緊鄰鐵路路基邊坡深基坑支護體系優化分析

沈 崢

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

0 引言

近年來，臨近鐵路營業線的基坑工程越來越多，基坑在開挖施工過程中，土方開挖會引起鐵路路基與軌道的沉降變形［1］，偏壓基坑還會引起路基與軌道的水平變形，影響軌道的平順性，繼而影響列車運營安全。

國內學者從多個角度開展了臨近營業線基坑工程的研究：張新東［2］開展了基坑施工過程中鐵路路基的安全性研究分析，總結基坑開挖過程中鐵路路基的變形及穩定性規律；楊永強［3］圍繞深基坑支護方案選型、基坑施工等關鍵技術及臨近鐵路保護措施開展研究。李明廣等［4］采用快速拉格朗日法對某大型近鐵路基坑的施工進行了三維數值模擬，揭示近鐵路深基坑開挖的變形特點。張國亮［5］研究了臨近鐵路不對稱超載基坑的支護方式優化以及其穩定性與變形規律。王連俊等［6］研究了基坑降水過程中路基的分層沉降變形規律。方浩等［7-8］研究了軟土地區基坑開挖與降水對運營高鐵路基的變形影響。詹濤等［9］針對深基坑開挖對臨近運營鐵路的變形進行了分析研究。于廷新［10］采用小應變土體硬化高級模型（HSS）進行三維數值分析緊鄰鐵路深厚淤泥層基坑支護方案選型研究。

本文以臨近既有鐵路路基邊坡的青田縣火車站管理用房基坑工程為依托，通過數值模擬的方法，分析了基坑開挖對臨近鐵路的影響，對基坑支護方案進行優化，并通過數值模擬和實測數據證明了優化方案的合理性，為今后類似工程提供經驗和借鑒［11］。

1 工程概況

1.1 基坑支護設計

基坑開挖深度為7.380 m～7.890 m，基坑長約49.1 m，寬約28.2 m。基坑支護采用φ800＠1 100 mm混凝土灌注樁+一道鋼支撐（φ609 mm×φ200 mm×δ14 mm）支護。臨近基坑的鐵路路基邊坡，邊坡高4.7 m～5.0 m，坡率1∶0.4～1∶0.5，路基邊坡側采用掛網噴混。基坑支護典型斷面見圖1。

圖1 鐵路側基坑支護典型斷面圖

1.2 鄰近鐵路概況

基坑附近為青田火車站，站內5條股道均為有砟軌道，Ⅰ道，Ⅱ道為正線，設計時速為200 km/h；3道，4道為到發線，設計時速為45 km/h；Ⅴ道為貨運線，設計時速為75 km/h。

基坑鐵路側邊線與金溫鐵路5條股道基本平行，基坑邊線距Ⅴ道中心最近為10.50 m，距3道中心最近為23.75 m，距Ⅰ道中心最近為30.25 m，距Ⅱ道中心最近為35.25 m，距4道中心最近為41.75 m。基坑與鐵路股道平面位置關系見圖2。

圖2 基坑與金溫鐵路5條股道平面位置關系

1.3 工程地質條件

擬建場地位于山前坡洪積平原，地表地形坡度較平緩。地層自上而下共分為素填土、卵石、強風化花崗巖、中風化花崗巖，各地層參數列于表1。

表1 土層物理力學參數表

2 基坑開挖數值模擬

2.1 模型建立

根據地質現狀斷面圖和空間相對位置關系，建立數值三維模型，其中基坑鐵路側對應X軸坐標為0 m～49.1 m。采用Mohr-Coulomb模型，土層物理力學參數見表1，數值模型的網格剖分見圖3。

圖3 數值計算三維模型

對圍護樁和內支撐采用線彈性本構模擬，采用梁單元構建。圍護樁和內支撐單元之間采用剛性聯接。

2.2 工況設置與模型參數

按照施工先后順序，共分為如下工況：

初始工況：施加邊界條件，生成初始應力場。工況一：施作基坑的圍護樁和冠梁，開挖內支撐底部以上土體。工況二：施作第一道支撐，開挖至基坑底部標高-7.8 m。

根據假定，初始工況和工況一圍護結構施工對土體影響可以忽略，因此確定工況二為重點工況，并進行詳細分析。

3 鐵路變形計算結果分析

3.1 鐵路軌道變形控制指標

參考國內現行規范和相同工程類比經驗及相關規范，在基坑開挖過程中，Ⅰ，Ⅱ軌道水平位移和豎向位移控制在±2 mm以內；3，4，Ⅴ軌道水平位移控制在±7 mm以內，豎向位移控制在-8 mm～+3 mm以內。

3.2 鐵路軌道變形分析

金溫鐵路5條股道水平鐵路方向（x向）位移沿鐵路變化曲線見圖4。

圖4 5條股道沿鐵路方向(x向)水平位移(一)

金溫鐵路5條股道垂直鐵路方向（y向）位移沿鐵路變化曲線見圖5。

圖5 5條股道垂直鐵路方向(y向)水平位移(一)

金溫鐵路5條股道豎向（z向）位移沿鐵路變化曲線見圖6。

圖6 5條股道豎向(z向)位移(一)

工況二下對5條股道位移進行分析得出：

在變形趨勢上，5條股道表現的變形規律基本一致。以V股道為例，對應基坑中部的股道變形最大的部位，對應基坑的兩側陰角處股道變形迅速減小。在沿鐵路走向上，從基坑中部到其陰角，變形量逐漸減小，股道的橫向水平位移和豎向位移曲線均表現出U形。針對支護結構進行分析，基坑中部，對周邊土體的限制變形能力相對較弱；基坑陰角區域，受基坑陰角及斜撐以及橫撐共同作用形成約束，能夠有效地限制周邊土體的變形。該變形規律與基坑的空間效應相適應。

結合三向位移的變化情況，5條股道（特別是Ⅴ道和3道）較大位移的部位出現在x=5 m～45 m的區間范圍內，該區段對應基坑及兩側1倍開挖深度。

從變形量最大值看，Ⅴ受影響最大，3受影響較大，Ⅰ，Ⅱ和4道較小，見表2。即隨著與基坑距離的增大，Ⅴ，3，Ⅰ，Ⅱ和4道受基坑施工的影響程度逐漸減小。

表2 原支護方案數值模擬變形量最大值統計mm

在工況二下：1）3，4，Ⅴ軌道中，Ⅴ道變形最顯著，其沿鐵路方向最大位移為-1.91 mm，垂直鐵路方向最大位移為11.83 mm，最大豎向位移為-3.92 mm，Ⅴ道的垂直鐵路方向水平位移超過變形控制值。2）Ⅰ，Ⅱ股道中，Ⅰ股道變形量相對較大，其沿鐵路方向最大位移為-0.18 mm，垂直鐵路方向最大位移為0.7 mm，最大豎向位移為-0.11 mm，各方向變化量均未超過變形控制值。

綜上可知，Ⅴ股道變形超過控制值，因此需對基坑支護方案進行優化。

4 基坑支護方案優化

4.1 基坑支護優化方案

為達到控制鐵路軌道變形的目的，需對基坑原支護方案進行優化。因為基坑緊鄰鐵路路基邊坡坡腳，空間有限，無法采用隔離樁等加強措施。擬采用措施見表3。

表3 基坑支護方案優化內容

鉆孔灌注樁施工時，可采用套打、調高泥漿相對密度、適當提高泥漿液面高度等措施提高灌注樁成孔質量、控制孔壁坍塌、減少孔周土體變形。

4.2 鐵路變形控制效果分析

通過優化基坑支護結構，變形規律與支護結構優化前的基本一致，見圖7～圖9。各股道的變形量均明顯降低，見表4。

表4 優化后支護方案數值模擬變形量最大值統計mm

圖7 5條股道沿鐵路方向(x向)水平位移(二)

圖8 5條股道垂直鐵路方向(y向)水平位移(二)

在基坑施工中工況三下，5條股道中變形量均在相應控制值范圍內。

5 路基邊坡防護措施優化

在基坑施工過程中，嚴禁開挖邊坡坡腳；對路基邊坡進行防護時，嚴禁私自削坡。

基坑施工完成后，邊坡穩定性需要滿足鐵路長期運營要求。選取最不利的邊坡斷面，坡高5.0 m，坡比1∶0.4，采用瑞典條分法對鐵路路基邊坡穩定性進行復核，計算穩定性系數為1.036，路基邊坡處于欠穩定狀態。

根據《鐵路路基設計規范》中條例：永久邊坡，一般工況邊坡最小穩定安全系數應為1.15～1.25，因此需要對該邊坡進行加固防護。

建議采用以下措施加固：在灌注樁樁頂預留出鋼筋，通過接筋等措施在樁頂依坡修建擋墻對邊坡坡腳進行加固，擋墻高2 m，厚1 m，邊坡其余部分可采用短插筋掛網防護。

擋墻加固后，邊坡難以發生沿坡腳的破壞，因此對擋墻頂部以上3 m的邊坡進行穩定性分析，計算穩定性系數為1.471。邊坡穩定性滿足規范要求。

6 優化方案實施效果

鐵路Ⅴ股道軌道變形的數值計算與實際監測成果最大值進行對比，比較結果見表5。

表5 數值計算結果與實際監測對比mm

數值計算結果與實際監測的變形量值基本一致，數值模擬所做的假設和選用的參數基本合理可靠，數值模擬能夠較好地模擬基坑開挖對鄰近鐵路的影響，為今后類似工程提供經驗和借鑒。

7 結論

結合工程實例，通過數值模擬方法，研究了基坑開挖施工過程中對臨近鐵路的變形影響，并對路的加固保護效果進行分析，得出以下結論：

1）原支護方案中，基坑開挖引起Ⅴ和3股道橫向水平位移超過規范和相關規定的要求，影響鐵路正常運行，需對原支護方案進行優化。

2）增大鐵路側圍護樁樁徑、支撐體系由鋼支撐變更為混凝土支撐，能有效控制基坑開挖對鐵路的變形影響，各條股道的變形量均滿足。

3）為保證路基邊坡的穩定性，基坑施工過程中，嚴禁開挖邊坡坡腳，對路基邊坡進行防護時，嚴禁私自削坡。基坑施工完成后，需考慮邊坡長期穩定性，通過在坡腳圍護樁樁頂接筋設置擋墻，可提升邊坡的穩定性。

4）數值計算結果與實際監測的變形量值基本一致，數值模擬所做的假設和選用的參數基本合理可靠，數值模擬能夠較好地模擬基坑開挖對鄰近鐵路的影響，為今后類似工程提供經驗和借鑒。