深基坑施工對鄰近鐵路路基的影響分析

王舜堯WANG Shun-yao

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

0 引言

隨著交通建設項目越來越多，大量新建工程的基坑常常位于鐵路保護區范圍以內。基坑開挖是一個卸荷的過程，使得鐵路線下的土體區域受力平衡被打破，基坑的開挖勢必會對周圍鐵路設施設備造成重大影響，乃至線上軌道結構產生附加沉降和水平變形影響[1～4]，特別是在軟土地區，由于粉土和軟黏土的土體壓縮模量和地基承載力較低，導致軟土地區修建的鐵路更易受到基坑工程施工的影響[5～7]。因此必須準確評估其施工過程及施工順序對鐵路路基以及軌道結構的影響，合理優化基坑防護設計、施工工藝，以避免影響鐵路運營的安全性和舒適性。

本文以廊坊地區上跨鐵路立交橋工程為背景，運用Midas-GTS 軟件建立分析模型，對鄰近鐵路不同隔離樁樁徑、不同挖深的基坑施工過程進行了數值分析，分析施工過程對既有鄰近鐵路的影響，提出了基坑支護方案和應急預案。在施工過程中對基坑支護結構進行監測，監測結果表明根據數值分析結果提出的基坑支護方案是合理可行的，支護結構的監測數據滿足要求，可為類似工程的施工提供參考。

1 工程概況

1.1 概況

廊坊市光明道與京滬高鐵和既有京滬鐵路斜交，斜交角度分別為32.9°和31.4°。本橋主橋橋式方案擬采用曲線上加勁弦變高連續鋼桁梁方案，主橋跨度布置為（118+268+118）m，其中主跨268m 上跨既有京滬鐵路（四股道）、京滬高鐵（六股道），采用轉體法施工。

1.2 工程地質

擬建場地巖土層主要分為四大層：第一層為第四系人工堆積層，第二層為第四系全新統新近沉積層，第三層為第四系全新統沖積層，第四層為第四系上更新統沖積層。（表1）

表1 巖土物理力學參數建議取值

1.3 測點布置

基坑支護樁頂水平位移監測和沉降監測共用變形觀測點，布置于基坑支護樁樁頂對應冠梁頂面處；土體深層水平位移布置在基坑每個邊中間位置；鋼管支撐應力監測布置在鋼管支撐跨中截面，每個截面布置上下各1 個測點；鐵路防護墻垂直位移監測布置離基坑12m 的周邊，每個周邊布置2 個點，具體位置如圖1、圖2。

圖1 普鐵側圍墻監控測點圖

圖2 普鐵側支護樁頂監控測點圖

2 控制標準

基坑施工對既有鐵路的影響分析一般從結構及附屬設施變形、結構強度及穩定性等方面來考慮，且一般采用變形作為主要控制指標。

《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》（TB 10314-2021）中7.2.1 條對鐵路運營設備設施監測預警值、報警值和控制值進行了規定。本文列出與本文有關的普速鐵路軌道和路基變形的要求，見表2。

表2 軌道和路基位移變形監測預警值、報警值和控制值（mm）

《建筑基坑工程監測技術標準》（GB 50497-2019）中第8.0.4 條規定：基坑及支護結構監測預警值應根據基坑設計安全等級、工程地質條件、設計計算結果及當地工程經驗等因素確定。控制基準值，預警值統計見表3。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

三維有限元模型中土體、路基、冠梁、承臺及橋墩采用實體單元模擬，樁基礎采用樁單元模擬，接觸部位建立界面摩擦單。模約束了豎向面的水平變形和底面的豎向變形。考慮鐵路路及結構的自重，以及新建工程的主要工況與荷載。（圖3）

圖3 三維有限元模型

3.2 施工工況模擬

本文針對主要施工工況分析研究，計算工況為：工況一：防護樁；→工況二：防護樁冠梁；→工況三：高壓旋噴樁；→工況四：基坑開挖-1；→工況五：基坑開挖-2；→工況六：基坑底墊層施工；→工況七：基礎施工；→工況八：基坑回填；→工況九：主墩施工；→工況十：主梁支架施工→工況十一：主墩拆支架→工況十二：成橋狀態。

4 計算與實測結果

4.1 不同隔離樁樁徑和基坑深度對比分析

本文主要研究了21 號主墩基坑不同的開挖深度、不同隔離樁樁徑及承臺底部加固的施工順序對貨場西牽出線路基結構（以下簡稱路基結構）豎向和橫向位移的影響。圖4～圖5 給出了開挖深度10m 時，基坑采取兩種隔離樁樁徑情況下，路基結構距離基坑最近點的豎向和橫向位移的變化情況，圖6～圖7 給出了開挖深度8m 時，基坑采取兩種隔離樁樁徑情況下，路基結構距離基坑最近點的豎向和橫向位移的變化情況。

圖4 距離基坑最近路基結構豎向位移圖

圖5 距離基坑最近路基結構橫向位移圖

圖6 距離基坑最近路基結構豎向位移圖

圖7 距離基坑最近路基結構橫向位移圖

從圖4～圖7 可以看出，①在施工隔離樁和冠梁時，路基結構發生沉降，基坑開挖時，路基結構呈現出上浮，隨著基礎、橋墩及主梁的施工，路基結構呈現出沉降。②在施工隔離樁和冠梁時，路基結構橫向位移向基坑側發生變形，基坑開挖時，由于卸載土體發生回彈，路基結構呈現向遠離基坑側變形的情況，隨著基礎、橋墩及主梁的施工，路基結構橫向位移呈現出向基坑側變形。③隨基坑開挖深度的增加，路基結構豎向和橫向位移均隨之增大。④隔離樁樁徑的增大，路基結構豎向和橫向位移均隨之減小。⑤兩種基坑深度及隔離樁樁徑，路基結構豎向和橫向位移計算結果均滿足表2 的要求。由于鄰近鐵路營業線施工屬于高危工程，因此綜上研究的結果，在滿足設計要求的前提下，推薦采用基坑開挖深度8m 和直徑Φ1.5m 的隔離樁。

4.2 實測數據分析（圖8-圖10）

圖8 21 號墩基坑冠梁豎向位移累計值變化曲線圖

圖9 21 號墩基坑冠梁X 方向水平位移累計值變化曲線圖

圖10 21 號墩基坑冠梁Y 方向水平位移累計值變化曲線圖

結果分析：①對于21 號墩基坑冠梁豎向位移監測，自20 年10 月10 日開始監測至21 年3 月4 日結束監測，期間監測數據最大值向上為0.78mm，向下為2.12mm，各監測點監測數據在一定范圍內圍繞理論值波動，累計沉降值未超過黃色預警值10.5mm。②對于21 號墩基坑冠梁水平位移監測，自20 年10 月10 日開始監測至21 年3 月4 日結束監測，期間監測數據X 方向變化最大值為3.51mm，Y方向變化最大值為4.10mm，各監測點監測數據在一定范圍內圍繞理論值波動，累計水平位移未超過黃色預警值7.6mm。綜上所述，通過綜合分析21 號墩基坑各項監測數據，可得出結論，在基坑施工期間，各項監測數據未達到預警值且未出現數據突變現象，基坑施工安全可控。

5 結束語

本文以廊坊地區上跨鐵路立交橋工程為實例，運用Midas-GTS 軟件建立三維數值分析模型，對鄰近鐵路不同隔離樁樁徑、不同挖深的基坑施工過程進行了數值模擬，并對整個施工過程進行了監測監控，主要得到以下結論：

①基坑開挖深度越大，鐵路路基變形越大；鄰近基坑的不同位置鐵路路基表現出不同的變形特點，距離基坑越近變形越大，鐵路路基水平位移整體表現出向基坑內傾斜的趨勢。②21 號墩基坑冠梁在監測期間，豎向位移最大值向上為0.78mm，向下為2.12mm，各測點監測數據在一定范圍內圍繞理論值波動，累計沉降值未超過黃色預警值10.5mm。③21 號墩基坑冠梁在監測期間，水平位移監測數據X 方向變化最大值為3.51mm，Y 方向變化最大值為4.10mm，各測點監測數據在一定范圍內圍繞理論值波動，累計水平位移未超過黃色預警值7.6mm。④在基坑施工期間，各項監測數據未達到預警值且未出現數據突變現象，基坑施工安全可控。