深基坑開挖對臨近運營鐵路的變形影響

詹 濤，胡長明，錢偉豐，蔣鑫馳

(1. 南昌軌道交通集團有限公司，江西 南昌 330038； 2. 西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055； 3. 南昌工學院 建筑工程學院，江西 南昌 330108)

0 引 言

由于城市軌道交通的迅速發(fā)展以及地下空間開發(fā)利用的需要，地鐵施工中常常會出現(xiàn)大量深基坑工程[1-4]。當一些深基坑工程臨近既有線，基坑的開挖會引起列車軌道沉降，影響行車安全，而列車和路基在基坑一側形成的偏壓也會導致基坑變形模式發(fā)生改變。

目前，部分學者已從不同角度對臨近鐵路的偏壓基坑進行了研究：石鈺鋒等[5]對臨近鐵路偏壓基坑連續(xù)墻水平位移及內力進行實測，研究了基坑圍護結構位移和內力特征，對圍護結構穩(wěn)定性做出評價；張新東[6]深入研究了臨近鐵路的深基坑圍護結構在施工過程中的安全性及對周邊環(huán)境的影響規(guī)律；李明廣等[7]通過分層分塊模擬基坑的開挖順序，分析了深基坑開挖與臨近鐵路荷載的相互影響，揭示了臨近鐵路深基坑開挖的變形特點；王培鑫等[8]基于現(xiàn)場實測數據，選用雙液注漿方法控制地表與路基沉降，減少后續(xù)開挖施工對路基的影響。

以上文獻均研究了臨近鐵路基坑的變形、受力特征以及對周邊環(huán)境的影響，缺乏對臨近鐵路變形的控制措施研究。此外，目前國內也缺少對臨近鐵路基坑設計與施工的相關規(guī)范。筆者以南昌地鐵3號線上沙溝站為背景，通過現(xiàn)場實測和數值模擬的方法，分析了深基坑開挖對臨近鐵路的影響，提出相應的控制措施，為今后類似工程提供經驗和借鑒。

1 工程概況

1.1 臨近基坑專線概況

項目施工現(xiàn)場位于南昌市二七北路江邊客車存放場走行線和糧食專用線以北，車站總長度為511.614 m，基坑開挖深度為16.74 m,東西端頭寬為26.60 m，標準段寬為22.70 m。標準段中有擴大部分，從西至東寬度依次為24.10、23.12、23.80 m。上沙溝車站為3號線和4號線換乘車站，其中3號線車站位于二七北路北側，車站沿東西向埋設。車站周邊環(huán)境復雜，主要有：江邊客車存放場走行線和糧食專用線、江西造紙廠宿舍及玉帶河。車站南側圍護結構外邊與江邊客車存放場走行線中心線距離約6.4～8.6 m。

既有線為有縫線路，軌道結構型式為有孔鋼軌，木枕，一級碎石道床。其主要功能包括南昌站車輛取送、交遞等作業(yè)，以及車站調度員階段計劃指定的作業(yè)。每日車輛取送作為一次作業(yè)，作業(yè)次數為6～8次，高峰時期為10次，車輛作業(yè)限速為30 km/h，線路未設置接觸網。臨近既有線區(qū)域的基坑平面如圖1。

圖1 上沙溝站基坑場地平面布置Fig. 1 Plane layout of the foundation pit of Shangshagou station

1.2 工程地質條件

根據鉆探揭露，擬建場地第四系地層厚度為16.80～21.50 m。成因類型以河流沖積為主，沉積物粗細韻律變化明顯，具有典型的二元結構。地層巖性都具有下部粗(以礫砂層、中砂為主)、上部細(以粘性土為主)的韻律變化特點。土層參數見表1。

表1 不同土層主要物理力學參數Table 1 Main physical and mechanical parameters of different soil layers

1.3 基坑支護設計參數

車站圍護結構采用800 mm厚地下連續(xù)墻結合內支撐支護形式。其中內支撐分別采用鋼筋混凝土支撐和鋼管支撐。標準段自上而下設置3道橫撐：第1道支撐為800 mm×1 000 mm鋼筋混凝土支撐，支撐水平間距為9 m；第2道支撐采用Φ800、t=16 mm鋼管支撐，水平間距為3 m；第3道支撐采用Φ609、t=16 mm鋼管支撐，水平間距為3.0 m。第1道橫撐與第2道間距為6.25 m，第2道橫撐與第3道間距為5.2 m。在東西端頭四角自上而下各設置3道角撐：第1道角撐為800 mm×1 000 mm鋼筋混凝土角撐；第2道角撐采用Φ800、t=16 mm鋼管角撐；第3道角撐采用Φ609、t=16 mm鋼管角撐。角撐與基坑邊夾角為45°?；炷两菗窝鼗舆吽骄嚯x為5.0 m，共設置兩道；鋼管角撐沿基坑邊水平距離為2.5 m，共設置4道。車站采用明挖順筑法施工，連續(xù)墻及混凝土橫撐均采用C30混凝土。基坑標準段構剖面如圖2。

圖2 基坑圍護結構剖面(單位：m)Fig. 2 Profile of maintenance structure of foundation pit

2 基坑開挖數值模擬

2.1 模型建立與基本假定

采用有限元分析軟件ABAQUS對基坑工程的開挖進行全過程模擬。在建立三維有限元模型時，根據工程經驗及有限元計算精度的要求(基坑開挖影響寬度的選取約為開挖深度的3～5倍)，將模型尺寸定為90 m×60 m×40 m。模型采用位移邊界條件限制了底部3個方向上的位移，各立面限制其相應水平方向位移，即平行于X軸的面限制其Y方向位移，平行于Y軸的面限制其X方向位移。另外，考慮部分參數對模擬計算結果影響較小的情況，在建模時做如下假定：

1)假定土體為均質且各向同性的彈塑性體, 圍護結構和橫撐為理想的彈性體。

2)連續(xù)墻與橫撐兩種單元之間采用剛性聯(lián)接。

3)開挖之前圍護結構施工引起的土體變位應力和性狀的改變不予考慮，同樣也不考慮連續(xù)墻與土體之間可能發(fā)生的滑動。

2.2 工況設置與模型參數

首先對基坑模型進行地應力平衡，再模擬開挖過程。將基坑開挖施工設置為5個不同的工況，運用ABAQUS中的單元生死功能，移除相應的土體單元和添加相應的支護結構單元，施工工況如表2。

表2 基坑開挖施工工況Table 2 Construction conditions of deep excavation

模型涉及兩種基本單元。土體和連續(xù)墻采用C3D8R三維八節(jié)點實體單元，混凝土支撐和鋼支撐采用B31三維一階梁單元。在有限元計算中，由于塑形模型參數不易選取，且此基坑在施工中無較大集中應力，因此，土體考慮以Mohr-Coulomb為屈服準則的理想彈塑性模型，而內支撐和連續(xù)墻則考慮為線彈性模型。計算模型中實體單元總數為31 996個，單元節(jié)點為38 674個。重要材料物理力學參數如表3，土體模型參數的選取如表1。

表3 材料物理力學參數Table 3 Physical and mechanical parameters of materials

2.3 既有線的模擬

石鈺鋒[9]認為：鐵軌附近動荷載在地層中衰減較快，3～5 m深處動荷載能夠衰減到90%以上。列車作業(yè)限速為30 km/h，為了模擬鐵路真實環(huán)境，并結合本工程特點，列車荷載可簡化為靜荷載：以離基坑標準段外邊緣6.75 m位置為中心線布置一道均布荷載，荷載作用寬為3.7 m，作用大小為59.7 kPa，以此來模擬臨近基坑的既有專線?；佑邢拊Ｐ腿鐖D3。

圖3 基坑整體有限元模型(單位：m)Fig. 3 Integral finite element model of foundation pit

3 鐵路變形計算結果分析

3.1 鐵路軌道變形控制指標

由于基坑在鐵路附近開挖，因此，基坑工程的施工必須嚴格控制鐵路變形，確保鐵路的正常、安全運營。本次模擬分析的既有線列車屬于經常保養(yǎng)的鐵路軌道,根據《鐵路線路維修規(guī)則》(鐵運〔2006〕146號)要求，并參照國內相同工程類比經驗及相關規(guī)范，在基坑開挖時，需將軌道軌距偏差控制在-4～7 mm區(qū)間內，軌道水平差異沉降偏差控制在-6～6 mm區(qū)間內。

3.2 鐵路軌道變形分析

圖4為模擬基坑開挖5種不同工況下軌距偏差變化曲線，其中，0 m位置為圖3中剖面1-1位置。由圖4可知：軌距偏差隨著基坑開挖深度的增大而增大；工況1～工況5的軌距偏差增大速率逐漸減小，這是因為連續(xù)墻和橫撐的設置很好地限制了基坑周邊土體的相對運動；基坑開挖至坑底時，軌距偏差變化最大。圖5為5種不同工況下軌道水平差異沉降變化曲線。由圖5可知，軌道水平差異沉降隨著基坑開挖深度的增大而增大，在各個工況下，其數值沿既有線東西長度方向的變化速率比軌距偏差小。地下連續(xù)墻的變形在陰角和陽角處均存在明顯的空間效應[10]。針對支護結構進行分析，發(fā)現(xiàn)在基坑西端頭陰角處，短邊地下連續(xù)墻、斜撐以及橫撐共同作用形成約束，限制了周邊土體擾動。由圖4、圖5可知，軌距偏差與軌道水平差異沉降均在60 m左右處出現(xiàn)峰值，此處正是基坑陽角的所在位置，因距離陰角較遠，陽角處可近似看作只有橫撐限制土體擾動，因此，系統(tǒng)剛度較小，空間效應更加明顯。

圖4 軌距偏差變化曲線Fig. 4 Variation curve of the gauge deviation

圖5 軌道水平差異沉降變化曲線Fig. 5 Variation curve of rail horizontal differential settlement

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，基坑施工過程中，雖然軌道軌距偏差、軌道水平差異沉降最大值分別為4.5、5 mm，均分別未達到報警值7、6 mm，但是在現(xiàn)場實際施工中難免會對基坑周邊土體產生過度擾動。為避免實際施工對鐵路軌道產生過大影響，有必要對現(xiàn)有鐵路進行加固。

4 鐵路變形控制措施

4.1 鐵路加固施工方案

為了有效控制鐵路軌道變形，確保鐵路運行安全，車站基坑開挖之前，在圍護結構與鐵路中間設置一排Φ800鉆孔灌注樁，對鐵路進行隔離加固，較大的隔離剛度可有效限制土體橫向移動。施工中鉆孔灌注樁進入中風化泥質粉砂巖深度為0.5 m，成孔深度為21.467 m，有效樁長為20.667 m。樁間采用Φ600@450的旋噴止水樁，止水樁樁長等長于鉆孔灌注樁。主體圍護樁采取分批跳孔間隔法施做鉆孔灌注樁。鉆孔灌注樁與旋噴止水樁具體布設位置如圖6。

圖6 鉆孔灌注樁與旋噴止水樁布置(單位：mm)Fig. 6 Layout of drilling piles, sealing up piles with jet grouting

4.2 鐵路加固效果分析

由于實際工程中樁的數量較多，根據抗彎剛度等效的原則，在計算中將其等效為地下連續(xù)墻進行分析。計算所得墻厚為0.6 m，計算方法如式(1):

(1)

式中：h為墻厚，m；D為樁徑,m；d為樁心距，m。

運用ABAQUS有限元軟件對隔離加固后的臨近鐵路基坑進行開挖施工模擬,采用C3D8R三維八節(jié)點實體單元模擬隔離結構。 圖7、圖8分別為隔離加固后軌距偏差、軌道水平差異沉降變化曲線。由圖7、圖8可知，軌道最大軌距偏差值為2.8 mm，最大軌道水平差異沉降值為2.86 mm，說明對鐵路進行隔離加固后，軌距偏差和軌道水平差異沉降的數值遠小于未加固以前，列車行駛更加安全。

圖7 加固后軌距偏差變化曲線Fig. 7 Variation curve of the gauge deviation after reinforcement

圖8 加固后軌道水平差異沉降變化曲線Fig. 8 Variation curve of rail horizontal differential settlement after reinforcement

由圖7可知：軌道軌距偏差隨著基坑開挖深度的增大而增大；陰陽角處基坑空間效應明顯；基坑陽角處軌距偏差變化較為復雜，沿東西方向呈先減小后增大趨勢。筆者認為，隔離結構與地下連續(xù)墻形成了一種特殊結構，即無冠梁的雙排樁結構。朱慶科[11]認為，雙排樁支護結構的前、后排樁在靠近坑角處位移曲線呈現(xiàn)明顯的“鼓肚”特征，隨著與坑角距離的增大，位移曲線的“鼓肚”特征減弱。雙排樁的位移也反映了樁后土體位移，基坑由西向東開挖，在陽角處軌距偏差增大，且出現(xiàn)峰值；然而隔離結構與連續(xù)墻之間缺少冠梁連接，不能像常規(guī)雙排樁一樣正常工作，隨著開挖的進行，前排樁不能帶動后排樁產生自穩(wěn)能力，導致灌注樁樁頂向鐵路一側移動，此時，軌道軌距偏差逐漸減小；隨著基坑繼續(xù)開挖，隔離結構與連續(xù)墻的變形逐漸平穩(wěn)，軌距偏差又逐漸增大，直至穩(wěn)定。

由圖8可知，經隔離加固后，水平差異沉降值雖然明顯減小，但其變化較快，曲線在基坑陽角處空間效應明顯。這是由于基坑開挖是一個土體卸載的過程，圍護結構后側的土體隨開挖的進行向坑內流動。隔離結構的鉆孔灌注樁埋深小于連續(xù)墻埋深，墻下土體向坑內流動得更多，而樁下一定范圍內的土體卻被連續(xù)墻遮擋，無法流動，導致灌注樁產生沉降量大于連續(xù)墻的沉降。同時，樁土之間存在的摩擦帶動近側土體沉降量增大，因此，隔離加固后的軌道水平差異沉降略大于未加固以前，在基坑坑角處空間效應比較明顯的位置處，軌道水平差異沉降范圍更大。

總體而言，鉆孔灌注樁結合旋噴止水樁形成的隔離結構能有效控制鐵路變形，開挖施工時應密切注意基坑空間效應的影響，設置隔離加固結構后，對基空間效應更加復雜，易引起位移突變，尤其是對基坑陽角處位移有顯著影響。

5 實測數據與數值模擬對比分析

鐵路軌道4個測點的現(xiàn)場平面布置見圖6。圖6中：GDX1-1、GDX1-2測點為鐵路軌道水平位移測點，以向基坑內側為正，向基坑外側為負；DBC1-1、DBC1-2測點為鐵路軌道沉降測點，以隆起為正，沉降為負。圖9為現(xiàn)場實測結果與有限元計算結果的對比。圖9(a)～圖9(d)分別為4個測點變形量隨施工進度的變化曲線。由圖9可見，模擬結果與實測數據略有差別，但是二者的總體趨勢基本一致。實測結果數據較多且過于離散，而有限元計算結果較為穩(wěn)定。實測數據與有限元計算結果的誤差在0.3 mm范圍內，屬于正常誤差，二者的數據基本吻合，說明在建立有限元模型時所做出的假定、所選用的參數以及對鐵路荷載的簡化合理可靠，能夠較好地模擬現(xiàn)場基坑開挖施工過程。同時，可在此模型的基礎上改變參數，研究基坑開挖施工的其它影響因數。

圖9 實測結果與有限元計算對比Fig. 9 Comparison between the measured results and the finite element calculation ones

6 結 論

筆者結合工程實例，通過數值模擬方法，研究了基坑開挖施工過程中對臨近鐵路的變形影響，并對鐵路的加固保護效果進行分析，得出以下結論：

1)未對鐵路進行隔離加固時，基坑開挖引起的軌道軌距偏差、軌道水平差異沉降最大值分別為4.5、5 mm，雖然未達到報警值，可實際施工中易對周邊土體造成過度擾動，影響鐵路正常運行。

2)采用鉆孔灌注樁結合旋噴止水樁對鐵路進行隔離加固，有效減小了鐵路變形，加固效果顯著?；拥目臻g效應在坑角處十分明顯，在設置了隔離結構之后，隔離結構與地下連續(xù)墻形成了無冠梁的雙排樁結構，空間效應更為復雜，在今后實際工程中應引起重視。

3)通過實測數據與模擬結果的對比分析，二者的曲線變化趨勢基本一致，且誤差范圍在正常誤差范圍內，數據基本吻合。模型建立時所做出的假定、所選用的參數以及對鐵路荷載的簡化合理可靠，能夠較好地模擬基坑開挖過程。