基坑施工應用隔離樁對臨近鐵路變形的影響研究

0 引言

鐵路作為國家重要的交通基礎設施，承載著大量的客貨運輸任務，其安全和穩定至關重要。隨著城市的發展和基礎設施建設的不斷推進，經常需要在鐵路周邊進行基坑開挖用于建設地鐵、地下管廊、地下停車場等工程項目。基坑開挖會使得土體產生應力重新分布，造成基坑周圍土體向基坑發生擠出變形，嚴重時會導致工程事故。為此需要在開挖基坑與既有鐵路之間施作如隔離樁等加固措施。

針對隔離樁的設置對于既有結構變形的影響，許多學者采用數值模擬、理論推導、模型試驗、現場實測等諸多方法進行了研究。王綱[研究了盾構施工對既有高鐵線路路基變形的影響規律，指出使用隔離樁可有效限制其外部土體位移，能夠控制高鐵路基變形，具有良好的隔斷效果。趙大亮[2]等人研究了隧道盾構施工下穿運營高鐵采用隔離樁對高鐵橋墩的影響，指出隨著樁徑的增大施工影響逐漸減小，可根據嵌入土層深度確定合理的樁長。呂昌懷[3等人研究了明挖與盾構隧道下穿鐵路橋的變形影響，指出使用隔離樁對抑制鐵路橋變形有一定效果，可減小最大累計豎向位移量和最大水平位移量。Liu[4等人研究了土方開挖地段采用無隔離樁、非埋入式隔離樁和埋入式隔離樁等3種模式對盾構隧道進行防護的作用，指出隔離樁起到了屏障作用，且非埋入式隔離樁的效果更佳。

通過以上分析可知，相關文獻針對鄰近鐵路的基坑開挖時隔離樁的敏感性研究較少。基于此，本文利用有限元分析方法研究了隔離樁的設置位置、隔離樁剛度和隔離樁樁長在在臨近鐵路基坑中對鐵路變形控制的作用規律，以期對類似工程的設計和施工提供借鑒。

1基坑邊緣設置隔離樁對臨近鐵路變形影響1.1工程參數取值

本文以臨近上海南站和上海南動車運用所之間的上海新龍華文化中心地下室基坑工程項目為背景，研究基坑開挖施工應用隔離樁對臨近鐵路變形進行控制的作用及其規律。

本工程基坑開挖邊緣與鐵路中心線的最小距離為14～23m ，基坑圍護結構采用1m地下連續墻，設置3道0.8m×0.8m 混凝土支撐。基坑深度為 13.2～14.2m ，基坑局部深度為 16.2m 。基坑采用 Φ0.9m@1 .5m隔離樁。各土層的計算參數結合上海地區地層、地質情況和特點，以及勘察報告和相關施工經驗取值。本工程地質參數取值如表1所示。

表1地質參數取值

1.2建立有限元模型

采用Plaxis3D有限元計算軟件模擬臨近鐵路的該地下室基坑隔離樁的作用，并進行參數敏感性分析。有限元模型沿X、Y、Z方向的尺寸分別為 200m×200m×55m 其中X為沿鐵路方向，Y為垂直鐵路方向，Z為豎向。

根據本工程的實際情況和特點，在三維非線性分析時進行了以下設定和簡化。將土層簡化為各項同性、均質的連續材料。初始地應力在模擬計算中只考慮自重應力。

土體采用Hardening-Soil硬化土模型，地下連續墻采用板單元模擬，鋼筋混凝土支撐采用梁單元模擬，立柱及立柱樁采用錨桿單元模擬，結構均采用線彈性本構模型，模型底部施加完全固定約束，兩側施加豎直滑動約束，模型表面為自由邊界。

1.3制定數值模擬方案

為了分析在臨近鐵路的基坑邊緣隔離樁設置位置、隔離樁剛度和隔離樁樁長對鐵路變形的控制作用，按照控制單一變量的原則，在鐵路與基坑邊緣橫向距離14m保持不變的前提下，制定了3種方案進行模擬，如下所述。

方案一：在臨近鐵路的基坑邊緣設置與基坑邊緣不同距離的隔離樁，研究其對鐵路變形的影響。隔離樁為Φ0.9m@1.5m ，樁長為 28m ，剛度 k₀ 取值 57300kN/m³ ，隔離樁與基坑邊緣的距離分別為1m、1.5m、2m、2.5m、3m。

方案二：在臨近鐵路的基坑邊緣設置不同剛度的隔離樁，研究其對鐵路變形的控制作用規律。隔離樁樁長28m ，隔離樁與基坑邊緣的距離為 3m ，隔離樁剛度歸一化后分別取 1.0k₀ （ 1.1k₀ 1 1.2k₀ 、 1.3k₀ 、1. 4k₀

方案三：在臨近鐵路的基坑邊緣設置不同樁長的隔離樁，研究其對鐵路變形的控制作用規律。隔離樁與基坑邊緣的距離為 3m ，剛度為 1.0k₀ ，樁長分別取值20m 、 22m 、 24m 、 26m 、 28m 。

2研究結果與分析

2.1與基坑邊緣不同距離隔離樁對臨近鐵路變形的影響

2.1.1模擬結果

鐵路與基坑橫向距離 14m 、隔離樁直徑 0.9m ，隔離樁間距1.5m、隔離樁樁長 28m 、基坑深度 13.2m 均保持不變，調整隔離樁與基坑邊緣的距離。隔離樁與基坑邊緣不同距離對鐵路變形的影響如圖1所示。

2.1.2分析模擬結果

由圖1可知，基坑邊緣無隔離樁時，基坑施工過程給臨近鐵路造成的豎向變形為 4.5mm 、橫向變形為3.6mm ；隔離樁與基坑邊緣距離為1m時，鐵路豎向變形為 2.2mm 、橫向變形為 1.3mm ，比未設置隔離樁的豎向變形減小了 51.1% ，橫向變形減小了 63.9% ；隔離樁與基坑邊緣距離為1.5m時，鐵路豎向變形為 2.1mm 、橫向變形為 1.19mm ，比未設置隔離樁的豎向變形減小了 53.3% 橫向變形減小了 66.9% ；隔離樁與基坑邊緣的距離為 2m 時，鐵路豎向變形為 1.80mm 、橫向變形為 1.1mm ，比未設置隔離樁的豎向變形減小了 60.0% 、橫向變形減小了69.4% ；隔離樁與基坑邊緣的距離為2.5m時，鐵路豎向變形為 1.51mm 、橫向變形為 0.91mm ，比未設置隔離樁豎向變形減小了 66.4% ，橫向變形減小了 74.7% ；隔離樁與基坑邊緣的距離為3m時，鐵路豎向變形為 0.49mm 橫向變形為 0.29mm ，比未設置隔離樁的豎向變形減小了89.1% 、橫向變形減小了 91.9% 。

圖1隔離樁與基坑邊緣不同距離對臨近鐵路變形的的影響

由分析結果可知，在臨近鐵路的基坑邊緣設置隔離樁，對鐵路變形的控制作用效果明顯，隔離樁與基坑邊緣距離3m左右時，對基坑圍護和防止臨近鐵路變形的效果最佳。

2.2基坑邊緣設置不同剛度隔離樁對臨近鐵路變形的影響

2.2.1 模擬結果

鐵路與基坑橫向距離 14m 、隔離樁樁長 28m 、基坑深度13.2m保持不變，將隔離樁與基坑邊緣的距離設定為 3m ，將隔離樁樁徑為 0.9m? 、隔離樁間距為1.5m時的剛度設定為 1.0k₀ ，調整隔離樁的剛度，其剛度分別為1. 1k₀ ， 1.2k₀ 、1. 3k₀ ， 1.4k₀ 。基坑邊緣隔離樁的不同剛度對臨近鐵路變形的控制作用如圖2所示。

2.2.2分析模擬結果

由圖2可知，無隔離樁時，基坑施工過程給臨近鐵路造成的豎向變形為 4.5mm ，橫向變形為 3.6mm ；隔離樁剛度為 1.0k₀ 時，鐵路豎向變形為 2.28mm 、橫向變形為 1.84mm ，比未設置隔離樁的豎向變形減小了 49.3% 7橫向變形減小了 48.9% ；隔離樁剛度為1. 1k₀ 時，鐵路豎向變形為 2.21mm ，橫向變形為 1.81mm ，比未設置隔離樁的豎向變形減小了 50.9% 、橫向變形減小了 49.7% 隔離樁剛度為 1.2k₀ 時，鐵路豎向變形為 2.15mm 、橫向變形為 1.79mm ，比未設置隔離樁的豎向變形減小了 52.2% 、橫向變形減小了 50.3% ；隔離樁剛度為 1.3k₀ 時，鐵路的豎向變形為 2.09mm 、橫向變形為1.74mm ，比未設置隔離樁的豎向變形減小了 53.6% 、橫向變形減小了 51.7% 隔離樁剛度為 1.4k₀ 時，鐵路豎向變形為 2.03mm 、橫向變形為 1.72mm ，比未設置隔離樁的豎向變形減小了 54.9% 橫向變形減小了 52.2% 。

由分析結果可知，設置隔離樁對抑制鐵路變形的效果明顯，隔離樁剛度越大，鐵路變形減小的幅度越大，保護鐵路變形效果越好。隔離樁剛度為 1.4k₀ 時，鐵路豎向變形比剛度為 1.0k₀ 時減小了 11.0% ，橫向變形比剛度為 1.0k₀ 時減小了 6.5% 。由此對比可知，隔離樁樁體剛度在臨近鐵路的基坑施工中，對鐵路變形控制作用的顯著性較弱。

2.3基坑邊緣設置不同樁長隔離樁對鐵路變形的影響

鐵路與基坑橫向距離 14m ，隔離樁直徑 0.9m ，隔離樁間距 1.5m 、基坑深度 13.2m 保持不變，將隔離樁樁長分別調整為 20m 、 22m 、 24m 、 26m 、 28m 。基坑邊緣隔離樁的不同樁長對臨近鐵路變形的控制作用如圖3所示。

由圖3可知，無隔離樁時，基坑施工過程給臨近鐵路造成的豎向變形為 4.5mm ，橫向變形為 3.6mm ；隔離樁樁長為 20m 時，鐵路豎向變形為 2.55mm ，橫向變形為2.09mm ，比未設置隔離樁豎向變形減小了 43.3% 、橫向變形減小了 41.9% ；隔離樁樁長為 22m 時，鐵路豎向變形為 2.45mm ，橫向變形為 1.99mm ，比未設置隔離樁豎向變形減小了 45.6% 、橫向變形減小了 44.7% ；隔離樁樁長為 24m 時，鐵路豎向變形為 2.36mm ，橫向變形為 1.92mm ，比未設置隔離樁豎向變形減小了 47.6% 、橫向變形減小了 46.7% ；隔離樁樁長為 26m 時，鐵路豎向變形為 2.31mm 、橫向變形為 1.89mm ，比未設置隔離樁豎向變形減小了 48.7% 、橫向變形減小了 47.5% ；隔離樁樁長為 28m 時，鐵路豎向變形為 2.28mm 、橫向變形為 1.84mm 比未設置隔離樁豎向變形減小了 49.3% ，橫向變形減小了 48.9% 。

由分析結果可知，在臨近鐵路的基坑邊緣設置一定樁長的隔離樁，對鐵路變形的控制作用比較明顯。當隔離樁樁長大于 1.5H （ ?H 為基坑深度）時，隔離樁對鐵路變形的影響作用逐漸趨于穩定。為了兼顧施工質量和經濟效益，臨近鐵路基坑的隔離樁樁長應按 1.5H 控制。

3結論

本文以上海新龍華文化中心地下室基坑工程項目為依托，采用數值模擬方法研究了基坑邊緣設置隔離樁的不同位置、不同剛度、不同樁長，對臨近鐵路變形控制作用及其規律，得出以下結論：

1）在臨近鐵路的基坑邊緣設置隔離樁，可有效控制基坑施工對鐵路的影響。隔離樁設置在基坑邊緣以外3m左右，鐵路豎向變形為 0.49mm ，橫向變形為 0.29mm ，比未設置隔離樁的豎向變形減小了 89.1% ，橫向變形減小了 91.9% 。隔離樁與基坑邊緣距離3m左右時，可與基坑圍護結構形成良好的隔離體系。

2）在臨近鐵路的基坑施工中，隔離樁剛度為1. 4k₀ 時鐵路豎向變形比剛度為 1.0k₀ 時減小了 11.0% ，橫向變形比剛度為 1.0k₀ 時減小了 6.5% 。隔離樁樁體剛度在臨近鐵路的基坑施工中，對鐵路變形控制作用的顯著性較弱。

3）在臨近鐵路的基坑施工中，在基坑邊緣設置一定樁長的隔離樁，對鐵路變形的控制作用比較明顯。但是樁長大于 1.5H C ?H 為基坑深度）后，其隔離作用逐步減弱。為了兼顧施工質量和經濟效益，隔離樁的樁長應按 1.5H 控制。

參考文獻

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[3]呂昌懷，劉燕，張亮亮，等.明挖隧道與盾構隧道下穿鐵路橋變形影響及隔離樁效果[J].鐵道建筑，2022，62（11）：118-121.

[4]Liu K， Xu XB，Hu Q，et al.1 g model test on the use ofisolation piles for tunnel protection adjacent to softsoil excavation[J].Transportation Geotechnics，2022，35：100790.