緊鄰既有線路基深基坑支護結構變形影響因素分析

梁 棟，白 皓，劉 寶，徐海銘，王武斌

(1. 四川高速公路建設開發總公司，四川成都610041；2.西南交通大學土木工程學院，四川成都610031)

隨著我國公路、鐵路路網密度的提高，在路線的設計中不可避免地出現許多跨線橋基礎承臺必須緊鄰或侵入相鄰鐵路、公路的路基邊坡。承臺基坑的開挖將會導致原有路基的穩定狀態[1]。使路基的平衡狀態遭到破壞，產生側向滑移的可能性[2-3]。特別是在既有鐵路路基旁進行承臺基坑的開挖，由于列車荷載較大，可能會產生路基失穩和較大的變形[4-7]，甚至造成嚴重的交通事故。因此有必要對既有路基旁或侵入路基邊坡處基坑開挖時基坑和路基整體的穩定性與變形規律進行分析[8]。結合某高速公路特大連續梁橋基礎施工中承臺基坑的開挖，利用MIDAS/GTS軟件[9]建立平面分析模型，針對不同的基坑開挖深度、基坑距既有路基坡腳的距離變化、基坑開挖的尺寸大小、支護樁的嵌固深度、支護樁的剛度進行數值模擬，揭示基坑開挖變形的機理和主要影響因素，提出的變形規律可以為類似的工程設計支護提供參考。

1 模型建立和參數選取

1.1 數值模型的建立

將模型簡化為平面應變模型，在模型中假定模型縱向為單位長度，具體尺寸如圖1所示。土體的本構關系采用莫爾—庫倫模型，支護樁單元采用梁單元進行模擬。鐵路為單線路基，路基面寬7.8 m，列車豎向活荷載采用我國鐵路標準荷載，將軌道靜載和列車活載一起換算成為與路基土重度相同的矩形土體。查表得換算荷載強度59.7 kN/m，分布寬度為3.7 m。計算模型如圖2所示。

圖1 計算模型示意 (單位：m)

圖2 數值計算模型

(1)根據已有研究，基坑開挖的影響范圍大致為基坑深度的2～3倍。為了消除邊界效應，模型尺寸不宜過小，但同時為了提高計算效率，模型單元數又不宜過多。因此，在Y軸方向上模型邊緣距基坑的短邊方向為2倍左右的開挖深度；在X方向上模型邊緣距基坑為3倍左右的開挖深度。

(2)邊界的設置：在求解之前，需要對模型中土體的邊界進行約束。在邊界條件處理的問題上，本文在自重和增加列車荷載解析時，采用了在底部邊界X方向和Y方向的兩側邊界為固定邊界，即位移為0，左右邊界為水平固定約束，其余為自由邊界。

(3)基坑的開挖模擬采用MIDAS/GTS中的施工階段分析工況進行求解，通過開始階段的位移清零、單元的激活和鈍化進行開挖階段的模擬。土的抗剪強度采用固結快剪指標。

1.2 模型的參數

模型參數包括土體模型參數和支護結構參數，分別如表1和表2所示。

2 基坑支護結構變形影響因素分析

影響基坑支護結構變形的因素很多，如路基高度、列車荷載、基坑距路基坡腳的距離、開挖深度、基坑平面尺寸大小、支護樁的嵌固深度、剛度等。總體而言，本工點影響支護結構變形的因素主要可以分為三大類：路基自身與列車荷載、基坑與路基的相對位置、基坑尺寸與支護情況。

表1 土體模型計算參數

注：采挖范圍內無地下水。

表2 支護樁的計算參數

2.1 路基高度的影響

以基坑距離路基坡腳的距離為3 m、開挖深度為4 m為例，分析路基填筑高度對基坑支護結構水平位移的影響，其變化規律如圖3所示。

從圖中可以看出，路基高度的增加使基坑上部荷載增大，基坑支擋結構水平位移變量增長較為明顯的線性變化規律。因此，在緊鄰高填方路堤基坑開挖方案設計時，要準確計算路基高度的影響；在進行高填方路堤旁基坑開挖時，一方面應該選擇強度和剛度足夠大的支護體系，另一方面要進行全過程變形監控與預警，以保證高路基的變形在可控制的范圍內。

(a)水平位移分布 (b)水平位移分布圖3 水平位移隨路基高度的分布與變化

2.2 列車荷載的影響

基坑開挖后，將造成土體的卸載，土體向基坑內移動，引起支護結構的變形。列車荷載的出現相當于增加了基坑旁載，將加劇支擋結構橫向變形，甚至引起垮塌事故。以基坑距離路基坡腳的距離為3 m、開挖深度為4 m為例，分析有無列車荷載對基坑支護結構水平位移的影響，其變化規律如圖4所示。

圖4 有無列車荷載時的水平位移對比

從圖4中水平位移的沿樁身的分布情況可以看出列車荷載對變形的影響十分明顯，使支護結構變形量約增大了1倍。所以在鄰近路基處進行基坑開挖，必須準確計入列車荷載的影響，在設計工況中要計算列車荷載引起的附加土壓力，從而保證支護體系的設計合理性、路基與基坑的安全性。

2.3 基坑開挖深度的影響

基坑開挖使路基旁出現臨空面，影響路基的穩定性和變形分布，確定開挖深度的影響規律可為支護結構設計提供參考。以基坑距路基坡腳為3 m為例，基坑支護結構的變化規律如圖5所示。

(a)水平位移分布 (b)水平位移分布圖5 不同開挖深度時的水平位移

從圖5可以看出隨著開挖深度的增加，支護結構變形不斷增加，兩者近似呈二次方關系。當基坑的開挖深度超過4 m時，基坑支護結構的變形速率急劇增加，對基坑的變形產生了極大的影響。因此，在基坑開挖深度超過4 m時，可選擇雙排樁、錨索樁、橫向支撐等合理的支護體系，以控制基路基變形。

2.4 基坑平面開挖尺寸的影響

基坑平面開挖尺寸是指基坑的橫向寬度，它反映了基坑的土石方開挖量，主要影響支護樁錨固段樁前的抗力大小與分布。以開挖深度為5 m、水平間距相同為例，不同基坑尺寸(即寬度)時的結構變形分布與變化規律如圖6所示。

(a)水平位移分布 (b)水平位移分布圖6 不同開挖尺寸時的水平位移

從圖6可以看出，基坑開挖寬度越大，基坑的變形位移越大，兩者基本上呈線性變化規律。因此，在實際工程中，基坑的幾何形狀和尺寸將由建筑物的整體規劃而確定，因此該影響因素對基坑變形的影響在施工圖設計與施工工作開展前要判定，選擇合理的基坑開挖尺寸及幾何形狀。

2.5 不同水平間距的影響

當基坑與既有路基保持足夠距離時可忽略兩者的相互影響，隨著間距減小兩者的影響不斷加劇。以基坑開挖深度為6 m為例，不同水平間距時支護結構水平位移分布與變化規律如圖7所示。

(a)水平位移分布 (b)水平位移分布圖7 不同水平間距時的水平位移

由圖7可知，基坑距既有路基坡腳的距離越大，基坑的水平位移就越小，兩者基本呈二次方規律遞減。可以預測本工況下水平距離超過10 m后基坑開挖對支護結構變形的影響可以忽略。

2.6 支護結構剛度的影響

支護結構剛度與支護結構形式、支護樁樁徑、樁身材料強度等級等有關。本節主要分析單排支護樁剛度對支護結構變形的影響規律，在樁身混凝土強度等級一定時，支護樁直徑越大，其橫向抗變形剛度就越大。支護樁水平位移隨樁徑的變化與變化率如圖8所示。

(a)水平位移分布 (b)水平位移分布圖8 支護樁樁徑與樁頂位移的關系

從圖8可以看出樁頂水平位移隨支護樁樁徑增加呈二次方規律遞減，且當樁徑大于1 m后這種趨勢就不再明顯。增大支護樁剛度可以有效地減小支護結構的水平位移，但其作用效果隨著剛度的增大逐漸減弱，因此設計時需要合理選擇支護類型。

2.7 支護結構埋深的影響

支護結構埋深反應了支護樁的錨固深度，其影響支護樁樁前的抗力作用范圍。在同一計算工況下，分別計算不同樁基長度下支護樁樁頂的變形，如圖9所示。

(a)水平位移分布圖 (b)水平位移分布圖圖9 樁埋深對基坑位移影響分析

從圖9可以看出在錨固深度較淺時，支護樁樁頂位移極大，隨著深度的增加樁頂位移呈二次方規律減小，當錨固深度達到8 m時樁長因素導致抗變形能力不再明顯。因此，設計時應該結合安全和經濟兩方面的因素，合理選擇樁基長度。

3 結論

(1)路基及列車荷載增大了基坑旁載，路基高度與基坑支擋結構水平位移呈線性關系，列車荷載使支護結構變形量約增大了1倍，因此在鄰近路基處進行基坑開挖時，必須準確計入路基高度和列車荷載的影響。

(2)基坑的開挖深度和寬度可改變支護樁樁前抗力的大小與分布，從而影響支護樁的變形，基坑的開挖深度超過4 m時，基坑支護結構的變形速率急劇增加，根據基坑尺寸合理選擇支護方式以保證路基穩定性。

(3)基坑與路基坡腳的水平間距與支護樁水平位移呈二次方規律遞減，當水平距離超過10 m后基坑開挖對支護結構變形的影響可以忽略。

(4)支護樁樁頂位移同樁徑與錨固深度均呈二次方規律遞減，當樁徑大于1 m或錨固深度達到8 m以后，支護結構尺寸參數對其變形影響可以不再考慮，設計時應該結合安全和經濟兩方面的因素，合理選擇支護類型與樁基長度。

[1] 郅友成.既有鐵路旁基坑開挖對高填方路堤穩定性的影響研究[J].公路交通科技, 2006,23(3):31-33

[2] 李明堂. 基坑開挖對鐵路路基安全性的影響研究[J].科技信息，2011, (5):296-298

[3] 謝青吟.基坑開挖的支護模擬[J].山西建筑，2008,19(7):88-89

[4] 羅錕，雷曉燕.滬寧城際鐵路基坑開挖對既有線動態影響分析[J].鐵道工程學報，2010, (9):5-8

[5] 溫海標. 公跨鐵橋梁緊鄰鐵路的樁基承臺基坑支擋方案[J]. 路基工程, 2005, (5):70-71

[6] 高偉君, 姚燕明.列車荷載對平行于換乘地鐵車站深基坑變形影響[J]. 巖土力學, 2004, (增刊): 375-378

[7] 周兆勇, 何毅. 圍護樁在鐵路既有線施工防護中的應用[J]. 西部探礦工程, 2008,20(2): 214-216

[8] 郅友成.平原水網區既有鐵路路基旁基坑開挖穩定性影響因素分析[J].鐵道建筑, 2010,(3):67-70

[9] 帥紅巖，韓文喜，趙晉乾.MIDAS/GTS軟件在三維穩定分析中的應用[J].地質災害和環境保護，2009,20(3):105-107