既有鐵路線對(duì)鄰近基坑開(kāi)挖的影響

羅 彬

(中鐵六局集團(tuán)天津鐵路建設(shè)有限公司，天津 300232)

既有鐵路線對(duì)鄰近基坑開(kāi)挖的影響

羅 彬

(中鐵六局集團(tuán)天津鐵路建設(shè)有限公司，天津 300232)

隨著我國(guó)城際高速鐵路的迅速發(fā)展，在工程施工中，必然會(huì)遇到臨近既有鐵路線與基坑開(kāi)挖的相互影響．以南港鐵路既有鐵路線與基坑開(kāi)挖為背景，運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS，建立分析模型，對(duì)既有鐵路與臨近基坑開(kāi)挖的相互影響進(jìn)行研究，模擬既有鐵路線與基坑不同距離、基坑單排樁水平位移的大小，結(jié)果表明：當(dāng)基坑與既有鐵路線的距離在4.2倍基坑深度范圍之內(nèi)時(shí)，需要考慮兩者之間的互相影響．

既有鐵路；深基坑；ANSYS；動(dòng)荷載

近年來(lái)，隨著我國(guó)建設(shè)水平的提高與整體運(yùn)輸能力的提升，快速便捷的鐵路系統(tǒng)已經(jīng)成為新時(shí)期區(qū)域間政治、經(jīng)濟(jì)、文化聯(lián)系的紐帶．預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)將建成以四縱四橫快速鐵路為主體、城際客運(yùn)專線為補(bǔ)充的總計(jì)30,000,km的鐵路網(wǎng)[1]．

20世紀(jì)90年代末以來(lái)，隨著我國(guó)市政項(xiàng)目、高層建筑、地下空間等城市大規(guī)模建設(shè)工程的發(fā)展，基坑工程施工與設(shè)計(jì)水平隨之逐漸提高，基坑工程的相關(guān)理論也得到了迅速發(fā)展．但是，因?yàn)榛庸こ堂媾R著環(huán)境與地質(zhì)條件的改變，所以基坑的設(shè)計(jì)與施工迎來(lái)了新的挑戰(zhàn)[2]．

由于建筑物密度的不斷增大，使越來(lái)越多的基坑臨近房屋建造物以及鐵路工程．近些年，基坑開(kāi)挖造成的安全事故日益增多，損失也越來(lái)越嚴(yán)重．2008-11-15T15：15，正在施工的杭州地鐵湘湖站北2基坑現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生大面積坍塌事故，造成21人死亡．經(jīng)調(diào)查，事故直接原因：一是施工單位違規(guī)施工，冒險(xiǎn)作業(yè)，基坑嚴(yán)重超挖；支撐體系存在嚴(yán)重缺陷，且鋼管支撐架設(shè)不及時(shí)；墊層未及時(shí)澆筑；二是監(jiān)測(cè)單位施工監(jiān)測(cè)失效，施工單位沒(méi)有采取有效補(bǔ)救措施．因此，在基坑工程的設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中，必須適應(yīng)相應(yīng)的地質(zhì)條件與周邊建筑物情況，保證基坑工程的安全、有效[3]．隨著城市鐵路運(yùn)輸?shù)牟粩喟l(fā)展，為了充分利用空間與土地資源，深基坑會(huì)變得更加緊湊．一方面，由于深基坑會(huì)改變鐵路周圍的周邊環(huán)境，對(duì)既有鐵路軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，從而增大鐵路行車風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，臨近既有鐵路增加了深基坑工程的復(fù)雜度，從而對(duì)基坑的施工產(chǎn)生了不利影響[4]．

1 工程實(shí)例

南港鐵路是連接天津港與國(guó)家鐵路的新建鐵路工程，正線全長(zhǎng)43.79,km，總投資大約42億元，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)家一級(jí)電氣鐵路．南港鐵路位于天津市濱海新區(qū)東南部，線路起自萬(wàn)家碼頭附近，樞紐西南環(huán)線萬(wàn)家碼頭站以西洪泥河線路所和萬(wàn)家碼頭站以東八米河線路所，向東南經(jīng)萬(wàn)碼南站、減河北站，跨獨(dú)流減河后進(jìn)入南工業(yè)區(qū)．右線線路長(zhǎng)8.675,km，萬(wàn)碼南站站外至南港站站外線路長(zhǎng)17.553,km，南港站站外至分區(qū)車場(chǎng)一站外線路長(zhǎng)4.350,km；八米河線路所至萬(wàn)碼南站站前左線線路長(zhǎng)5.746,km，右線線路長(zhǎng)5.743,km；萬(wàn)家碼頭站至萬(wàn)碼南站聯(lián)絡(luò)線左線4.787,km，右線1.938,km．南港鐵路建設(shè)將提升南港工業(yè)區(qū)的對(duì)外集疏運(yùn)能力．

根據(jù)天津市2014年公布的鐵路計(jì)劃，天津市共計(jì)有148,km鐵路同步建設(shè)．其中，新開(kāi)通的項(xiàng)目包括津保鐵路(天津段)、京津城際延伸線工程、西南環(huán)線擴(kuò)能改造、南港鐵路．本文選取南港鐵路某段鐵路線，分析其對(duì)臨近基坑開(kāi)挖的影響．根據(jù)圖紙，基坑的大小為6,m×6,m×6,m，由勘察報(bào)告得知，在基坑開(kāi)挖的過(guò)程中，涉及的土質(zhì)有粉質(zhì)黏土、粉砂、粉土、黏土．但由于粉質(zhì)黏土與粉砂含量較少，因此簡(jiǎn)化為該土層結(jié)構(gòu)主要有兩層，即：①粉土；②黏土．主要參數(shù)見(jiàn)表1．

表1 土層主要物理參數(shù)

2 既有列車荷載的模擬

既有鐵路要求軸重范圍為160～180,kN．為了使計(jì)算具有說(shuō)服力，取列車軸重Q＝170,kN，將其等效為均布荷載．根據(jù)研究報(bào)告《高速鐵路振動(dòng)荷載的模擬研究》[5]中計(jì)算靜荷載的公式，取既有鐵路枕軌長(zhǎng)度S為2.8,m，動(dòng)力系數(shù)k1＝1.5，分散系數(shù)k2＝0.8[6]，則作用的均布荷載為

動(dòng)荷載的影響因素有兩部分，即車輛因素和軌道因素：車輛因素主要指列車軸重、行車速度、車輪安裝偏心等；軌道因素主要包括軌道的不平順、鐵路的路橋過(guò)渡以及鐵路路基的影響．本文采用文獻(xiàn)[5]中公式模擬動(dòng)荷載

式中

F(t)—既有鐵路動(dòng)荷載；

P0—車輪靜載；

P1—行車平穩(wěn)性條件下的振動(dòng)荷載幅值；

P2—作用到線路上的力附加荷載條件下的振動(dòng)荷載幅值；

P3—波形磨耗條件下的振動(dòng)荷載幅值[7]；

w1、w2、w3—不同荷載幅值對(duì)應(yīng)的圓頻率[8]．

根據(jù)規(guī)范，0P＝80,kN，分散系數(shù)k2＝0.7，疊加系數(shù)k3=1.5，取列車長(zhǎng)度為120,m，既有列車動(dòng)荷載作用時(shí)間長(zhǎng)為t＝L/v．依據(jù)圖紙，得出既有列車速度為180,km/h．由此可以得出列車在行駛過(guò)程中產(chǎn)生的豎向力隨時(shí)間的變化曲線如圖1所示．

圖1 180,km/h時(shí)速下豎向作用力與時(shí)間的關(guān)系曲線

3 計(jì)算模型

取南港鐵路某處既有鐵路線附近基坑，用大型有限元軟件ANSYS建立三維模型，其中基坑大小為6,m×6,m×6,m．考慮既有列車動(dòng)荷載影響以及基坑開(kāi)挖的影響，為了確定模擬的精確性，取模型大小為10,H×10,B×10,A，即60,m×60,m×60,m，其中樁體直徑為0.6,m，樁長(zhǎng)30,m，基坑單邊支護(hù)10根樁．模擬體的約束條件為底面全約束，4個(gè)側(cè)面為水平約束．模型為土的本構(gòu)模型，對(duì)樁采取BEAM 188單元，對(duì)粉土與黏土采取SOLID 45單元，并定義相關(guān)參數(shù)．樁與土體之間為面-面接觸，將樁體分成30等份，采用庫(kù)倫摩擦模型[9-10]，將樁體與土體進(jìn)行耦合．圖2、圖3分別為有限元計(jì)算模型與基坑周圍支護(hù)樁體模型．

圖2 有限元計(jì)算模型

圖3 基坑樁體模型

4 既有鐵路線與基坑不同距離時(shí)的基坑性狀

對(duì)既有鐵路與基坑取不同距離進(jìn)行模擬，分別取鐵路線距離基坑12，16，20，24,m[5,11]，將靜力荷載與動(dòng)力荷載輸入已建立模型中，其中靜力荷載以均布荷載的形式體現(xiàn)，動(dòng)力荷載以地震波的形式輸入．表2為既有鐵路與基坑不同距離時(shí)，將基坑深度分為13個(gè)測(cè)試點(diǎn)，分別得出的樁體的位移．

由表2可以看出：隨著既有鐵路線與基坑距離的不斷增大，樁的位移越來(lái)越小；當(dāng)基坑與樁的位移為24,m時(shí)，基坑底部(6,m)對(duì)應(yīng)樁體位移為1.38,mm，位移量已經(jīng)很?。治鼍植靠梢钥闯?，在樁體頂部的測(cè)試點(diǎn)，既有鐵路線距離基坑不同距離時(shí)，樁體的變形量較大；隨著既有鐵路線與基坑距離的增大，樁體的變形量逐漸變?。鶕?jù)遞減規(guī)律，推測(cè)當(dāng)既有鐵路線與基坑距離在25.2,m(4.2倍基坑深度)時(shí)，基坑周圍樁體位移基本為零．

表2 不同深度對(duì)應(yīng)樁體的位移 mm

5 結(jié) 論

(1)既有鐵路線與基坑對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響確實(shí)存在．

(2)當(dāng)既有鐵路線與基坑距離為基坑深度的4.2倍時(shí)，基坑周圍樁體位移量基本為零．即當(dāng)兩者的距離為4.2倍基坑深度以內(nèi)時(shí)，應(yīng)該考慮既有鐵路線對(duì)基坑的影響．

(3)雖然本文采用數(shù)值模擬與理論分析方法分析了既有鐵路線對(duì)基坑開(kāi)挖單排樁基礎(chǔ)變形性能的影響，討論了既有鐵路線與基坑不同距離以及不同深度測(cè)試點(diǎn)這兩個(gè)變量的相互影響，但是由于在建立模型考慮土質(zhì)的時(shí)候，只考慮了黏土與砂土，未考慮每一分層土的影響，而實(shí)際工程地質(zhì)情況是比較復(fù)雜的，因此在以后的研究中應(yīng)該考慮每一層土的影響．

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The Effect Research of Existing Railway in Deep Foundation Pit During Construction Period

LUO Bin
(China Railway Sixth Group Tianjin Railway Construction Co. Ltd.，Tianjin 300232，China)

With the development of the national railway network,it involves interaction between deep foundation pit and existing railway during construction period. The study is based on the foundation pit project of Nangang Railway construction,and analysis models are established for the study of interaction between existing railway and deep foundation pit excavation,using large finite element software ANSYS. According to simulate different distances between existing railway and deep foundation,the author analyses the internal force and deformation of single-row piles,then reaches a conclusion of the critical distance. It is suggested that the influence of intercity railway should be considered in engineering design if the distance is within 4.2 times of the excavation depth of foundation pit.

existing railway；deep foundation pit；ANSYS；dynamic loading

U213.1

A

2095-719X(2015)02-0099-04

2014-09-12；

2014-11-17

天津市自然科學(xué)基金(13JCYBJC19600)

羅 彬（1979—），男，天津人，中鐵六局集團(tuán)天津鐵路建設(shè)有限公司工程師.