涉鐵基坑安全性分析在工程實踐中的應用

田佳成

杭州鐵路設計院有限責任公司

1 引言

基坑安全性分析是巖土工程師們重要的設計內容，《建筑基坑支護技術規程》[1]（JGJ 120—2012）中對于基坑設計的安全性驗算，包括整體穩定性、抗傾覆、抗隆起、抗滲透穩定性等問題都進行了詳細的規定。“涉鐵基坑”，顧名思義就是在距離鐵路一定范圍內需要開挖的基坑（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 的鄰近營業線范圍作為劃分依據）。伴隨著我國鐵路、特別是高速鐵路的快速發展，“涉鐵基坑”的安全性已經逐漸成為基坑設計中需要重點分析的內容，特別是由于大多數高鐵設計時速達到了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定性影響進行分析，提出涉鐵基坑在方案設計和施工時的控制要點。

2 工程概況

縉云縣某小區，基坑平面為286×153.4m（長×寬）的矩形結構，東側鄰近既有金溫貨線。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 范圍內為橋梁段，對應既有好溪1 號橋3#橋墩～溫州側橋臺；K87+714.86～K87+912.57范圍內為路基段，如圖1。

圖1 基坑平面位置圖

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

表1 基坑安全性對比分析異同表

表2 地質力學參數

3 基坑支護方案優化

原設計中對于“涉鐵基坑”與“非涉鐵基坑”未做區別，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 原設計方案

圖3 優化后設計方案

原設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定，將支護形式調整為“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。

經計算，優化后的涉鐵段基坑圍護結構結果滿足《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120—2012）中一級基坑整體穩定性、抗傾覆、抗隆起、抗滲透穩定性等控制標準。

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，結合工程地質條件等，選用有限元軟件MIDAS/GTS NX 建立數值計算模型，同時考慮施工作業場地、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，基坑圍護結構圖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 地質力學參數

由以上計算結果可知，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計坑內水位要求同時能控制周邊土體沉降[4]。

原設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用最為廣泛，《建筑基坑支護技術規程》（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構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，按照進入強風化巖不小于1.0m控制，搭接20cm。

根據上海軟土地區的情況，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，全封閉式一坑內降水，半封閉式一坑內外聯合降水。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內容。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；

Hw——坑外靜止水頭高度；

Sw——基坑內設計降深；

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 結論和建議

本文以某房地產基坑為例，著重闡述了“涉鐵基坑”在設計過程中應重點考慮的內容，并對原設計提出了優化方案以滿足鐵路相關要求。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。

主要結論和建議如下。

（1）“涉鐵基坑”應區別于“非涉鐵基坑”進行方案設計，支護方式、降水方案、附加荷載等內容應綜合考慮基坑與鐵路的平面、橫斷面位置關系。

（2）基坑降水在缺乏相關資料的前提下，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”安全等級應按照一級考慮，并應符合相關的鐵路管理規定。

（4）建議在施工階段能給出相關參數的實測值，以便矯正計算公式。