深基坑施工對鄰近高鐵橋梁影響研究

王 升

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處，天津 300142)

隨著地方經濟發(fā)展和基礎設施建設的加快，鄰近鐵路工程深基坑與日俱增。然而，深基坑施工對周邊土體影響可能會對鄰近鐵路的運營帶來安全隱患，特別是高速鐵路。臨近鐵路線路的深基坑在施工過程中會面臨各種風險，各種因素關聯作用可能會危害到鐵路線路的安全。本項目以北京市區(qū)高鐵橋梁附近的調蓄池基坑施工為研究背景，利用大型通用有限元軟件對基坑開挖施工過程進行了數值模擬計算分析和評估，以規(guī)避可能的鐵路運營風險。分析結果可為基坑施工時對高鐵橋梁的實時監(jiān)控和預警提供充分的理論依據，確?；邮┕r鐵路運營的安全。

1 工程概述

本工程位于北京市二環(huán)路附近，調蓄池基坑的長×寬×深為44.6 m×28.1 m×15.95 m，位于高鐵鐵路橋梁的北側，基坑邊緣距既有高鐵鐵路下行線最近距離33.64 m，與高鐵橋梁橋墩基礎的最小距離30.46 m，距離高速鐵路信號塔基礎21.91 m，距離北側護城河12.18 m。高鐵橋梁橋墩基礎為樁基，采用12根直徑1.50 m鉆孔灌注樁，樁長50 m。信號塔基礎為明挖基礎，鋼筋混凝土結構，基礎尺寸是7.5 m×7.5 m×0.8 m。

調蓄池基坑開挖深度較深，為了保證基坑自身安全，各項位移指標要滿足《建筑基坑支護技術規(guī)程》的規(guī)定［1］。此基坑靠近鐵路一側采用直徑1.25 m的鉆孔樁防護，樁間距1.5 m，樁長23.0 m，樁頂設冠梁，冠梁截面尺寸1.45 m×1.0 m。其它三面采用直徑0.80 m的鉆孔樁防護，樁間距1.2 m，樁長23.0 m，樁頂設冠梁，冠梁截面尺寸1.0 m×1.0 m。每根防護樁上均設4根錨索，錨索設置深度分別為3.0，6.0，9.0，12.0 m。

2 地質和水文條件

根據現場勘探、原位測試與室內土工試驗成果的綜合分析，在本次巖土工程勘察的勘探深度范圍內(最深33.00 m)的地層，按成因年代可劃分為人工堆積層和第四紀沉積層二大類，并按巖性及工程特性劃分為7個大層及其亞層。

表層為厚度1.60～1.90 m的人工堆積之黏質粉土素填土、粉質黏土素填土①層，碎石素填土①1層。

人工堆積層以下為第四紀沉積的黏質粉土、砂質粉土②層，粉質黏土、黏質粉土②1層及黏土、重粉質黏土②2層;粉砂、細砂③層;黏土、重粉質黏土④層，粉質黏土、黏質粉土④1層及砂質粉土、黏質粉土④2層;細砂、中砂⑤層;卵石⑥層;黏質粉土、粉質黏土⑦層，砂質粉土、黏質粉土⑦1層及細砂⑦2層。

本次巖土工程勘察期間(2012年10月下旬)于鉆孔中實測到2層地下水，第1層水位標高為20.57～20.66 m(埋深19.00 m)，地下水類型為層間水;第2層水位標高為 16.56～16.57 m(埋深 23.00～23.10 m)，地下水類型為潛水。

本工程距離護城河較近僅有12.18 m，河底距離地面深度約為6.0 m，調蓄池基坑深度為15.95 m。

在城市中由于深基坑降水，總會引起地面產生一定的沉降，影響鄰近建筑物和管線［2-7］。為了防止基坑降水對高鐵橋梁造成不利影響，在綜合考慮鐵路安全與環(huán)境保護等各方面因素的前提下，基坑采用高壓旋噴止水帷幕對基坑進行防水處理。

3 深基坑開挖施工對鄰近高鐵橋梁影響的數值模擬

3.1 三維空間有限元模型

為消除計算邊界效應的影響，考慮到施工過程中的空間效應，土體計算模型在Y方向上的尺寸為調蓄池基坑、防護樁和鐵路橋墩尺寸總和的5倍，在X方向的水平尺寸為調蓄池基坑尺寸的7倍。計算模型沿X軸方向取350 m，Y軸方向取350 m，Z軸方向取為100 m。有限元計算模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

采用ABAQUS建立模型，計算模型中土體、高鐵橋梁和基坑防護樁單元均采用三維八節(jié)點六面體線性減縮積分單元。高鐵和基坑防護樁與土體間采用嵌入的連接方式，土體模型的頂面設為自由邊界，底面采用三向約束，其它面均采用法向約束。土體的材料類型選用摩爾庫侖模型，高鐵和基坑防護樁的材料類型選用彈性模型。

計算中土體計算模型的網格劃分與計算結果的收斂性密切相關，因此，在劃分土體網格時，對開挖部分和鐵路橋梁部分的土體需要加密劃分網格，而對于遠離工作坑和鐵路橋墩的土體區(qū)域可粗略劃分網格，這樣既保證計算收斂性，又可提高計算效率。

3.2 施工步驟

根據工程施工步驟，施工模擬防護樁及冠梁施工和土體開挖。其中，將調蓄池基坑的動態(tài)開挖過程按施工組織分為以下6個分析步:開挖步1，土深0～3.50 m;開挖步2，土深3.50～6.50 m;開挖步 3，土深6.50～9.50 m;開挖步4，土深9.50～12.50 m;開挖步5，土深12.50～15.95 m;回填步，采用結構重換算面荷載作用于基坑地面模擬后期調蓄池結構施工。

模型中采用設定生死單元的方法來實現具體的開挖步驟。單元的生死采用有限元軟件所提供的修改keywords中的remove和add關鍵字實現。第5開挖步結束后，調蓄池基坑開挖完畢，將挖掉的土體全部殺死。

在實際工程中，由于天然土層在土體自重和周圍建筑荷載作用下，已經固結沉降完畢，在此基礎上進行工作坑開挖，需要將已經固結沉降完成的原狀土作為后續(xù)開挖步的初始狀態(tài)。因此，在利用有限元模擬工作坑開挖過程中，為了達到天然土層的初始狀態(tài)，開挖前平衡土體初始地應力，使得在土體模型中只存在初始應力場而不出現初始位移。

3.3 計算結果

經計算分析，當基坑分層開挖施工時，高鐵21#橋墩產生的水平和豎向位移見表1和圖2。開挖完成后，變形云圖見圖3。

表1 橋墩位移 mm

圖2 橋墩位移

圖3 基坑開挖完成后變形云圖

4 數值模擬計算結果分析

從計算結果可知，由于開挖基坑卸載了土體，導致坑底的土應力釋放，致使基坑底部的土體產生隆起現象，基坑邊緣發(fā)生沉降現象。由于土體的流動性，高鐵橋梁的橋墩跟隨樁基發(fā)生了輕微的隆起和靠向基坑方向的水平位移。其中橋墩最大的隆起值為0.66 mm，最大的水平位移為0.51 mm。

以《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》(TG/GW115—2012)［8］要求的容許偏差管理值作為控制標準，豎向位移和橫向水平位移容許偏差均為2 mm。根據計算結果可知，此基坑施工時對高鐵橋墩的位移影響均能滿足相關規(guī)范要求。

根據結果可知基坑開挖會對高鐵橋墩產生一定的影響，施工時必須對高鐵橋墩進行實時監(jiān)控，以保證鐵路的運營安全可靠。

5 監(jiān)測結果及分析

為及時收集、反饋、分析深基坑工程施工對高速鐵路的影響，設置了以下監(jiān)測內容:①高速鐵路豎向位移監(jiān)測;②高速鐵路水平位移監(jiān)測。監(jiān)測點布置于鄰近高鐵橋墩，每墩2個水平測點和2個豎向測點。

21#橋墩監(jiān)測點C21-1豎向變形—時間變化曲線如圖4所示，水平變形—時間變化曲線如圖5所示。5月15開始基坑開挖，6月12日基坑開挖完成，7月15日調蓄池結構施工完成。

圖4 豎向變形曲線(正值表示隆起)

圖5 水平變形曲線(正值表示指向基坑方向)

本工程已經安全施工結束，基坑開挖對高速鐵路影響基本和模型分析結果一致。前期隨基坑開挖深度增加，變形影響逐漸增大，后期隨調蓄池結構實施及土體回填，對高鐵橋墩的影響有一定反彈。橋墩變形監(jiān)測的最大隆起值為0.53 mm，靠向基坑方向的最大位移值為0.42 mm。由于多種原因，如現場的地質情況的變化、開挖深度的不一致、測量誤差等等，導致計算結果和實測有一定的差異，但是兩者的吻合度非常高。

6 結語

通過本工程的成功實施，可以得出以下幾點認識:

1)通過有限元模型分析，考慮土體—支護的相互作用，從變形分析可知支護后位移滿足基坑穩(wěn)定性要求。通過分析影響范圍內橋墩的位移，可知對高速鐵路的影響滿足鐵路維修規(guī)則的規(guī)定。

2)通過現場監(jiān)測數據和模型分析數據的對比可知兩者的趨勢基本吻合，說明有限元模型分析對模擬基坑土體開挖及回填具有一定的實用價值，在指導基坑施工期間有一定的安全保障作用。

3)鄰近高鐵的深基坑施工會對高鐵產生一定的影響，在工程施工前，應該對施工過程進行數值模擬，進行科學合理的評估分析，以規(guī)避可能的鐵路運營風險。并在施工過程中對高鐵進行實時監(jiān)控，這樣才能保證高鐵的運營安全。

［1］中華人民共和國建設部.JGJ 120—2012 建筑基坑支護技術規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［2］湯梅芳，卜銘，桂建剛.地鐵車站深基坑開挖對鄰近建筑物的影響分析［J］.鐵道建筑，2014(1):88-90.

［3］汪新.緊鄰高鐵深基坑變形監(jiān)測分析［J］.鐵道建筑，2014(5):89-91.

［4］龔維明，童小東，繆林昌，等.地下結構工程［M］.南京:東南大學出版社，2004.

［5］周宸，李旭東，孫愿平.北京某深基坑樁錨支護結構監(jiān)測及分析［J］.巖土工程技術，2011，25(1):23-31.

［6］朱瑞鈞，高謙，齊干.深基坑支護樁周邊建筑物沉降分析［J］.重慶建筑大學學報，2006，28(2):52-55.

［7］賀俊，楊平，張婷.復雜條件下深基坑施工變形控制及周邊環(huán)境監(jiān)測分析［J］.鐵道建筑，2010(7):96-99.

［8］中華人民共和國鐵道部.TG/GW115—2012 高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)［S］.北京:中國鐵道出版社，2012.