長(zhǎng)大深基坑對(duì)鄰近城際鐵路路基變形的影響分析

張鳳維

中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津300308

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城際鐵路保護(hù)范圍以內(nèi)的新建構(gòu)筑物日益增多，使得鐵路路基不可避免地受到構(gòu)筑物基坑施工的影響［1-3］。城際鐵路運(yùn)營(yíng)速度快、軌道平順性要求高［4］，科學(xué)評(píng)價(jià)基坑施工對(duì)既有鐵路路基的影響，對(duì)于確保城際鐵路安全運(yùn)營(yíng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)鄰近鐵路的基坑開(kāi)挖做了大量研究。王菲［5］以某大面積深基坑為工程背景，分別對(duì)高速鐵路路基及橋梁的豎向變形、相鄰橋墩差異豎向變形、橫向水平變形、縱向水平變形、軌道平順性、橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全性等進(jìn)行了計(jì)算分析。鄭明新等［6］以福建莆田一框架保護(hù)涵下穿高速鐵路莆田特大橋深基坑工程為背景，運(yùn)用有限元軟件分析了基坑開(kāi)挖過(guò)程，研究了基坑開(kāi)挖過(guò)程中鄰近基坑的橋墩墩臺(tái)豎向變形和樁基變形規(guī)律。禚一等［7］以天津地區(qū)一鄰近高速鐵路的道路下穿高速鐵路工程為背景，對(duì)不同距離、不同挖深、不同封閉式路塹節(jié)段的基坑施工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值分析，研究了路基附加差異豎向變形與軌道的平順性。王培鑫等［8］以某緊鄰既有鐵路的基坑工程為依托，基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了路基與基坑的變形規(guī)律、豎向變形原因和控制措施。劉玉恒等［9］針對(duì)大連某位于鐵道鄰近位置的地下管廊基坑開(kāi)挖工程，采用了有限差分軟件對(duì)基坑的開(kāi)挖和支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與周圍地層位移等問(wèn)題。

綜上，鄰近鐵路的基坑開(kāi)挖會(huì)使既有鐵路產(chǎn)生相應(yīng)的附加豎向變形與水平變形，鐵路變形規(guī)律與基坑距鐵路的距離、基坑開(kāi)挖規(guī)模、基坑支護(hù)方式等密切相關(guān)，采取有效的基坑支護(hù)措施，可以明顯減小鐵路的附加變形。工程項(xiàng)目、工程地質(zhì)條件的不同，使得基坑開(kāi)挖引起的鐵路變形特征差異迥然［10-11］。據(jù)此，為確保北京市一長(zhǎng)大深基坑的施工安全以及鄰近城際鐵路的運(yùn)營(yíng)安全，本文采用FLAC 3D軟件建立三維數(shù)值模型，對(duì)基坑鉆孔樁的施工過(guò)程、基坑的開(kāi)挖過(guò)程以及建筑荷載的施加進(jìn)行數(shù)值模擬，分析城際鐵路的豎向及軌向變形特征，為實(shí)際施工提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程背景

北京一棚戶區(qū)改造項(xiàng)目位于東城區(qū)南二環(huán)外，北側(cè)鄰近京津城際鐵路，該區(qū)間鐵路主要以路基形式通過(guò)。路基基床由表層和底層組成，表層厚度0.4 m，底層厚度2.3 m，基底采用夯實(shí)碎石樁與CFG樁處理，如圖1所示。該項(xiàng)目1標(biāo)基坑深度為13.72～15.07 m，基坑邊緣與京津城際鐵路坡腳最近距離約為18.9 m，主要采用鉆孔樁+預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)形式。該項(xiàng)目2標(biāo)基坑深度約為4.5 m，主要采用土釘墻坡面防護(hù)。

圖1 京津城際鐵路示意

研究區(qū)域位于古金溝河和古漯水河河間地塊范圍內(nèi)，屬于平原地貌。依據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、工程地質(zhì)鉆探揭示，工程區(qū)范圍內(nèi)的土層近水平分布，由地表向下可分為人工填土層、第四級(jí)全新世沖洪積層、第四級(jí)晚更新世沖洪積層三大類，巖土性質(zhì)可分為雜填土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、卵石。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

2.1.1 鉆孔樁模型

考慮鉆孔樁直徑與基坑的尺寸關(guān)系，為更好地體現(xiàn)鉆孔開(kāi)挖后的孔壁變形特征，選取城際鐵路距離基坑最近的里程段落JJK3+200—JJK3+212.8建立鉆孔樁的局部三維數(shù)值模型，見(jiàn)圖2，用于計(jì)算鉆孔樁開(kāi)挖過(guò)程的巖土變形特征。土體及鉆孔樁均采用實(shí)體單元模擬，鋼護(hù)筒采用shell單元模擬。計(jì)算模型尺寸為12.8 m×112.3 m×60.0 m。模型共劃分了170 290個(gè)單元，109 527個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 鉆孔樁三維數(shù)值模型

2.1.2 整體模型

整體模型用于計(jì)算基坑開(kāi)挖過(guò)程及施加建筑荷載后的巖土變形特征。土體采用實(shí)體單元模擬，土釘墻坡面防護(hù)采用shell單元模擬，鉆孔樁采用pile單元模擬，錨索采用cable單元模擬，見(jiàn)圖3。考慮尺寸效應(yīng)，基坑四周及底部向外各延伸3倍基坑最大開(kāi)挖深度，模型尺寸為671 m×245 m×60 m，計(jì)算范圍完全滿足計(jì)算精度的要求。模型共劃分了795 463個(gè)單元，516 986個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 整體三維數(shù)值模型

2.2 計(jì)算參數(shù)及邊界條件

本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型。依據(jù)土工試驗(yàn)報(bào)告確定土層相關(guān)力學(xué)參數(shù)，其中土的壓縮模量考慮其深度，選擇對(duì)應(yīng)壓力段的壓縮模量，既有京津城際鐵路地基采用面積置換法確定復(fù)合加固區(qū)的彈性模量。計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。模型邊界條件為：模型四周約束法向位移，模型底部為三個(gè)方向固定的位移邊界條件，地面及其以上采用自由邊界條件。

表1 計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 鉆孔樁施工對(duì)路基變形影響

3.1.1 孔壁無(wú)防護(hù)措施

孔壁無(wú)防護(hù)措施工況下，孔口雜填土段最大豎向變形為1 861.3 mm，最大水平變形為1 812.8 mm，見(jiàn)圖4，計(jì)算無(wú)法收斂，孔壁已經(jīng)坍塌。

圖4 孔口雜填土段變形（單位：m）

3.1.2 鋼護(hù)筒護(hù)壁

鉆孔全長(zhǎng)鋼護(hù)筒護(hù)壁工況下，孔壁豎向變形可以忽略不計(jì)，孔壁水平變形小于0.2 mm，見(jiàn)圖5，鋼護(hù)筒很好地發(fā)揮了護(hù)壁作用。

圖5 鉆孔全長(zhǎng)鋼護(hù)筒護(hù)壁時(shí)孔壁變形（單位：m）

鉆孔樁開(kāi)挖后，鄰近城際鐵路路基豎向變形與軌向變形值均小于0.1 mm，可以忽略不計(jì)，見(jiàn)圖6。這說(shuō)明鉆孔樁的開(kāi)挖對(duì)鐵路路基無(wú)影響。

圖6 鉆孔樁開(kāi)挖后路基的豎向、軌向變形（單位：m）

3.2 基坑開(kāi)挖對(duì)路基變形影響

基坑開(kāi)挖后，城際鐵路路基最大豎向變形為1.3 mm，最大軌向變形為3.7 mm，見(jiàn)圖7，且靠近1標(biāo)基坑附近的路基變形較大。

圖7 基坑開(kāi)挖后路基的豎向、軌向變形（單位：m）

基坑開(kāi)挖后，路基豎向、軌向變形監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖8?？芍郝坊Q向變形最大值出現(xiàn)在里程JJK3+600附近，為1.3 mm，且下行線豎向變形大于上行線；軌向變形最大值出現(xiàn)在里程JJK3+200附近，為3.4 mm。

圖8 基坑開(kāi)挖后路基豎向、軌向變形監(jiān)測(cè)曲線

下行線、上行線10m弦長(zhǎng)豎向差異變形最大值均為0.6 mm。下行線、上行線10 m弦長(zhǎng)軌向差異變形最大值均為0.4 mm。

3.3 建筑荷載對(duì)路基變形影響

施加建筑荷載后，鐵路路基最大豎向變形為1.9 mm，最大軌向變形為4.7 mm，見(jiàn)圖9，且靠近1標(biāo)基坑附近的路基變形較大。

圖9 施加建筑荷載后路基豎向、水平變形（單位：m）

施加建筑荷載后，鐵路路基豎向、軌向變形監(jiān)測(cè)曲線見(jiàn)圖10?？芍郝坊Q向變形最大值出現(xiàn)在里程JJK3+600附近，為1.5 mm，且下行線豎向變形大于上行線。路基軌向變形最大值出現(xiàn)在里程JJK3+200附近，為4.7 mm。

圖10 施加建筑荷載后路基豎向、軌向變形監(jiān)測(cè)曲線

下行線、上行線10 m弦長(zhǎng)豎向差異變形最大值分別為0.7、0.6 mm。下行線、上行線10 m弦長(zhǎng)軌向差異變形最大值均為0.8 mm。

4 模型驗(yàn)證

由于現(xiàn)場(chǎng)施工及監(jiān)測(cè)尚未開(kāi)展，為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)論，選取相似工程的研究結(jié)論進(jìn)行對(duì)比分析。選取的工程位于京津冀地區(qū)鄰近既有高速鐵路路基的基坑，地層以粉質(zhì)黏土、粉土為主，基坑距離既有高速鐵路線位中心約52 m，基坑沿線路方向長(zhǎng)度約133 m，基坑最大開(kāi)挖深度為11.65 m，基坑采用樁錨支護(hù)體系支護(hù)，既有高速鐵路路基采用CFG樁加固［4］，與本項(xiàng)目較相似。該項(xiàng)目數(shù)值分析中，高速鐵路路基最大豎向變形為1.73 mm，軌向變形為3.35 mm，根據(jù)施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，路基最大豎向變形為1.90 mm，最大軌向變形為3.00 mm。誤差均不超過(guò)0.4 mm，數(shù)值分析可以較好地反應(yīng)基坑開(kāi)挖過(guò)程中鄰近路基的變形情況。該工程基坑采取的支護(hù)措施、高速鐵路路基地基處理形式與本工程基本一致，且最大變形及規(guī)律較接近，軌向變形大于豎向變形，樁錨支護(hù)體系能較好地控制鄰近高速鐵路路基變形。

5 結(jié)論與建議

1）鉆孔樁孔壁無(wú)防護(hù)措施工況下，鉆孔變形過(guò)大，存在塌孔風(fēng)險(xiǎn)。采用鋼護(hù)筒護(hù)壁后，鉆孔變形值可忽略不計(jì)，且對(duì)鄰近鐵路路基變形無(wú)影響。建議實(shí)際施工時(shí)采取必要的孔壁防護(hù)措施。

2）基坑開(kāi)挖后，既有京津城際鐵路發(fā)生的豎向變形最大值為1.3 mm，軌向變形最大值為3.4 mm。10 m弦長(zhǎng)豎向、軌向差異變形最大值分別為0.6、0.4 mm。變形值及差異變形值均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

3）施加建筑荷載后，既有京津城際鐵路發(fā)生的豎向變形最大值為1.5 mm。軌向變形最大值為4.7 mm。10 m弦長(zhǎng)豎向、軌向差異變形最大值分別為0.7、0.8 mm。變形值及差異變形值均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4）基坑開(kāi)挖后以及施加建筑荷載后，路基最大豎向變形均分布在JJK3+600附近，路基最大軌向變形分布在JJK3+200附近，建議實(shí)際施工時(shí)加強(qiáng)附近區(qū)域的變形監(jiān)測(cè)。