［１２］及Ａｃｅｒ^［１３］等的研究成果，计算中界面黏聚力及界面摩擦角取为相邻土体黏聚力和内摩擦角的０．６倍．整个模型网格划分如图１所示．

      具体模拟过程为：形成初始应力场；施工轻轨桥墩，并施加墩顶荷载，形成基坑施工前的应力场；设置地连墙、隔离桩，进行注浆、旋喷桩加固；位移场归零（只分析基坑降水开挖引起的位移），进行基坑降水（一次性降至地表以下２２．８０ｍ）；挖除第１层土体；架设第１道支撑，并开挖第２层土体；依次架设第２～５道支撑，同时依次开挖第３～６层土体，直至坑底；浇筑底板及部分侧墙、中柱，拆除第５和４道支撑；浇筑中板及部分侧墙、中柱，拆除第３和２道支撑；浇筑顶板，拆除第１道支撑，并回填至地表．其中，在进行每层土体的开挖和支撑过程中，还考虑到基坑纵向的分段开挖（计算域内有５个节段），整个过程共有４４个计算步．

 

      不同施工步下标准段及盖挖段坑外地表沉降ｓ随与地连墙之间的距离Ｌ的变化曲线如图２所示．由图可知：基坑外地表沉降呈抛物线分布，随着基坑降水开挖的进行，坑外地表沉降逐渐增大，且最大值出现的位置距地连墙的距离也有一定程度的增长．从各施工步引起的地表沉降量的大小来看，基坑降水的影响是最为明显的，对于标准段和盖挖段而言，基坑降水引起的地表沉降占总沉降量的比例分别达到了３９．１％和３７．７％；因此，当进行基坑变形分析时，考虑降水引起的土体渗流固结是必不可少的．基坑开挖完成后标准段和盖挖段坑外最大地表沉降分别为３１．９ ｍｍ和１６．２ｍｍ．盖挖段坑外地表沉降只有标准段的一半．其原因是：ａ．由于隔离桩、主动区注浆加固及被动区旋喷桩加固等工程措施的加固作用，大大提高了土体的力学性能；ｂ．盖挖段基坑宽度比标准段小很多，坑底土体的隆起程度及降水引起的坑内土体压缩变形也会小很多，相应地，坑外土体的地表沉降也就大幅度降低了．

      比较图２（ａ）和（ｂ）可以发现：标准段与盖挖段坑外地表沉降的分布形态也略有差别，主要表现为：ａ．由于受到隔离桩及主动区注浆加固体的“遮拦”作用，因此盖挖段坑外地表沉降最大值发生的位置更靠外；ｂ．由于主动区注浆加固体与外侧土体的刚度差异，盖挖段坑外地表沉降在６ｍ位置处出现拐点.

      图３给出了不同施工步下标准段及盖挖段地连墙水平位移ω沿深度ｈ的变化曲线．地连墙大体上呈现出两端小、中间大的变形形态．由于基坑采用的是一次性降水方案，地连墙内外产生了较大的水头差，且在整个降水过程中坑内支撑尚未架设，因而导致降水引起的地连墙水平位移占最终水平位移的比例很大（标准段和盖挖段分别达到了４１．０％和４２．２％）．另外，随着开挖深度的增加，地连墙最大水平位移逐渐增大，最大水平位移发生的位置也不断下移．在基坑降水及表层土体开挖时，地连墙最大水平位移发生在墙顶附近．随着后续开挖的进行，最大水平位移发生的位置也逐渐转移到坑底开挖面下３ｍ的位置处．

      由于Ｑ_２墩及Ｑ_３墩距离地连墙的中心间距均不超过６ｍ，由图２可知此范围内地表沉降较小，相对于其挠曲变形而言，桥墩沉降可忽略．在此情况下，桩身弯矩起控制作用，因此本文仅给出轻轨桥墩的水平响应（以下列出的桩身响应均为同一群桩基础内４根单桩响应的平均值）．

      图４给出了不同施工步下Ｑ_２墩及Ｑ_３墩群桩基础内４根单桩的平均水平位移ω_１沿深度ｈ分布曲线．不难看出：桥墩桩基的水平位移分布规律与盖挖段地连墙的水平位移分布规律非常类似，只是数值上要略小一些．当基坑施工完成时，Ｑ_２墩桩基的最大水平位移为２３．３ｍｍ，Ｑ_３墩桩基的最大水平位移为２４．４ｍｍ．

      变形控制措施可分为２类：第１类，采取各种加固措施对桩基进行防护，如隔离桩、主动区注浆加固及被动区旋喷桩加固等；第２类，通过调整优化降水方案、开挖顺序及每步开挖尺寸等对桩基进行防护．在此分析２类变形控制措施的控制效果．

      如前所述，基坑降水引起的桩身变形非常显著，因此在深大基坑的实际施工中，往往采用分层降水方案，即每次将水位降至各层土体开挖面下１～２ｍ，降水与开挖交替进行．图５给出了不同降水方案下桥墩最终桩身水平位移ω_１分布曲线．相对于一次性降水方案，分层降水方案下桩身最大水平位移有一定幅度的降低，尤其是中上部．其中：Ｑ_２墩及Ｑ_３墩桩身最大水平位移降低的幅度分别为１５．２％和１３．７％；Ｑ_２墩及Ｑ_３墩承台顶部水平位移降低的幅度分别达到了５０．３％和５８．６％．可见通过优化降水方案来控制基坑施工对邻近桩基影响的效果还是比较明显的.

      图６给出了５种不同加固方案下Ｑ_２墩和Ｑ_３墩最终桩身水平位移ω_１分布曲线．其中：Ａ表示无隔离桩、主动区注浆加固和被动区旋喷桩加固等加固措施；Ｂ表示只有被动区旋喷桩加固；Ｃ表示只有主动区注浆加固；Ｄ表示只有隔离桩加固；Ｅ表示同时有隔离桩、主动区注浆加固和被动区旋喷桩加固３种措施．计算结果显示：相对于无加固方案（即工况Ａ），工况Ｂ～Ｅ情况下Ｑ_２墩（Ｑ_３墩）桩 身 最 大 水 平 位 移 分 别 降 低 了２２．１％（１９．８％），１２．０％（１３．２％），１４．２％（１５．６％）和５０．７％（５１．３％）．总体上看，在基坑降水开挖阶段（不包括地连墙成槽阶段），隔离桩、主动区注浆加固和被动区旋喷桩加固３种措施中，被动区旋喷桩加固的效果最为明显．在同时采用３种加固措施的情况下，其组合位移控制效果基本上就是三者各自位移控制效果的线性累加．

      被动区旋喷桩加固深度（保持加固体上表面与基底齐平）对桥墩桩身最大水平位移的影响的研究表明：随着加固深度的增加，桩身最大水平位移呈非线性减小；加固深度越大，桩身最大水平位移随加固深度的变化梯度越小，桩身水平位移区域稳定．这表明基底加固深度存在一个临界范围，当基底加固深度超过６ｍ后，继续增加加固深度的意义不大．因此对于类似工程而言，基底加固深度不宜超过６ｍ．