某大型房建基坑工程對鄰近高鐵路基影響研究

李一峰

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 概述

隨著高速鐵路覆蓋越來越多的城市，為了便于城市居民的乘坐，部分高鐵車站深入市區(qū)，不可避免地與市政工程、民建工程等產(chǎn)生互相影響[1]。城市建設(shè)會(huì)產(chǎn)生大量基坑工程[2]，基坑工程的卸荷效應(yīng)使得基坑周邊土體平衡狀態(tài)遭到破壞，發(fā)生地應(yīng)力重新分布，從而引起基坑周邊土體發(fā)生位移[3]，由此可能引起運(yùn)營鐵路路基發(fā)生變形，從而影響軌道的平順性[4]。路基作為軌道的基礎(chǔ)，易受周邊環(huán)境影響，是線路結(jié)構(gòu)中薄弱且不穩(wěn)定的環(huán)節(jié)[5]。因此，規(guī)范中對高速鐵路路基變形控制要求十分嚴(yán)格[6]，鄰近高速鐵路工程應(yīng)采取有效的變形控制方案，以確保鄰近工程不影響高速鐵路的安全運(yùn)營[7]。一般情況下，經(jīng)驗(yàn)方法只能進(jìn)定性的分析，而數(shù)值分析法可以更好地模擬基坑開挖實(shí)際工況，并考慮復(fù)雜的影響因素[8]。以某鄰近高速鐵路的大型房建基坑為例，通過數(shù)值模擬法，結(jié)合既有高速鐵路軌道現(xiàn)狀，分析基坑施工對既有高鐵路基的影響，以確定安全、合理的基坑支護(hù)方案。

2 工程概況

本工程包含2個(gè)基坑，平面位置關(guān)系見圖1。對應(yīng)里程范圍為K2+913～K3+630，既有線主要以路基形式通過。

圖1 房間基坑與既有高鐵平面位置關(guān)系(單位：m)

2.1 基坑工程

1號基坑南北長91.35 m，東西寬450.89 m，基坑深13.72～15.07 m。擬建結(jié)構(gòu)地下4層，地上最高35.0 m，基坑距鐵路坡腳線最近為23.94 m，距鐵路柵欄最近為15.3 m。1號基坑擬采用“護(hù)坡樁+預(yù)應(yīng)力錨桿”支護(hù)，護(hù)坡樁φ1 m，樁間距1.6 m，樁長22 m；樁間設(shè)3～4排預(yù)應(yīng)力錨索，成孔孔徑150 mm，錨索末端距路基坡腳最近投影距離為8.48 m。支護(hù)結(jié)構(gòu)典型剖面見圖2。采用“止水帷幕+疏干井”的方式對地下水進(jìn)行處理，止水帷幕采用三重管高壓旋噴樁的形式，φ700 mm，搭接長度不小于250 mm。

圖2 1號基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)典型剖面(單位：mm)

2號基坑南北長103.11 m，東西寬121.80 m，基坑深3.72 m，采用土釘墻支護(hù)。支護(hù)結(jié)構(gòu)典型剖面見圖3。

圖3 2號基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)典型剖面(單位：mm)

2.2 既有高鐵概況

既有高鐵上下行線均為無砟軌道。路基基床由表層和底層組成，表層為0.4 m厚的級配碎石，底層為2.3 m厚的A、B組土，總厚度為2.7 m。路基基底采用CFG樁加固，樁徑0.4 m，橫向、縱向間距均為1.5 m，典型橫斷面見圖4。

圖4 既有高鐵路基典型橫斷面(單位：m)

2.3 地質(zhì)條件

擬建場地屬于平原地貌，地形起伏不大。地質(zhì)調(diào)繪、工程地質(zhì)鉆探揭示，工程區(qū)范圍內(nèi)的土層可劃分為人工填土層、第四系全新世沖洪積層、第四系晚更新世沖洪積層三大類。各土層物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 土層地質(zhì)參數(shù)

3 計(jì)算與分析

3.1 數(shù)值模型

采用Flac 3D建立整體數(shù)值模型[9]，考慮基坑周邊尺寸效應(yīng)[10]，計(jì)算模型為基坑四周及底部向外各延伸3倍[11]，模型尺寸為671 m×245 m×60 m，共劃分為795 463個(gè)單元，516 986個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型邊界條件為：模型四周為法向約束，模型底部為3個(gè)方向固定，地面及其以上采用自由邊界。基坑土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)模型，鉆孔灌注樁采用樁單元模擬，錨索采用錨索單元模擬[12]。模型中，認(rèn)為基坑設(shè)計(jì)中的止水措施能正常發(fā)揮作用，基坑開挖不引起降水，故不考慮滲流的影響。包含房建結(jié)構(gòu)的模型見圖5。

圖5 三維模型示意

模型中，地層分層及參數(shù)見表1，既有高速鐵路地基處理采用面積置換法確定復(fù)合加固區(qū)的彈性模量，既有線基床、基坑支護(hù)樁參數(shù)見表2。錨索預(yù)應(yīng)力鎖定值取320～360 kN。

表2 模型主要材料參數(shù)

3.2 計(jì)算步劃分

根據(jù)一般數(shù)值分析中計(jì)算步的劃分方法，結(jié)合施工方案，將整個(gè)流程劃分為8個(gè)計(jì)算步。

第一計(jì)算步，首先將既有高鐵路基基床、地基處理及各土層作為初始狀態(tài)，計(jì)算土層的初始應(yīng)力狀態(tài)，使其達(dá)到平衡狀態(tài)[13]。第二計(jì)算步，建立鄰近既有線新建工程模型，施作鉆孔灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)。第三步，開挖2.7 m，施作第一道錨索。第四、五、六計(jì)算步，分別開挖3 m，施作第二、第三、第四道錨索，同時(shí)分別對比開挖至相同深度時(shí)有無錨索兩種工況對鐵路路基變形的影響，以驗(yàn)證錨索在本工程樁錨支護(hù)措施中的作用。第七計(jì)算步，開挖至基底。第八計(jì)算步，建立建筑模型，回填基坑，施加各階段荷載。

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

經(jīng)過計(jì)算，提取基坑開挖階段各施工工序引起鐵路路基最大變形，見表3。

表3 基坑開挖主要施工步引起路基變形值 mm

通過對比，隨著基坑開挖深度的增大，錨索控制鄰近既有鐵路變形作用更為明顯?；娱_挖階段，開挖到基底時(shí)，基坑及鐵路路基發(fā)生的變形最大，見圖6(a)。1號基坑深度大，變形較為明顯，2號基坑深度較小，開挖引起的豎向變形也較小?；踊拙a(chǎn)生明顯的卸荷回彈效應(yīng)，1號基坑最大回彈隆起值達(dá)77 mm。開挖前，土體受力狀態(tài)為三軸應(yīng)力狀態(tài)；基坑開挖后，由于豎直及水平卸載效應(yīng)，土體水平向及豎向應(yīng)力降低，土體原有的應(yīng)力平衡被打破，在水平卸載作用下發(fā)生了相應(yīng)的水平變形，見圖6，最大水平位移為33 mm。

圖6 基坑開挖后變形云圖

施作“鉆孔灌注樁+錨索支護(hù)”并完成基坑開挖后，引起的鐵路路基最大沉降值為1.2 mm，最大水平位移值為3.2 mm，位移云圖見圖7。施加建筑荷載后，鐵路路基最大沉降值為1.4 mm，最大水平位移值為3.4 mm。新建工程引起的水平變形大于豎向變形值。上行線距離基坑較近，上行線受基坑開挖及建筑荷載影響較下行線大，最大沉降及水平位移均發(fā)生上行線K3+200附近。

圖7 基坑開挖引起既有高鐵路基變形云圖

TB1001—2016《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》，一般地段路基工后沉降量應(yīng)≤15 mm[14]，由于工程所在地區(qū)存在區(qū)域沉降，既有高鐵的絕對高程及坐標(biāo)與設(shè)計(jì)值已有偏差，部分段落的絕對變形已經(jīng)超出規(guī)范沉降控制值，無法通過工后沉降判定既有高鐵的變形是否超限。鐵運(yùn)[2012]83號《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》中[15]，建議將線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值作為不均勻變形參考值，見表4。

表4 250(不含)～350 km/h線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值

工程位置距離既有線車站較近(約為3 km)，該區(qū)段實(shí)際速度為160 km/h，故選擇經(jīng)常保養(yǎng)的控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，10 m及以下弦測量的軌道高低及水平偏差的最大矢度值為4 mm。為確保軌道平順性，沿上下行線中心布置1條測線，5 m間距提取沉降值、水平位移值，并與近期工務(wù)部門對軌道高程及中心位置的檢查數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，疊加后的高低偏差及軌向偏差應(yīng)滿足要求。軌道現(xiàn)狀、本工程基坑開挖完成并施加建筑荷載引起既有高鐵產(chǎn)生的變形及疊加后產(chǎn)生的變形情況見圖8。

圖8 本工程引起既有高鐵變形情況示意

基坑與房建結(jié)構(gòu)走向與既有高鐵線路方向大體相同，由圖8可以看出，在影響范圍內(nèi)，既有高鐵的變形較平緩。根據(jù)計(jì)算結(jié)果整理統(tǒng)計(jì)可知，新建工程10 m弦長對軌道的平順性影響較小，新建工程變形引起的10 m弦長高低值最大為0.35 mm，引起的10 m弦長軌向值為0.45 mm，滿足線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值的要求。

4 結(jié)論

該基坑工程距離運(yùn)營高鐵距離近且規(guī)模較大，運(yùn)營高鐵為無砟軌道，位移控制要求較高，通過三維數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果的分析，并綜合考慮軌道實(shí)測現(xiàn)狀，得出以下結(jié)論。

(1)隨著基坑開挖深度的增大，錨索對于控制鄰近既有鐵路變形作用較為明顯，可根據(jù)基坑開挖深度合理布置錨索位置。

(2)“鉆孔灌注樁+多排錨索”的支護(hù)方案對于基坑及鄰近既有路基的變形控制效果較好，引起的10 m弦長高低值最大為0.35 mm，引起的10 m弦長軌向值為0.45 mm，滿足軌道平順性的控制要求。

(3)在進(jìn)行鄰近工程對既有高鐵影響的計(jì)算與分析中，尚應(yīng)考慮既有高鐵軌道現(xiàn)狀，無砟軌道扣件對軌道平順性的調(diào)節(jié)能力有限，已存在的變形往往不可忽略。