如何優化緊鄰鐵路路基邊坡的深基坑支護體系

黃占彪

（中鐵十二局集團第一工程有限公司，河北 廊坊 065000）

1 深基坑支護方法

1.1 排樁支護

這種支護方法需要用到支護樁、支撐（或土層錨桿）和防滲帷幕。具體結構需根據施工情況確定，可以采用懸臂式支護結構、錨桿式支護結構，也可以采用拉錨式支護、內撐式支護結構結構。這種支護方法比較適合用在基坑側壁安全等級為1～3 級的基坑開挖工程，也適合用在可以采取江水或止水帷幕的基坑開挖工程。

1.2 土釘墻支護

這種支護方法不僅要用到土釘群，還要用到混凝土面層，是由這兩者構成的支護體系。土釘是用來加固現場原位土體的細長桿件。這種支護方法需要先鉆孔，之后放入帶肋鋼筋，最后還需沿孔全長注漿。基于土釘和土體之間的粘結力和摩擦力，這種支護可以很好地防范土體變形的出現。應用這種支護方法需要隨時挖隨時支護，因此可以有效保持土體強度，減少土體擾動。土釘墻支護比較適合用在地下水位以上或經人工降水后的人工填土工程中，也適合用在黏性土和弱膠結砂土開挖工程中，如果基坑開挖深度在5～10 m 也適合應用這種支護方法。但是這種支護方法不適合用在含水豐富的粉細砂層、砂礫卵石層、飽和軟弱土層以及對變形有著嚴格要求的基坑開挖工程當中。

1.3 錨桿支護

這種支護方法常被用在邊坡、巖土深基坑等地表工程，也會被用在隧道、采場等地下硐室施工當中，是一種有效的加固支護方法。應用該支護方法需要先用金屬件、木件、聚合物件或其他材料制成桿助，之后需要將其打入地表巖體或硐室周圍巖體提前打好的孔中，借助其頭部、桿體的特殊構造和尾部托板，或是依靠黏結作用將圍巖與穩定巖體結合在一起，從而產生懸吊、組合梁和補強效果，最終達到支護目的。這種支護方法的優勢主要體現在以下幾點：①成本不高；②支護效果有保障；③操作簡單；④使用靈活；⑤占用施工凈空少。

1.4 加筋水泥土深層攪拌支護

應用這種支護方法需要使用水泥作為固化劑，而且需要使用攪拌機將固化劑和軟土進行拌和，這樣這兩者之間就會出現一系列反應，進而逐步硬化并形成有著良好穩定性和強度水泥土樁墻，最終就可以達到支護目的。這種支護方法比較適合用在淤泥質土、黏土、粉土、淤泥等土層施工，如果基坑開挖深度在6 m 以內也可以采用這種支護方法。至于有機質土、泥炭質土是否合適應用還需要通過試驗決定。

1.5 鋼板樁支護

鋼板樁支護主要包括兩部分，分別是鋼板樁和錨拉桿。因為前者柔性比較好，如若支撐或錨拉系統設置存在問題，那么是很容易出現變形的。應用這種支護方法比較常用的方式有兩種，分別是拉爾森式和拉克萬納式。這種支護方法不僅施工沒有太大難度，而且不需要投入太多資金，強度和防水性能也比較好，即使堅硬的土層也可以打入，深水中施工也適合應用，如果情況需要還可以增加斜支撐，構成圍籠，同時可以根據實際需要組成各種外形的圍堰，還可重復使用，所以這種支護方法的應用非常廣泛。但是基坑深度超過7 m 的軟土地層并不適合采用這種支護方法，如果必須要應用就需要設置多層支撐或錨拉桿。

1.6 地下連續墻支護

應用這種支護方法需要在地面上沿著深開挖工程的周邊軸線，在泥漿護壁條件下，開挖出一條狹長的深槽，之后需要清理深槽并在其中吊放鋼筋籠，接下來需要用導管法灌筑水下混凝土，筑成一個單元槽段，如此逐段進行，最終建造一道連續的鋼筋混凝土墻壁，從而可以發揮截水、防滲、承重、擋水作用。這種支護的應用形式有很多，一般都是集擋土、承重、截水和防滲于一體，同時兼作地下室外墻。該支護方法存在的不足就是需要使用專用設備施工，單體施工造價不低，其優勢就是對地質條件和施工環境有著良好的適應性，而且施工不需要放坡和支模。當前我國地下連續墻深度已經可以達到36 m，壁厚也可以達到1 m。

1.7 拱圈支護

這種支護方法主要可以分為兩種，分別是拱圈分閉合拱和非閉合拱，拱圈形式則可以分為圓形、橢圓形和二次曲線形。這種支護方法能承受水平方向的土壓力，因為拱的內力多是受壓力，而且彎矩比較小，所以能夠充分發揮混凝土抗壓強度高的特性，施工方便，節省工期。

1.8 逆作法

根據施工程序的不同，這種支護方法可以分為全逆作法、半逆作法或部分逆作法三種。應用這種支護方法需要用地下各層梁板作為支撐，并按照從上到下的順序施工，這樣可以有效防范擋土結構變形，還可以節省臨時支護結構。這種支護方法比較適合用在較深基坑以及對周邊變形有著嚴格要求的基坑開挖當中。但應用逆作法需要提前制定施工組織方案，處理好各結構節點。

2 緊鄰鐵路路基邊坡深基坑支護實例

2.1 基坑支護設計

本工程緊挨隴海鐵路路基邊坡，基坑開挖深度、基坑長度和寬度分別為7.380～7.890 m、49.1 m 和28.2 m。基坑支護主要應用了兩種方法，一是混凝土灌注樁，二是一道鋼支撐支護。緊鄰基坑的鐵路路基邊坡高度和坡率分別為4.7～5.0 m、1 ∶0.4～1 ∶0.5，而且其一側還應用了掛網噴混。

2.2 緊鄰鐵路情況

基坑附近就是車站，站內有五條有砟軌道，前兩條是時速為200 km/h 的正線，中間兩條是時速為45 km/h 的發線，最后一條是時速為75 km/h 的貨運線。

基坑鐵路側邊線距離第五條軌道中心最近，只有10.50 m，距離第四條軌道的距離最遠，為41.75 m，和其他三條軌道中心的距離分別為13.25 m、35.25 m和30.25 m。對其和這五條軌道的關系進行分析，可以發現它們基本呈平行關系。

2.3 深基坑支護工程所在地地質條件

該工程計劃在上前坡洪積平原建設，這里的坡度并不太明顯，整體來說還是比較平緩的。地層最上層是素填土，之后分別是卵石、強風化花崗巖，最底層是中風化花崗巖。其中素填土的重度、彈性模量、泊松比、黏聚力、內摩擦角分別為20.8 kN.m-3、21 E/MPa、0.35 v、12 c/kPa、20Φ（°）；卵石的這五項數值分別為19 kN.m-3、75 E/MPa、0.25 v、5 c/kPa 和30Φ（°）；強風化花崗巖這五項數值分別為22 kN.m-3、150 E/MPa、0.25 v、90 c/kPa、35Φ（°）；中風化花崗巖這五項數值分別為25 kN.m-3、300 E/MPa、0.25 v、300 c/kPa、40Φ（°）。

2.4 基坑開挖數值模擬

2.4.1 建立模型

技術人員需要先繪制地質現狀斷面圖，之后還需了解空間相對位置關系，接下來就可以根據上述兩者建立數值三維模型。基坑鐵路側對應X 軸坐標為0～49.1 m。應用Mohr-Coulomb 模型并參考土層物理力學參數，就可以建立和本工程實際情況相符的三維模型。

2.4.2 工程狀態設置和模型參數

根據工施工先后順序，工程狀態可以分為以下幾種：①初始工程狀態，設置邊界條件，形成初始應力場；②工程狀態一，設置基坑圍護樁，同時建設冠梁、挖掘內支撐底部以上土體；③工程狀態三，這是施工第一道支撐，需要將基坑底部挖掘到標高-7.8 m。根據最初設定，初始工程狀態和工程狀態一并不會對土體造成太大影響，所以工程狀態三才是施工重點，需要對其進行詳細分析。

2.5 鐵路變形計算結果分析

鐵路軌道變形控制指標。通過對現行規范進行研究，同時對相同工程類比經驗進行分析，最終決定進行基坑開挖時需要將1、2 和3、4、5 軌道水平位移控制在2 mm 左右和7 mm 左右，至于豎向位移則需控制在2 mm 左右和-8 ～+3 mm 范圍內。

既有鐵路五條軌道水平鐵路方向，將其記作X 向，其位移和沿鐵路變化的關系如圖1 所示。

既有鐵路五條軌道垂直鐵路方向，記作Y 向，其位移和沿鐵路變化的關系如圖2 所示。

圖2 5 條軌道垂直鐵路方向(y 向)水平位移(一)

結合工程狀態二對五條軌道位移進行分析可以發現：五條軌道的變形趨勢并沒有太大區別，存在相同的變形規律。例如，4 軌道對應基坑中部的部位是最容易變形的地方，相對而言，軌道隊形基坑兩側陰角處的部位變形幾率就比較小。從沿鐵路走向來說，變形量會隨著軌道和基坑對應部位的不同發生改變，一般情況下，對應基坑中部的部位變形量最大，對應陰角的部位變形量最小，所以“軌道的橫向水平位移”和“豎向位移曲線”都呈U 形。對支護結構進行研究可以發現，基坑中部和基坑陰角區域采取的支護結構是不同的，這是因為前者周邊土體變形幾率更大，后者則因為基坑陰角斜撐和橫撐的助力，周邊土體變形幾率并不太大。對該變形規律進行分析可以發現，其和基坑空間效應是相符的。

對三向位移變化情況進行分析可以發現五條軌道出現位移比較明顯的部位都存在相同區域，也就是x=5～45 m 區間，這種情況在4 軌道和3 軌道表現得更加明顯，而這一區域正好和基坑以及基坑兩側一倍開挖速度相對應。從變形量角度分析可以發現，5 軌道受到的影響是最大的，之后是3 軌道、其余三個軌道受到的影響都比較小，如表1 所示。也就是說軌道和基坑距離越大受到基坑施工的影響就會越小。

表1 原支護方案數值模擬變形量最大值統計（mm）

對表1 進行分析可以得出如下結論：①在工程狀態二下，五條軌道當中，5 軌道變形最為嚴重，其沿鐵路方向最大位移、垂直鐵路方向最大位移、最大豎向位移分別為-1.90 mm、11.82 mm 和-3.91 mm，該軌道的垂直鐵路方向水平位移甚至可以超過10 mm，已經超過了變形控制值。②1 軌道沿鐵路方向最大位移、垂直鐵路方向最大位移、最大豎向位移分別為-0.17 mm、0.71 mm 和-0.10 mm，這說明1 軌道這三個方向的變形量均在變形控制范圍內，但是1、2 軌道相比，顯然前者的變形量更大。

總之，5 軌道變形量最大，已經超出控制值，所以需對基坑支護方案進行完善和改進。

2.6 基坑支護方案完善和改進

2.6.1 基坑支護改進方案

為了更好地降低鐵路軌道變形發生幾率，需對原有基坑支護方案進行完善和改進。由于基坑和鐵路路基邊坡坡腳相鄰，空間不太充足，因此不能采用隔離樁，需采用如下措施：①支撐體系。如果應用鋼支撐鐵路變形比較大，出于確保鐵路安全和控制變形的目的，鋼支撐決定采用800 mm×800 mmC30 混凝土支撐。②鐵路側圍護結構。增加灌注樁樁徑，將其由原來的φ800@1 100 mm 變為φ1 000@1 200 mm。

2.6.2 軌道變形控制效果分析

對原有基坑支護方案進行改進后，變形規律并不會出現太大變化，但是個軌道變形量卻出現了一定改變，通過建模并進行計算后得出如下結論，如表2所示。

表2 支護方案優化后數值模擬變形量最大值統計（mm）

對表2 進行分析可以發現在工程狀態三下五條軌道的變形量都有所下降，都在相應的控制值范圍內。

3 結論

根據工程實例，運用數值模擬法對基坑開挖對相鄰鐵路軌道變形的影響和深基坑支護改進方案實施效果進行了研究，得出了如下結論：①原來的支護方案會讓軌道5 和軌道3 變形量超出控制值范圍，從而阻礙到鐵路正常運行，因此需對原方案進行改進。②增加灌注樁樁徑、采用混凝土支撐可以有效減輕基坑開挖對軌道的影響，車站五條軌道變形量都會有所下降。③數值模擬得出的結果和實際監測變形量并沒有太大差距，可以更好地反應基坑開挖對臨近鐵路的影響，可以為其他類似工程提供參考。