長大深基坑對鄰近城際鐵路路基變形的影響分析

張鳳維

中國鐵路設計集團有限公司，天津300308

隨著城市規(guī)模的不斷擴大，城際鐵路保護范圍以內(nèi)的新建構筑物日益增多，使得鐵路路基不可避免地受到構筑物基坑施工的影響［1-3］。城際鐵路運營速度快、軌道平順性要求高［4］，科學評價基坑施工對既有鐵路路基的影響，對于確保城際鐵路安全運營具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來，國內(nèi)學者對鄰近鐵路的基坑開挖做了大量研究。王菲［5］以某大面積深基坑為工程背景，分別對高速鐵路路基及橋梁的豎向變形、相鄰橋墩差異豎向變形、橫向水平變形、縱向水平變形、軌道平順性、橋梁基礎結構安全性等進行了計算分析。鄭明新等［6］以福建莆田一框架保護涵下穿高速鐵路莆田特大橋深基坑工程為背景，運用有限元軟件分析了基坑開挖過程，研究了基坑開挖過程中鄰近基坑的橋墩墩臺豎向變形和樁基變形規(guī)律。禚一等［7］以天津地區(qū)一鄰近高速鐵路的道路下穿高速鐵路工程為背景，對不同距離、不同挖深、不同封閉式路塹節(jié)段的基坑施工過程進行了數(shù)值分析，研究了路基附加差異豎向變形與軌道的平順性。王培鑫等［8］以某緊鄰既有鐵路的基坑工程為依托，基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，分析了路基與基坑的變形規(guī)律、豎向變形原因和控制措施。劉玉恒等［9］針對大連某位于鐵道鄰近位置的地下管廊基坑開挖工程，采用了有限差分軟件對基坑的開挖和支護進行了數(shù)值模擬，研究了支護結構變形與周圍地層位移等問題。

綜上，鄰近鐵路的基坑開挖會使既有鐵路產(chǎn)生相應的附加豎向變形與水平變形，鐵路變形規(guī)律與基坑距鐵路的距離、基坑開挖規(guī)模、基坑支護方式等密切相關，采取有效的基坑支護措施，可以明顯減小鐵路的附加變形。工程項目、工程地質(zhì)條件的不同，使得基坑開挖引起的鐵路變形特征差異迥然［10-11］。據(jù)此，為確保北京市一長大深基坑的施工安全以及鄰近城際鐵路的運營安全，本文采用FLAC 3D軟件建立三維數(shù)值模型，對基坑鉆孔樁的施工過程、基坑的開挖過程以及建筑荷載的施加進行數(shù)值模擬，分析城際鐵路的豎向及軌向變形特征，為實際施工提供科學依據(jù)。

1 工程背景

北京一棚戶區(qū)改造項目位于東城區(qū)南二環(huán)外，北側鄰近京津城際鐵路，該區(qū)間鐵路主要以路基形式通過。路基基床由表層和底層組成，表層厚度0.4 m，底層厚度2.3 m，基底采用夯實碎石樁與CFG樁處理，如圖1所示。該項目1標基坑深度為13.72～15.07 m，基坑邊緣與京津城際鐵路坡腳最近距離約為18.9 m，主要采用鉆孔樁+預應力錨桿的支護形式。該項目2標基坑深度約為4.5 m，主要采用土釘墻坡面防護。

圖1 京津城際鐵路示意

研究區(qū)域位于古金溝河和古漯水河河間地塊范圍內(nèi)，屬于平原地貌。依據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、工程地質(zhì)鉆探揭示，工程區(qū)范圍內(nèi)的土層近水平分布，由地表向下可分為人工填土層、第四級全新世沖洪積層、第四級晚更新世沖洪積層三大類，巖土性質(zhì)可分為雜填土、粉質(zhì)黏土、粉細砂、卵石。

2 計算模型及參數(shù)

2.1 計算模型

2.1.1 鉆孔樁模型

考慮鉆孔樁直徑與基坑的尺寸關系，為更好地體現(xiàn)鉆孔開挖后的孔壁變形特征，選取城際鐵路距離基坑最近的里程段落JJK3+200—JJK3+212.8建立鉆孔樁的局部三維數(shù)值模型，見圖2，用于計算鉆孔樁開挖過程的巖土變形特征。土體及鉆孔樁均采用實體單元模擬，鋼護筒采用shell單元模擬。計算模型尺寸為12.8 m×112.3 m×60.0 m。模型共劃分了170 290個單元，109 527個節(jié)點。

圖2 鉆孔樁三維數(shù)值模型

2.1.2 整體模型

整體模型用于計算基坑開挖過程及施加建筑荷載后的巖土變形特征。土體采用實體單元模擬，土釘墻坡面防護采用shell單元模擬，鉆孔樁采用pile單元模擬，錨索采用cable單元模擬，見圖3。考慮尺寸效應，基坑四周及底部向外各延伸3倍基坑最大開挖深度，模型尺寸為671 m×245 m×60 m，計算范圍完全滿足計算精度的要求。模型共劃分了795 463個單元，516 986個節(jié)點。

圖3 整體三維數(shù)值模型

2.2 計算參數(shù)及邊界條件

本構模型采用Mohr-Coulomb模型。依據(jù)土工試驗報告確定土層相關力學參數(shù)，其中土的壓縮模量考慮其深度，選擇對應壓力段的壓縮模量，既有京津城際鐵路地基采用面積置換法確定復合加固區(qū)的彈性模量。計算參數(shù)見表1。模型邊界條件為：模型四周約束法向位移，模型底部為三個方向固定的位移邊界條件，地面及其以上采用自由邊界條件。

表1 計算參數(shù)

3 計算結果

3.1 鉆孔樁施工對路基變形影響

3.1.1 孔壁無防護措施

孔壁無防護措施工況下，孔口雜填土段最大豎向變形為1 861.3 mm，最大水平變形為1 812.8 mm，見圖4，計算無法收斂，孔壁已經(jīng)坍塌。

圖4 孔口雜填土段變形（單位：m）

3.1.2 鋼護筒護壁

鉆孔全長鋼護筒護壁工況下，孔壁豎向變形可以忽略不計，孔壁水平變形小于0.2 mm，見圖5，鋼護筒很好地發(fā)揮了護壁作用。

圖5 鉆孔全長鋼護筒護壁時孔壁變形（單位：m）

鉆孔樁開挖后，鄰近城際鐵路路基豎向變形與軌向變形值均小于0.1 mm，可以忽略不計，見圖6。這說明鉆孔樁的開挖對鐵路路基無影響。

圖6 鉆孔樁開挖后路基的豎向、軌向變形（單位：m）

3.2 基坑開挖對路基變形影響

基坑開挖后，城際鐵路路基最大豎向變形為1.3 mm，最大軌向變形為3.7 mm，見圖7，且靠近1標基坑附近的路基變形較大。

圖7 基坑開挖后路基的豎向、軌向變形（單位：m）

基坑開挖后，路基豎向、軌向變形監(jiān)測曲線見圖8。可知：路基豎向變形最大值出現(xiàn)在里程JJK3+600附近，為1.3 mm，且下行線豎向變形大于上行線；軌向變形最大值出現(xiàn)在里程JJK3+200附近，為3.4 mm。

圖8 基坑開挖后路基豎向、軌向變形監(jiān)測曲線

下行線、上行線10m弦長豎向差異變形最大值均為0.6 mm。下行線、上行線10 m弦長軌向差異變形最大值均為0.4 mm。

3.3 建筑荷載對路基變形影響

施加建筑荷載后，鐵路路基最大豎向變形為1.9 mm，最大軌向變形為4.7 mm，見圖9，且靠近1標基坑附近的路基變形較大。

圖9 施加建筑荷載后路基豎向、水平變形（單位：m）

施加建筑荷載后，鐵路路基豎向、軌向變形監(jiān)測曲線見圖10。可知：路基豎向變形最大值出現(xiàn)在里程JJK3+600附近，為1.5 mm，且下行線豎向變形大于上行線。路基軌向變形最大值出現(xiàn)在里程JJK3+200附近，為4.7 mm。

圖10 施加建筑荷載后路基豎向、軌向變形監(jiān)測曲線

下行線、上行線10 m弦長豎向差異變形最大值分別為0.7、0.6 mm。下行線、上行線10 m弦長軌向差異變形最大值均為0.8 mm。

4 模型驗證

由于現(xiàn)場施工及監(jiān)測尚未開展，為驗證數(shù)值模擬結論，選取相似工程的研究結論進行對比分析。選取的工程位于京津冀地區(qū)鄰近既有高速鐵路路基的基坑，地層以粉質(zhì)黏土、粉土為主，基坑距離既有高速鐵路線位中心約52 m，基坑沿線路方向長度約133 m，基坑最大開挖深度為11.65 m，基坑采用樁錨支護體系支護，既有高速鐵路路基采用CFG樁加固［4］，與本項目較相似。該項目數(shù)值分析中，高速鐵路路基最大豎向變形為1.73 mm，軌向變形為3.35 mm，根據(jù)施工過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)，路基最大豎向變形為1.90 mm，最大軌向變形為3.00 mm。誤差均不超過0.4 mm，數(shù)值分析可以較好地反應基坑開挖過程中鄰近路基的變形情況。該工程基坑采取的支護措施、高速鐵路路基地基處理形式與本工程基本一致，且最大變形及規(guī)律較接近，軌向變形大于豎向變形，樁錨支護體系能較好地控制鄰近高速鐵路路基變形。

5 結論與建議

1）鉆孔樁孔壁無防護措施工況下，鉆孔變形過大，存在塌孔風險。采用鋼護筒護壁后，鉆孔變形值可忽略不計，且對鄰近鐵路路基變形無影響。建議實際施工時采取必要的孔壁防護措施。

2）基坑開挖后，既有京津城際鐵路發(fā)生的豎向變形最大值為1.3 mm，軌向變形最大值為3.4 mm。10 m弦長豎向、軌向差異變形最大值分別為0.6、0.4 mm。變形值及差異變形值均滿足相關規(guī)范要求。

3）施加建筑荷載后，既有京津城際鐵路發(fā)生的豎向變形最大值為1.5 mm。軌向變形最大值為4.7 mm。10 m弦長豎向、軌向差異變形最大值分別為0.7、0.8 mm。變形值及差異變形值均滿足相關規(guī)范要求。

4）基坑開挖后以及施加建筑荷載后，路基最大豎向變形均分布在JJK3+600附近，路基最大軌向變形分布在JJK3+200附近，建議實際施工時加強附近區(qū)域的變形監(jiān)測。