涉鐵基坑安全性分析在工程實踐中的應(yīng)用

田佳成

杭州鐵路設(shè)計院有限責(zé)任公司

1 引言

基坑安全性分析是巖土工程師們重要的設(shè)計內(nèi)容，《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》[1]（JGJ 120—2012）中對于基坑設(shè)計的安全性驗算，包括整體穩(wěn)定性、抗傾覆、抗隆起、抗?jié)B透穩(wěn)定性等問題都進行了詳細的規(guī)定。“涉鐵基坑”，顧名思義就是在距離鐵路一定范圍內(nèi)需要開挖的基坑（如中國鐵路上海局集團有限公司按照距既有鐵路線路中心30m 的鄰近營業(yè)線范圍作為劃分依據(jù)）。伴隨著我國鐵路、特別是高速鐵路的快速發(fā)展，“涉鐵基坑”的安全性已經(jīng)逐漸成為基坑設(shè)計中需要重點分析的內(nèi)容，特別是由于大多數(shù)高鐵設(shè)計時速達到了300km/h及其以上，因此運營中的鐵路無論是路基還是橋梁的變形（包括水平位移和沉降）都被嚴格控制[2]。

“涉鐵基坑”與“非涉鐵基坑”的異同點如表1所示。

縉云縣某房地產(chǎn)基坑鄰近既有金溫貨線鐵路，本文就此工程案例對鐵路路基及橋梁的穩(wěn)定性影響進行分析，提出涉鐵基坑在方案設(shè)計和施工時的控制要點。

2 工程概況

縉云縣某小區(qū)，基坑平面為286×153.4m（長×寬）的矩形結(jié)構(gòu)，東側(cè)鄰近既有金溫貨線。涉鐵里程約為K87+603.57～K87+912.57，長度為309.0m；其中K87+603.57～K87+714.86 范圍內(nèi)為橋梁段，對應(yīng)既有好溪1 號橋3#橋墩～溫州側(cè)橋臺；K87+714.86～K87+912.57范圍內(nèi)為路基段，如圖1。

圖1 基坑平面位置圖

根據(jù)地勘資料，場地主要由雜填土、素填土，粉質(zhì)黏土、圓礫，強風(fēng)化粉砂巖、中風(fēng)化粉砂巖等組成。地下水主要為第四系孔隙潛水。勘察期間測得穩(wěn)定水位埋深0.10m～4.00m。孔隙潛水主要賦存于填土、粉質(zhì)黏土、圓礫中。其中填土、圓礫層為強透水層，含水性、賦水性較好，粉質(zhì)黏土為弱透水層，含水性、賦水性差。各土層力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 基坑安全性對比分析異同表

表2 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)

3 基坑支護方案優(yōu)化

原設(shè)計中對于“涉鐵基坑”與“非涉鐵基坑”未做區(qū)別，挖深約4.25m～5.25m，均采用“一級放坡+噴射C20鋼筋混凝土掛網(wǎng)護坡+土釘墻”的支護形式，基坑安全等級為二級。基坑放坡坡率1:0.8，土釘錨固長度6.0m～9.0m，水平間距1.0m，角度為15°。

圖2 原設(shè)計方案

圖3 優(yōu)化后設(shè)計方案

原設(shè)計方案中由于部分土釘錨固長度達到9.0m，對既有鐵路路基產(chǎn)生嚴重的安全隱患，且既有鐵路路基段高約9.5m，屬于高填方路基。考慮到鐵路的安全穩(wěn)定，將支護形式調(diào)整為“一級放坡+鉆孔灌注樁+一道型鋼支撐”。一級放坡采用1:1開挖，坡高1.0m；鉆孔灌注樁樁徑0.8m，樁長13m；斜撐采用型鋼，涉鐵段基坑安全等級調(diào)整為一級，并將鐵路路基通過等效荷載方式加載于基坑邊一定范圍。

經(jīng)計算，優(yōu)化后的涉鐵段基坑圍護結(jié)構(gòu)結(jié)果滿足《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）中一級基坑整體穩(wěn)定性、抗傾覆、抗隆起、抗?jié)B透穩(wěn)定性等控制標(biāo)準。

4 基坑開挖對金溫貨線的影響

為從整體上把握涉鐵基坑工程的實施對既有金溫貨線的影響[3]，考慮到鄰近金溫貨線處基坑最大挖深為5.25m，結(jié)合工程地質(zhì)條件等，選用有限元軟件MIDAS/GTS NX 建立數(shù)值計算模型，同時考慮施工作業(yè)場地、施工便道及出口面的影響，基坑邊附加荷載按25kN/m2計算，涉鐵段基坑還需考慮鐵路荷載，基坑圍護結(jié)構(gòu)圖4圖、5。

圖4 涉鐵基坑示意圖（路基段）

圖5 涉鐵基坑示意圖（橋梁段）

表3 地質(zhì)力學(xué)參數(shù)

由以上計算結(jié)果可知，對于既有鐵路路基，由于基坑開挖距離坡腳較近，引起的累計水平及豎向變形分別為-1.452mm 和-3.458mm；對于既有鐵路橋梁，開挖引起的累計水平及豎向變形均較小。

5 基坑降水的分析

管井降水作為基坑地下水控制最為常見的措施，主要目的是保證施工時能達到設(shè)計坑內(nèi)水位要求同時能控制周邊土體沉降[4]。

原設(shè)計方案中采用敞開式的管井降水方法，此類方案在普通基坑中應(yīng)用最為廣泛，《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）中對于影響半徑（R）、基坑總涌水量（Q）、單井出水能力（q0）等均有推薦公式。但缺點是降水影響范圍大，一般要求基坑周圍的重要結(jié)構(gòu)物距基坑邊的距離大于3倍基坑深度，本工程基坑明顯不適用于此降水方案。

由于涉鐵基坑范圍內(nèi)鐵路的沉降要求十分嚴格，因此更多是借助止水帷幕來實現(xiàn)基坑降水的目的。止水帷幕能有效減少基坑周邊的水位降深，從而控制周圍土體沉降。本工程調(diào)整后的方案采用Φ70cm 高壓旋噴樁止水帷幕，有效樁長約9.0m，按照進入強風(fēng)化巖不小于1.0m控制，搭接20cm。

根據(jù)上海軟土地區(qū)的情況，有研究[5]將考慮豎向止水帷幕的基坑分成三類降水模型：敞開式一坑外降水，全封閉式一坑內(nèi)降水，半封閉式一坑內(nèi)外聯(lián)合降水。由于工程實際施工中很難界定僅由于降水引起周圍建筑的沉降，且部分地勘報告并未進行抽水試驗等相關(guān)內(nèi)容。因此對于涉鐵基坑采用止水帷幕的降水影響，重點是通過降水影響半徑的計算來保證鐵路安全。

本文借鑒魯芬婷[6]給出的考慮止水帷幕的影響半徑修正公式。

潛水：

式中：

R——影響半徑；

k——滲透系數(shù)；

Hw——坑外靜止水頭高度；

Sw——基坑內(nèi)設(shè)計降深；

S′

w——基坑外邊止水帷幕降深；

Hc——止水帷幕入水深度。

經(jīng)計算，本工程影線半徑：

理論計算值小于基坑邊到鐵路坡腳的距離。

6 結(jié)論和建議

本文以某房地產(chǎn)基坑為例，著重闡述了“涉鐵基坑”在設(shè)計過程中應(yīng)重點考慮的內(nèi)容，并對原設(shè)計提出了優(yōu)化方案以滿足鐵路相關(guān)要求。通過有限元軟件分析了基坑施工對鐵路路基及橋梁的影響，并對考慮止水帷幕的基坑降水提出了簡化計算。

主要結(jié)論和建議如下。

（1）“涉鐵基坑”應(yīng)區(qū)別于“非涉鐵基坑”進行方案設(shè)計，支護方式、降水方案、附加荷載等內(nèi)容應(yīng)綜合考慮基坑與鐵路的平面、橫斷面位置關(guān)系。

（2）基坑降水在缺乏相關(guān)資料的前提下，可進行簡化計算，通過影響半徑初步判斷降水方案的合理性。

（3）為了保證鐵路安全，“涉鐵基坑”安全等級應(yīng)按照一級考慮，并應(yīng)符合相關(guān)的鐵路管理規(guī)定。

（4）建議在施工階段能給出相關(guān)參數(shù)的實測值，以便矯正計算公式。