鄰近高速鐵路基坑工程穩(wěn)定性分析

陳海波

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司廣西分院，廣西 南寧 530000)

隨著我國經(jīng)濟建設的迅速發(fā)展，城市更新對土地資源的需求不斷提高。實際工程中出現(xiàn)了大量鄰近鐵路開挖基坑的情況。深基坑工程施工風險高，對周邊環(huán)境影響大，對于鄰近鐵路的基坑工程，如何保證工程實施過程中周邊鐵路運營的安全穩(wěn)定成為了一個亟待解決的問題。基于此，本文以某一鄰近高速鐵路的基坑工程為例，通過研究分析，總結(jié)了鄰近鐵路基坑支護技術(shù)在設計與施工過程中的要點，為相似工程制定科學、合理的基坑支護方案提供參考。

1 工程概述

1.1 項目概況

項目位于貴港市江北屠宰廠東側(cè)，基坑距南廣左線K151+600～+900左側(cè)約44.19m～45.75m，項目設置兩層地下室，基坑分兩級開挖，場地地面標高47.71m～49.95m，一層地下室基坑底標高為45.40m，挖深2.31m～4.45m，二層地下室基坑底標高為41.5m，挖深6.21m～8.35m。項目平面圖見圖1。

圖1 基坑與南廣高鐵項目位置平面圖

1.2 工程地質(zhì)條件

場地覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)(Q4ml)人工填土、第四系全新統(tǒng)殘積層(Q4el)紅黏土；下伏基巖為石炭系(C)白云質(zhì)灰?guī)r，覆蓋層厚度11.0m～21.5m。各層巖土物理參數(shù)取值見下表1。

表1 巖土參數(shù)取值

場地主要不良地質(zhì)為巖溶，特殊性巖土主要為人工填土及紅黏土場地地下水類型主要為孔隙水及基巖巖溶裂隙溶洞管道水。孔隙水主要賦存與表層疏松土層孔隙中，屬上層滯水，依靠地表水及大氣降水下滲補給， 再通過孔隙往地下滲流方式排泄， 局部水量較大。

定水位埋深2.30m～6.20m，標高41.54m～45.46m。據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，場地地下水位變幅一般為1m～2m。下伏溶洞裂隙水為覆蓋型巖溶水，屬承壓水，溶洞裂隙水賦存和運移于灰?guī)r巖溶裂隙中，接受大氣降水及鄰區(qū)的地下水側(cè)向補給，以地下逕流方式往郁江排泄，其水量相對較大，但平面及空間分布很不均一，巖溶水埋深為14.80m～15.70m，標高32.06m～33.09m，場地地下水位變幅受季節(jié)性影響，其年變幅一般約1m～4m。

1.3 基坑支護主要工程風險

根據(jù)現(xiàn)場情況，項目基坑支護工程主要風險可分為以下兩個方面。

(1)支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)造成安全事故。

(2)根據(jù)水文地質(zhì)資料，場地賦存孔隙水及基巖巖溶裂隙溶洞管道水，施工過程中大量抽排地下水易造成既有鐵路線路及建筑物沉降。

2 基坑支護安全與穩(wěn)定性分析

2.1 基坑支護方案

項目地下室外墻邊線距離南廣高鐵左線44.19m～45.75m，基坑南側(cè)涉鐵部分采用雙排樁支護方案，樁長16.27m～24.50m，樁徑1.2m，樁間距2.0m，排間距2.0m，采用C35水下混凝土灌注，樁頂布設鋼筋混凝土冠梁，冠梁尺寸為：高1.0m，寬3.2m，冠梁砼強度C35。基坑西側(cè)、東側(cè)涉鐵部分分別采用放坡+掛網(wǎng)噴砼支護和土釘墻支護。

為防止基坑滲水引起鐵路沉降，在基坑四周布置高壓旋噴樁截水帷幕， 樁徑0.8m，樁間距0.5m，樁頂至地面，涉鐵部分樁長同排樁長，非涉鐵部分樁長18.0m。

基坑西側(cè)、東側(cè)為防止放坡及土釘墻變形導致高壓旋噴樁截水帷幕失效，坡頂增設一排單排樁，樁長21m，樁徑1.2m，樁間距2.0m。排樁采用C35水下混凝土灌注，樁頂布設鋼筋混凝土冠梁，冠梁尺寸為：高1.0m，寬1.2m，冠梁砼強度C35。

2.2 基坑穩(wěn)定性分析

采用理正深基坑結(jié)構(gòu)設計軟件對鄰近鐵路側(cè)的基坑支護設計進行支護結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性、抗傾覆、抗隆起、嵌固深度驗算，圖2為基坑剖面示意。

圖2 基坑支護剖面圖

采用理正軟件驗算結(jié)果如下表2，根據(jù)以下計算結(jié)果，各驗算項目計算結(jié)果均滿足規(guī)范《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)要求，說明支護結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定。

表2 排樁穩(wěn)定性驗算成果表

2.3 基坑涌水量估算

本工程基坑開挖面積約20 081m2，地面標高47.71m～49.95m，1層地下室基坑底標高為45.40m，挖深2.31m～4.45m，2層地下室基坑底標高為41.50m，挖深6.21m～8.45m。基坑四周設置高壓旋噴樁截水帷幕，基坑開挖土層為素填土和紅黏土層，坑底為紅黏土層屬黏性土，滲透系數(shù)為0.002m/d，其賦水性差，屬相對隔水層。

根據(jù)設計方案本基坑四周已設置高壓旋噴樁截水帷幕，樁徑0.8m，樁間距0.5m，樁頂至地面，涉鐵部分樁長同排樁長為落底截水帷幕，非涉鐵部分樁長18.0m未進入巖層。故地下水可通過坑底滲透流入基坑，本次涌水量估算地下水水位取9月(雨季)勘察期穩(wěn)定水位45.46m，基坑坑底標高取41.5m。根據(jù)達西定律:

按設計高壓旋噴樁截水帷幕方案實施后，預計基坑開挖過程中涌水量很小，不需要大量抽排地下水，基坑施工過程中不會因為基坑降水導致周圍線路及建筑發(fā)生沉降。

2.4 基坑施工引發(fā)鐵路路基沉降驗算

本基坑采用懸臂式支擋結(jié)構(gòu)，根據(jù)彈性角點法建模驗算得到臨鐵路側(cè)斷面樁頂部最大水平位移8.92mm，對于開挖土層主要為黏性土基坑，基坑寬度方向上，任意一點開挖引起的地表沉降量與該點和基坑邊界距離之間呈正態(tài)函數(shù)關(guān)系，采用理正軟件計算，剖面計算結(jié)果如下圖3。

圖3 剖面地表沉降曲線

2.5 基坑施工數(shù)值模擬

由于基坑與高速鐵路線路較近，基坑開挖將對高速鐵路線路造成一定影響，本次評估采用Midas GTS軟件模擬基坑開挖的施工過程對鄰近鐵路的影響。

根據(jù)既有高速鐵路線路及基坑斷面資料，分別對基坑剖面建立二維有限元數(shù)值模型。模擬過程同時考慮開挖和坑內(nèi)排水，基坑開挖施工時，先施工支護樁，接著分段分層開挖至基底標高。模型見圖4所示。

圖4 剖面基坑數(shù)值模型

基坑施工剖面后變形情況如圖5。

圖5 剖面基坑開挖后基坑周邊及鐵路中心線總變形

根據(jù)Midas GTS計算結(jié)果，基坑開挖后高速鐵路線路變形結(jié)果如下表3(表格中水平向變形以傾向基坑外為正，傾向基坑內(nèi)為負，豎向變形以向上為正，向下為負)。

表3 各計算剖面處鐵路中心線變形計算成果表

基坑開挖涉及南廣高鐵，其設計速度為250km/h，工程涉及范圍位于南廣高鐵直線段上，依據(jù)《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則》(鐵運[2013]29號)規(guī)定，對鐵路線路軌道水平位移及豎向位移控制值按±3mm考慮。根據(jù)以上計算結(jié)果，剖面水平位移、豎向位移均小于3mm，符合規(guī)范要求。

綜合解析計算和數(shù)值計算成果，基坑支護工程設計方案鄰近鐵路段施工引發(fā)的鐵路水平位移最大計算值為0.56mm，豎向沉降最大計算值為2.19mm，均不超過200km/h～250km/h 線路軌道靜態(tài)幾何尺寸允許偏差管理工作驗收控制值3mm。根據(jù)各線路軌道中心線水平位移分析基坑施工引發(fā)的軌距偏差最大值約為-0.25mm，不超過軌距容許偏差值±2mm。說明設計方案基坑施工引起的路基沉降變形偏差符合相關(guān)規(guī)范對變形控制要求，不會對營運高鐵線路造成影響。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

(1)經(jīng)基坑支護穩(wěn)定性驗算，本項目基坑設計方案支護結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、嵌固設計深度、抗隆起穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

(2)項目施工截水帷幕后，計算基坑涌水量很小，不需大量抽排地下水，不會因抽排水對周邊高速鐵路線路沉降造成影響。

(3)綜合解析計算和數(shù)值計算結(jié)果，認為設計方案基坑施工引起的路基變形滿足變形控制要求。

3.2 建議

(1)對于鄰近高速鐵路的基坑工程，項目實施前應進行多方論證，明析主要風險源，并針對可能出現(xiàn)的風險制定對應措施。

(2)鄰近高速鐵路基坑工程施工中嚴禁大量抽排水，當項目實施場地地下水位高于基坑坑底時，可采用截水帷幕進行封閉。

(3)高速鐵路對變形的要求十分嚴格，鄰近高速鐵路基坑工程設計時應注意在滿足支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎上，要適當加強支護措施，通過計算和分析確保基坑工程施工過程不會對高速鐵路變形產(chǎn)生太大影響，確保鐵路運營安全。