深基坑開挖對鄰近鐵路路基變形的影響

儲成伍

（中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071）

隨著我國城市建設的快速發展和對土地資源的需求不斷提高，基坑工程尤其是深基坑日益增多。深基坑工程具有施工風險高、環境影響大的特點，已有許多學者通過數值模擬、實測數據分析等手段研究了其對周邊土體和建（構）筑物的影響規律［1-4］。

當深基坑鄰近既有鐵路時，鐵路荷載會對基坑圍護結構受力產生不利影響，石鈺鋒等［5］對此進行了實測，得到了圍護結構的變形與內力規律，為基坑設計提供指導。但相反，基坑施工會引起周邊土體位移改變，導致鄰近鐵路基床產生水平與豎向變形，反映到軌面即產生幾何不平順［6］，當不平順超過一定限值，勢必威脅鐵路的安全運營。而鐵路基床變形受基坑大小、深度、地質條件等影響顯著，難以獲得確定的表達式，一般只能通過數值方法評估，以實測加以佐證。

關于基坑施工對鄰近鐵路路基的影響已有許多研究成果。王培鑫等［7］通過分析一近鄰鐵路的深基坑監測數據，發現在坡頂進行雙液注漿能夠控制地表與路基沉降，減少后續開挖施工對鐵路路基的影響。秦開顏、羅錕等［8-9］將理論計算或數值計算與實測數據相結合分析了基坑開挖對既有線路基的影響，后者還分析了列車荷載的動態影響，但均為淺而小的基坑。關于深基坑的三維有限元分析與實測數據相結合的研究鮮見報道，張新東［10］的研究有所涉及，但其重點關注了列車動荷載與基坑自身安全上。

本文以一鄰近滬昆鐵路深基坑工程為背景，通過三維有限元數值模擬，評估基坑方案對鄰近鐵路路基變形的影響，并基于實測數據分析路基變形規律，提出施工注意事項，為類似工程的設計施工提供參考。

1 工程概況

本工程涉及某人行地下通道與一下沉廣場協同建設，地下通道以箱涵頂進形式下穿滬昆鐵路，再以一段明挖段過渡至矩形盾構段。明挖段大體與下沉廣場重合，小部分以標準連接段與下沉廣場和頂進箱涵對接，如圖1所示。

圖1 工程平面示意

根據工程籌劃，通道工程首先實施矩形盾構接收井（一期），隨后進行矩形盾構的頂進施工（二期），盾構接收完成后再進行下沉廣場基坑開挖回筑施工（三期）。最后標準連接段基坑施工（四期）須與下穿鐵路箱涵頂進施工緊密結合，充分利用鐵路便梁加固期間進行基坑開挖。

圖2 下沉廣場基坑平面示意

擬建場地地勢總體較為平坦，場地地面高程在4.35 ～4.85 m（孔口標高）。擬建工程地貌單元為濱海平原地貌類型。根據勘察資料顯示，擬建場地內分布的土層自上而下可劃分為七大層及若干亞層，其中①1層為人工堆填，②3層～⑤1層為全新世Q4 沉積層，⑥層～⑦2層為晚更新世Q3沉積層，各土層主要物理力學參數見表1。

表1 場地土層物理力學參數

1.1 與滬昆鐵路相對位置關系

滬昆鐵路為雙線電氣化鐵路，國鐵Ⅰ級。本工點位于封浜站—七寶站區間，南北走向直線段，線間距約5.17 m，碎石道床結構。

本工程相對復雜，為減少不確定因素干擾，本文僅分析下沉廣場基坑對滬昆鐵路路基的變形影響。下沉廣場西側距離滬昆鐵路下行線路基坡腳最近處約9.97 m，距離鐵路下行線中心線最近約15.54 m。雖然通道標準連接段西側緊鄰鐵路路基，但實際施工中，在鐵路實施箱涵頂進期間，標準連接段會同步施工，并在箱涵頂進到位后、路基恢復前加快基坑開挖并完成支撐架設，本文不作考慮。盾構接收井邊緣距離滬昆鐵路下行線中心線距離已超過40 m，也不作考慮。

1.2 基坑方案

下沉廣場基坑東、西、南三邊垂直，北側為一折角斜邊，基坑平面尺寸約為51.6 m × 44.9 m，按開挖深度可分為三級，如圖2 所示。北側一級淺坑開挖深度約1.35 m，采用1∶1.5放坡開挖。

北側二級淺坑開挖深度約5.8 m，局部開挖深度約7.4 m，采用φ800@1000 鉆孔樁圍護+雙排φ800@500旋噴樁止水，插入比約2.08，樁底位于④淤泥質黏土中，豎向設一道混凝土支撐（800 mm×800 mm）。

南側深坑開挖深度約12.25 m，采用800 mm 地下連續墻圍護，插入比約1.36，墻底位于⑥粉質黏土中，豎向設三道混凝土支撐（800 mm × 800 mm + 兩道1000 mm × 800 mm）和一道鋼斜拋換撐（φ609，t16）。同時為控制圍護結構變形，南側深坑采取坑內土體加固措施。基坑東、西兩側設6.45 m 寬三軸攪拌樁裙邊加固，東側加固范圍為自第三道支撐下方至坑底以下5 m，西側（滬昆鐵路側）為自第二道支撐下方至坑底以下5 m；基坑南、北兩側設4.05 m 寬攪拌樁裙邊加固，加固范圍為坑底以下4 m。

北側二級淺坑與南側深坑擬同時開挖，深淺坑分界處高差6.45 m，采用φ800@1000 鉆孔樁圍護+φ850@600 三軸攪拌樁止水，插入比約1.58，樁底位于⑤1 黏土中，豎向設2 道混凝土支撐（1000 mm ×800 mm）+1道鋼斜拋換撐（φ609，t16）。

考慮到本基坑寬度較大且形狀較不規則，為降低風險，采用鋼筋混凝土全對撐體系，支撐平面間距6.0 ～7.0 m。此外基坑東南角支撐直接作用于已建接收井的西、北兩側圍護樁上。已建接收井內部設置相應的傳力體系以平衡下沉廣場基坑的各道支撐軸力。

2 鐵路路基變形數值模擬

2.1 模型建立

采用有限元計算軟件Plaxis 3D 對下沉廣場基坑開挖與主體結構回筑過程進行數值模擬，分析其對滬昆鐵路路基的變形影響。模型中對巖土體、鐵路路基與道床采用土體硬化本構模擬，對圍護結構、主體結構等鋼筋混凝土結構采用線彈性本構模擬。將鉆孔樁按抗彎剛度等效換算，與地連墻、箱涵、主體結構等一起用板單元構建，支撐及格構柱采用梁單元構建，地基加固采用復合地基法等效模擬。模型沿x，y，z三個方向的尺寸分別為115，105，65 m，其中x為垂直鐵路方向，y為沿鐵路方向，z為豎向，如圖3所示。

2.2 工況劃分

根據工程具體情況，在有限元模擬中劃分了8 個工況。

圖3 有限元計算模型

工況1：圍護結構施工及坑內土體加固。

工況2：下沉廣場北側一級淺坑放坡開挖1.35 m，北側二級淺坑及南側地下二層深坑范圍開挖到第1道支撐下方0.5 m。

工況3：北側二級淺坑及南側地下二層深坑范圍施作第1道支撐，北側二級淺坑開挖到坑底，南側地下二層深坑開挖到第2道支撐下方0.5 m。

工況4：北側二級淺坑澆筑結構底板，南側地下二層深坑施作第2 道支撐，開挖到第3 道支撐下方0.5 m。

工況5：南側地下二層深坑施作第3 道支撐，開挖到坑底。

工況6：南側地下二層深坑澆筑結構底板，拆除第3道支撐，施作結構側墻并架設斜拋撐。

工況7：南側地下二層深坑拆除第2 道支撐，施作結構側墻及中板。

工況8：北側二級淺坑及南側地下二層深坑拆除第1道支撐，施作結構側墻及頂板。

2.3 模擬結果

根據上述施工過程模擬計算，選取距離基坑較近的滬昆鐵路下行線作為分析對象，下行線基床頂面中心線距離下沉廣場基坑西側15.54 m。

基床頂面中心線累計豎向位移見圖4（a），以下沉廣場基坑南側延伸線與基床頂面中心線交點作為原點，橫軸正向表示向北，負向表示向南，縱軸正值表示隆起，負值表示沉降。垂直鐵路軸線方向的水平位移見圖4（b），以下沉廣場基坑南側延伸線與基床頂面中心線交點作為原點，橫軸正向表示向北，負向表示向南，縱軸正值表示向基坑的一側位移（東），負值表示背離基坑位移（西）。

由圖4可知：下沉廣場基坑施工過程中，引起的鐵路路基變形持續增大。主體結構施作完成時（工況6—工況8），滬昆鐵路下行線基床頂面中心線最大累計豎向位移為5.98 mm，最大累計橫向水平位移為3.80 mm。其中，基坑開挖（工況2—工況5）引起的路基豎向位移為4.16 mm，橫向水平位移為2.68 mm。從曲線形態來看，路基變形主要受南側深坑影響，北側淺坑范圍內路基變形較小。總體而言，根據鄰近鐵路基坑工程經驗，非道岔區的路基橫向水平與豎向位移應控制在10 mm 以內，因此本工程所采取的基坑方案可以保證滬昆鐵路路基豎向、橫向水平位移滿足控制要求。

圖4 基床頂面中心線累計位移

3 鐵路路基變形實測分析

前文通過數值計算分析明確了本工程所采取的基坑方案對滬昆鐵路影響可控，但一方面計算存在假定條件且對施工的模擬較為理想化，另一方面實際施工中存在潛在隱患，考慮到滬昆鐵路處于運營狀態，必須對鐵路進行實時監測。

3.1 監測方案

根據規范要求并結合本工程特點，監測布點如圖5 所示，包括滬昆鐵路鄰近基坑范圍內28 個線路和路基橫向水平、豎向位移監測點。

圖5 監測點布置示意

3.2 監測報警值

根據有砟鐵路線路的相應規范、規程及工程經驗，涉鐵工程施工引起的鐵路路基橫向水平與豎向位移監測警戒值為：24 h 內預警值±1.5 mm，報警值±2.0 mm，施工期累計變化量控制在±10 mm以內。

3.3 監測數據分析

由于數值模擬中未考慮軌道結構，計算結果為路基頂面的變形情況，因此選取鄰近下沉廣場的路基位移監測點B8—B14 進行分析，路基不同位置處實測位移見圖6。

圖6 鐵路路基實測位移

由圖6 可知，下沉廣場基坑施工期間引起鐵路基床頂面邊緣位置豎向位移最大值為6.55 mm，橫向水平位移最大值為3.82 mm。

工況5各測點最終實測變形量與計算的累計變形量見圖7。可知：沿線路縱向的路基豎向位移與橫向水平變形曲線在形態上吻合較好，但在測點B8處相差較大。這主要受北側二級淺坑高壓旋噴樁止水帷幕施工所致，圖6 中2018年4月19日的數據異常也反映了這一點，原因是高壓旋噴樁較大的施工壓力引起股道產生反向的水平位移和豎向位移。后續施工中對高壓旋噴樁實施壓力控制，路基變形有所恢復，同時保持機械施工與鐵路相對30 m 以上距離施工，未再出現預警及報警情況。

圖7 不同位置處路基變形量的計算值與實測值

4 結論與建議

本文通過數值模擬與實地監測分析了深基坑開挖對鄰近鐵路的影響規律，主要成果如下：

1）經數值計算，下沉廣場基坑施工引起滬昆鐵路下行線基床頂面中心線最大累計豎向位移為5.98 mm，最大累計橫向水平位移為3.80 mm，均滿足普速鐵路變形控制要求，基坑方案可行。

2）監測數據表明，下沉廣場基坑施工引起的鐵路基床頂面邊緣位置豎向位移最大值為6.55 mm，橫向水平位移最大值為3.82 mm。鐵路所受影響可控，基坑工程設計方案合理。

3）監測數據表明，高壓旋噴樁鄰近鐵路施工對路基變形影響顯著，設計時宜控制高壓旋噴樁距離鐵路30 m以上，施工時須采取有效的控壓措施。

4）對于鄰近鐵路的深基坑，須加強圍護結構與支撐體系設計，并采取可靠的止水措施避免坑外地下水下降；宜根據地層條件進行合理的坑內被動區土體加固，包括坑底以上土體。