既有铁路线对邻近基坑开挖的影响

罗 彬

(中铁六局集团天津铁路建设有限公司，天津 300232)

既有铁路线对邻近基坑开挖的影响

罗 彬

(中铁六局集团天津铁路建设有限公司，天津 300232)

随着我国城际高速铁路的迅速发展，在工程施工中，必然会遇到临近既有铁路线与基坑开挖的相互影响．以南港铁路既有铁路线与基坑开挖为背景，运用大型有限元软件ANSYS，建立分析模型，对既有铁路与临近基坑开挖的相互影响进行研究，模拟既有铁路线与基坑不同距离、基坑单排桩水平位移的大小，结果表明：当基坑与既有铁路线的距离在4.2倍基坑深度范围之内时，需要考虑两者之间的互相影响．

既有铁路；深基坑；ANSYS；动荷载

近年来，随着我国建设水平的提高与整体运输能力的提升，快速便捷的铁路系统已经成为新时期区域间政治、经济、文化联系的纽带．预计到2020年，我国将建成以四纵四横快速铁路为主体、城际客运专线为补充的总计30,000,km的铁路网[1]．

20世纪90年代末以来，随着我国市政项目、高层建筑、地下空间等城市大规模建设工程的发展，基坑工程施工与设计水平随之逐渐提高，基坑工程的相关理论也得到了迅速发展．但是，因为基坑工程面临着环境与地质条件的改变，所以基坑的设计与施工迎来了新的挑战[2]．

由于建筑物密度的不断增大，使越来越多的基坑临近房屋建造物以及铁路工程．近些年，基坑开挖造成的安全事故日益增多，损失也越来越严重．2008-11-15T15：15，正在施工的杭州地铁湘湖站北2基坑现场发生大面积坍塌事故，造成21人死亡．经调查，事故直接原因：一是施工单位违规施工，冒险作业，基坑严重超挖；支撑体系存在严重缺陷，且钢管支撑架设不及时；垫层未及时浇筑；二是监测单位施工监测失效，施工单位没有采取有效补救措施．因此，在基坑工程的设计与施工过程中，必须适应相应的地质条件与周边建筑物情况，保证基坑工程的安全、有效[3]．随着城市铁路运输的不断发展，为了充分利用空间与土地资源，深基坑会变得更加紧凑．一方面，由于深基坑会改变铁路周围的周边环境，对既有铁路轨道结构产生变形，从而增大铁路行车风险；另一方面，临近既有铁路增加了深基坑工程的复杂度，从而对基坑的施工产生了不利影响[4]．

1 工程实例

南港铁路是连接天津港与国家铁路的新建铁路工程，正线全长43.79,km，总投资大约42亿元，建设标准为国家一级电气铁路．南港铁路位于天津市滨海新区东南部，线路起自万家码头附近，枢纽西南环线万家码头站以西洪泥河线路所和万家码头站以东八米河线路所，向东南经万码南站、减河北站，跨独流减河后进入南工业区．右线线路长8.675,km，万码南站站外至南港站站外线路长17.553,km，南港站站外至分区车场一站外线路长4.350,km；八米河线路所至万码南站站前左线线路长5.746,km，右线线路长5.743,km；万家码头站至万码南站联络线左线4.787,km，右线1.938,km．南港铁路建设将提升南港工业区的对外集疏运能力．

根据天津市2014年公布的铁路计划，天津市共计有148,km铁路同步建设．其中，新开通的项目包括津保铁路(天津段)、京津城际延伸线工程、西南环线扩能改造、南港铁路．本文选取南港铁路某段铁路线，分析其对临近基坑开挖的影响．根据图纸，基坑的大小为6,m×6,m×6,m，由勘察报告得知，在基坑开挖的过程中，涉及的土质有粉质黏土、粉砂、粉土、黏土．但由于粉质黏土与粉砂含量较少，因此简化为该土层结构主要有两层，即：①粉土；②黏土．主要参数见表1．

表1 土层主要物理参数

2 既有列车荷载的模拟

既有铁路要求轴重范围为160～180,kN．为了使计算具有说服力，取列车轴重Q＝170,kN，将其等效为均布荷载．根据研究报告《高速铁路振动荷载的模拟研究》[5]中计算静荷载的公式，取既有铁路枕轨长度S为2.8,m，动力系数k1＝1.5，分散系数k2＝0.8[6]，则作用的均布荷载为

动荷载的影响因素有两部分，即车辆因素和轨道因素：车辆因素主要指列车轴重、行车速度、车轮安装偏心等；轨道因素主要包括轨道的不平顺、铁路的路桥过渡以及铁路路基的影响．本文采用文献[5]中公式模拟动荷载

式中

F(t)—既有铁路动荷载；

P0—车轮静载；

P1—行车平稳性条件下的振动荷载幅值；

P2—作用到线路上的力附加荷载条件下的振动荷载幅值；

P3—波形磨耗条件下的振动荷载幅值[7]；

w1、w2、w3—不同荷载幅值对应的圆频率[8]．

根据规范，0P＝80,kN，分散系数k2＝0.7，叠加系数k3=1.5，取列车长度为120,m，既有列车动荷载作用时间长为t＝L/v．依据图纸，得出既有列车速度为180,km/h．由此可以得出列车在行驶过程中产生的竖向力随时间的变化曲线如图1所示．

图1 180,km/h时速下竖向作用力与时间的关系曲线

3 计算模型

取南港铁路某处既有铁路线附近基坑，用大型有限元软件ANSYS建立三维模型，其中基坑大小为6,m×6,m×6,m．考虑既有列车动荷载影响以及基坑开挖的影响，为了确定模拟的精确性，取模型大小为10,H×10,B×10,A，即60,m×60,m×60,m，其中桩体直径为0.6,m，桩长30,m，基坑单边支护10根桩．模拟体的约束条件为底面全约束，4个侧面为水平约束．模型为土的本构模型，对桩采取BEAM 188单元，对粉土与黏土采取SOLID 45单元，并定义相关参数．桩与土体之间为面-面接触，将桩体分成30等份，采用库伦摩擦模型[9-10]，将桩体与土体进行耦合．图2、图3分别为有限元计算模型与基坑周围支护桩体模型．

图2 有限元计算模型

图3 基坑桩体模型

4 既有铁路线与基坑不同距离时的基坑性状

对既有铁路与基坑取不同距离进行模拟，分别取铁路线距离基坑12，16，20，24,m[5,11]，将静力荷载与动力荷载输入已建立模型中，其中静力荷载以均布荷载的形式体现，动力荷载以地震波的形式输入．表2为既有铁路与基坑不同距离时，将基坑深度分为13个测试点，分别得出的桩体的位移．

由表2可以看出：随着既有铁路线与基坑距离的不断增大，桩的位移越来越小；当基坑与桩的位移为24,m时，基坑底部(6,m)对应桩体位移为1.38,mm，位移量已经很小．分析局部可以看出，在桩体顶部的测试点，既有铁路线距离基坑不同距离时，桩体的变形量较大；随着既有铁路线与基坑距离的增大，桩体的变形量逐渐变小．根据递减规律，推测当既有铁路线与基坑距离在25.2,m(4.2倍基坑深度)时，基坑周围桩体位移基本为零．

表2 不同深度对应桩体的位移 mm

5 结 论

(1)既有铁路线与基坑对支护结构的影响确实存在．

(2)当既有铁路线与基坑距离为基坑深度的4.2倍时，基坑周围桩体位移量基本为零．即当两者的距离为4.2倍基坑深度以内时，应该考虑既有铁路线对基坑的影响．

(3)虽然本文采用数值模拟与理论分析方法分析了既有铁路线对基坑开挖单排桩基础变形性能的影响，讨论了既有铁路线与基坑不同距离以及不同深度测试点这两个变量的相互影响，但是由于在建立模型考虑土质的时候，只考虑了黏土与砂土，未考虑每一分层土的影响，而实际工程地质情况是比较复杂的，因此在以后的研究中应该考虑每一层土的影响．

参考文献：

［1］ 李 琼. 客运专线引入枢纽方案及站址问题研究[J]西南交通大学学报，2010，24(1)：24-27.

［2］ 张国亮. 紧邻既有线地铁车站深基坑工程稳定与变形特性研究[J]. 中南大学学报，2001，23(12)：57-59，67.

［3］ 吴 刚. 深基坑支护工程施工要点分析[J]. 西南交通大学学报，2006，28(4)：89-94.

［4］ 刘少炜. 软土深基坑变形性状及围护结构数值模拟研究[J]. 重庆大学学报，2010，19(2)：195-199.

［5］ 梁 波，罗 红，孙常新. 高速铁路振动荷载的模拟研究[J]. 铁道学报，2006，28(4)：89-94.

［6］ 长沙铁道学院随机振动研究室. 关于机车车辆/轨道系统随机激励函数的研究[R]. 长沙：长沙铁道学院，1985.

［7］ 王绍鹏. 土体动弹性模量与动剪切模量关系对比研究[D]. 大连：大连理工大学，2008.

［8］ 聂志红. 高速铁路轨道路基竖向动力响应研究[D]. 长沙：中南大学，2005.

［9］ TB1001—2005，铁路路基设计规范[S].

［10］ 刘升传，吴立坚. 动荷载下路桥过渡段双线路基动力响应特性[J]. 交通运输工程学报，2009，9(6)：26-31.

［11］ WHITWORTH H A．Fatigue crack formation and repair strategies for steel cantilever bracket tie plates abstrack，Engineering Structures，2013，3(1)：21-27．

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

天津市自然科学基金(13JCYBJC19600)

罗 彬（1979—），男，天津人，中铁六局集团天津铁路建设有限公司工程师.