鄰近高速鐵路深大基坑對(duì)鐵路影響分析

徐 俊 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海東華地方鐵路開(kāi)發(fā)有限公司

隨著鐵路網(wǎng)的建成與完善，以及地方發(fā)展需要，一些基坑工程鄰近既有高速鐵路設(shè)置，給基坑施工變形提出了很高的要求。一些學(xué)者從多種角度研究了臨近鐵路基坑的穩(wěn)定性、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律與荷載模式，從支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工控制等方面提出了建議，指出基坑滲流對(duì)軌道水平的影響顯著，建議臨近既有線(xiàn)基坑開(kāi)挖須在止水條件下進(jìn)行。本文以某臨近既有鐵路的基坑工程為背景，分析基坑開(kāi)挖對(duì)鐵路路基的影響，可為類(lèi)似工程提供經(jīng)驗(yàn)與借鑒。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

揚(yáng)州江平東路快速化改造工程北側(cè)緊鄰寧啟鐵路，并行段長(zhǎng)度約1.4 km。主線(xiàn)采用隧道形式，隧道總長(zhǎng)838 m，隧道基坑寬度為30 m，基坑平均深度為8.6 m（見(jiàn)圖1）。本項(xiàng)目涉鐵基坑規(guī)模較大，最大深度達(dá)10.7 m（局部區(qū)域達(dá)到14.4 m），基坑邊緣與鐵路坡腳距離最小為25 m。如何將對(duì)寧啟鐵路的影響降至最小，保證鐵路運(yùn)營(yíng)安全，是本項(xiàng)目重難點(diǎn)。

圖1 項(xiàng)目概況

1.2 既有鐵路現(xiàn)狀

寧啟鐵路為國(guó)鐵Ⅰ級(jí)雙線(xiàn)電氣化鐵路，設(shè)計(jì)速度為200 km/h ，60 kg/m 鋼軌，無(wú)縫線(xiàn)路，混凝土軌枕。填方路基，路基填筑高度約為6 m；鐵路路基排水采用散排；鐵路兩側(cè)有鋼筋混凝土柵欄。

1.3 工程地質(zhì)

地勢(shì)較平坦，無(wú)不良地質(zhì)，以可塑至硬塑粉質(zhì)黏土為主。

區(qū)內(nèi)地下水主要為孔隙型潛水，水位埋深淺，孔隙型潛水穩(wěn)定水位埋深1.10 m～1.70 m。巖土層的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 工程場(chǎng)地巖土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

2 圍護(hù)方案

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇，不僅關(guān)系到基坑開(kāi)挖及鄰近鐵路的安全，而且直接影響著土方開(kāi)挖以及隧道結(jié)構(gòu)施工等施工成本。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)是個(gè)系統(tǒng)工程，不僅要保證受力合理，而且要施工方便、成本節(jié)省。設(shè)計(jì)原則是：首先保證安全，存在重大安全隱患的方案實(shí)際上是沒(méi)有任何現(xiàn)實(shí)意義，而且可能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失；其次盡量節(jié)省造價(jià)，過(guò)于安全但太浪費(fèi)的方案也不符合市場(chǎng)需求；最后考慮施工的方便性，施工的方便性可以在施工中縮短工期、降低施工造價(jià)。

本工程隧道周邊場(chǎng)地開(kāi)闊、空曠，地面交通易于疏解。明挖法具有地層適應(yīng)性好、技術(shù)成熟、施工風(fēng)險(xiǎn)小、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)中，采用明挖順作法施工。

2.1 基坑控制指標(biāo)

因隧道臨近寧啟鐵路，且基坑深度較深，基坑工程安全等級(jí)及環(huán)境保護(hù)等級(jí)均按一級(jí)設(shè)計(jì)。

除了滿(mǎn)足基坑工程安全系數(shù)的要求，還需控制基坑對(duì)鐵路軌道變形的影響。

通常情況下鐵路路基沉降變形是導(dǎo)致上方線(xiàn)路不平順的主要原因。根據(jù)《公路與市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》（TB10182-2017）規(guī)定，高速鐵路有砟軌道變形須控制在3 mm以?xún)?nèi)。普速鐵路道岔區(qū)的沉降變形量控制在1 mm 以?xún)?nèi)，非道岔區(qū)的路基沉降變形量控制在10 mm 內(nèi)。考慮到寧啟鐵路設(shè)計(jì)速度為200 km/h，有砟軌道，故水平及沉降變形按照3 mm 控制。

2.2 圍護(hù)體選型分析

基坑工程設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)基坑開(kāi)挖深度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)類(lèi)型、地質(zhì)條件、場(chǎng)地條件、周邊環(huán)境條件、使用功能條件、施工工藝、工期和造價(jià)等因素綜合考量、深入進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選后確定，力求安全可靠、技術(shù)成熟、施工便捷、造價(jià)合理、工期短、環(huán)保節(jié)能，利于文明施工等。

基坑工程實(shí)施方案主要包括“放坡開(kāi)挖”、“垂直支護(hù)開(kāi)挖”和“放坡開(kāi)挖（坑頂部分）＋垂直支護(hù)開(kāi)挖”三大類(lèi)。放坡開(kāi)挖方案中，常對(duì)坡面采取一定的邊坡防護(hù)措施。垂直支護(hù)開(kāi)挖方案中，主要的圍護(hù)結(jié)構(gòu)（擋土結(jié)構(gòu)和/或止水帷幕）型式主要包括拉森鋼板樁、型鋼水泥土攪拌墻（俗稱(chēng)“SMW 工法樁”）、鉆孔咬合樁、排樁（例如鉆孔灌注樁）＋止水帷幕、地下連續(xù)墻和等厚度勁性水泥土攪拌墻等。

對(duì)常見(jiàn)的支護(hù)方案進(jìn)行比選見(jiàn)表2。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)比選

2.3 基坑支護(hù)方案

項(xiàng)目基坑與鐵路距離變化不大，故基坑支護(hù)方案主要受基坑深度及地質(zhì)情況影響。最終確定的基坑支護(hù)方案見(jiàn)表3。

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)比選

基坑內(nèi)支撐采用鋼和混凝土組合支撐的形式，即第一道支撐設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土支撐，第二及以下各道支撐采用鋼管撐。采用Φ609 壁厚16mm 鋼管支撐。基坑跨度較大，需要設(shè)置格構(gòu)柱、立柱樁、連系梁。典型支部斷面見(jiàn)圖2。

圖2 典型支護(hù)斷面

2.4 基坑降水方案

因本基坑鄰近寧啟鐵路，基坑降水必須采用坑外止水帷幕結(jié)合坑內(nèi)降水的方案，不得坑外降水。

（1）基坑降水應(yīng)由專(zhuān)業(yè)降水單位負(fù)責(zé)進(jìn)行。基坑開(kāi)挖前20 天進(jìn)行預(yù)降水以提高坑內(nèi)土體強(qiáng)度，降水深度應(yīng)控制在基底以下1 m，保證基坑在干燥無(wú)水的條件下開(kāi)挖。

（2）開(kāi)挖至坑底施工底板時(shí)，在底板設(shè)置泄水孔，待頂板覆土及內(nèi)部鋪裝層施工完成后方可封孔。

（3）開(kāi)挖過(guò)程中，應(yīng)做好基坑內(nèi)的排水工作，如在雨季施工，須配備足夠的抽水設(shè)備，并做好基坑外的排水、截水工作。基坑內(nèi)排水溝在施工墊層前應(yīng)分段用粘土回填，以免水在溝內(nèi)流動(dòng)破壞地基土體。

（4）基坑內(nèi)外均需設(shè)置適量的水位觀測(cè)孔，以便監(jiān)測(cè)基坑內(nèi)地下水位及降水對(duì)坑外水位的影響，控制周?chē)孛娴某两怠＝邓^(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地下管線(xiàn)的監(jiān)測(cè)，為減少基坑降水對(duì)周邊建構(gòu)筑物、地下管線(xiàn)的影響，在建構(gòu)筑物與基坑之間設(shè)置回灌井，視地下水位監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行地下水回灌。

（5）坑內(nèi)抽出的水須盡量遠(yuǎn)離基坑排放，不得增加坑外的水頭壓力。

（6）施工前應(yīng)結(jié)合地質(zhì)勘察報(bào)告，委任具有降水專(zhuān)業(yè)資質(zhì)的單位進(jìn)行降水專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)確定相關(guān)參數(shù)。既要達(dá)到降水效果，保證基坑工程安全，又要較好地控制坑外地基變形，確保寧啟鐵路、周邊管線(xiàn)和建筑物安全。

3 對(duì)鐵路影響分析

綜合考慮基坑開(kāi)挖深度、基坑與鐵路距離、支護(hù)形式、地層條件等因素，選取典型橫斷面對(duì)鐵路的影響進(jìn)行有限元分析。選取斷面特點(diǎn)及最終計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 與既有鐵路相對(duì)關(guān)系典型橫斷面

選取4 號(hào)斷面為例介紹計(jì)算分析過(guò)程。計(jì)算了10 種工況模擬施工過(guò)程，有限元模擬見(jiàn)圖3。

圖3 有限元模擬

提取近道路側(cè)軌道中心沉降值和軌道中心水平位移值，作為評(píng)估路塹開(kāi)挖對(duì)鐵路路基影響的量化指標(biāo)，匯總見(jiàn)表5。

表5 道路施工引起的路基累計(jì)變形量（4 號(hào)斷面）

分析得出，軌道中心累計(jì)水平位移的最大值均發(fā)生在輔道開(kāi)挖工況，軌道中心沉降的最大值發(fā)生在道路通車(chē)運(yùn)營(yíng)工況。施工過(guò)程中路基水平位移和沉降均在3 mm 以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

鄰近鐵路深大基坑，即使超出鐵路保護(hù)區(qū)范圍，施工過(guò)程也將對(duì)鐵路造成一定影響，但在采用有效圍護(hù)措施后，可將鐵路路基位移控制在限值范圍內(nèi)。

對(duì)鐵路影響的分析建立在有效止水措施的基礎(chǔ)上，鄰近鐵路基坑需設(shè)置封閉的止水帷幕，嚴(yán)禁坑外降水。

基坑開(kāi)挖過(guò)程，應(yīng)遵循分區(qū)、分層、對(duì)稱(chēng)、均衡的開(kāi)挖原則，嚴(yán)禁超挖，盡量減少無(wú)支撐暴露時(shí)間。

為保證鐵路運(yùn)營(yíng)安全，施工過(guò)程應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鐵路路基沉降及水平變形監(jiān)測(cè)。