某大型房建基坑工程对邻近高铁路基影响研究

李一峰

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

1 概述

随着高速铁路覆盖越来越多的城市，为了便于城市居民的乘坐，部分高铁车站深入市区，不可避免地与市政工程、民建工程等产生互相影响[1]。城市建设会产生大量基坑工程[2]，基坑工程的卸荷效应使得基坑周边土体平衡状态遭到破坏，发生地应力重新分布，从而引起基坑周边土体发生位移[3]，由此可能引起运营铁路路基发生变形，从而影响轨道的平顺性[4]。路基作为轨道的基础，易受周边环境影响，是线路结构中薄弱且不稳定的环节[5]。因此，规范中对高速铁路路基变形控制要求十分严格[6]，邻近高速铁路工程应采取有效的变形控制方案，以确保邻近工程不影响高速铁路的安全运营[7]。一般情况下，经验方法只能进定性的分析，而数值分析法可以更好地模拟基坑开挖实际工况，并考虑复杂的影响因素[8]。以某邻近高速铁路的大型房建基坑为例，通过数值模拟法，结合既有高速铁路轨道现状，分析基坑施工对既有高铁路基的影响，以确定安全、合理的基坑支护方案。

2 工程概况

本工程包含2个基坑，平面位置关系见图1。对应里程范围为K2+913～K3+630，既有线主要以路基形式通过。

图1 房间基坑与既有高铁平面位置关系(单位：m)

2.1 基坑工程

1号基坑南北长91.35 m，东西宽450.89 m，基坑深13.72～15.07 m。拟建结构地下4层，地上最高35.0 m，基坑距铁路坡脚线最近为23.94 m，距铁路栅栏最近为15.3 m。1号基坑拟采用“护坡桩+预应力锚杆”支护，护坡桩φ1 m，桩间距1.6 m，桩长22 m；桩间设3～4排预应力锚索，成孔孔径150 mm，锚索末端距路基坡脚最近投影距离为8.48 m。支护结构典型剖面见图2。采用“止水帷幕+疏干井”的方式对地下水进行处理，止水帷幕采用三重管高压旋喷桩的形式，φ700 mm，搭接长度不小于250 mm。

图2 1号基坑支护结构典型剖面(单位：mm)

2号基坑南北长103.11 m，东西宽121.80 m，基坑深3.72 m，采用土钉墙支护。支护结构典型剖面见图3。

图3 2号基坑支护结构典型剖面(单位：mm)

2.2 既有高铁概况

既有高铁上下行线均为无砟轨道。路基基床由表层和底层组成，表层为0.4 m厚的级配碎石，底层为2.3 m厚的A、B组土，总厚度为2.7 m。路基基底采用CFG桩加固，桩径0.4 m，横向、纵向间距均为1.5 m，典型横断面见图4。

图4 既有高铁路基典型横断面(单位：m)

2.3 地质条件

拟建场地属于平原地貌，地形起伏不大。地质调绘、工程地质钻探揭示，工程区范围内的土层可划分为人工填土层、第四系全新世冲洪积层、第四系晚更新世冲洪积层三大类。各土层物理力学指标参数见表1。

表1 土层地质参数

3 计算与分析

3.1 数值模型

采用Flac 3D建立整体数值模型[9]，考虑基坑周边尺寸效应[10]，计算模型为基坑四周及底部向外各延伸3倍[11]，模型尺寸为671 m×245 m×60 m，共划分为795 463个单元，516 986个节点。模型边界条件为：模型四周为法向约束，模型底部为3个方向固定，地面及其以上采用自由边界。基坑土体本构模型采用摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)模型，钻孔灌注桩采用桩单元模拟，锚索采用锚索单元模拟[12]。模型中，认为基坑设计中的止水措施能正常发挥作用，基坑开挖不引起降水，故不考虑渗流的影响。包含房建结构的模型见图5。

图5 三维模型示意

模型中，地层分层及参数见表1，既有高速铁路地基处理采用面积置换法确定复合加固区的弹性模量，既有线基床、基坑支护桩参数见表2。锚索预应力锁定值取320～360 kN。

表2 模型主要材料参数

3.2 计算步划分

根据一般数值分析中计算步的划分方法，结合施工方案，将整个流程划分为8个计算步。

第一计算步，首先将既有高铁路基基床、地基处理及各土层作为初始状态，计算土层的初始应力状态，使其达到平衡状态[13]。第二计算步，建立邻近既有线新建工程模型，施作钻孔灌注桩支护结构。第三步，开挖2.7 m，施作第一道锚索。第四、五、六计算步，分别开挖3 m，施作第二、第三、第四道锚索，同时分别对比开挖至相同深度时有无锚索两种工况对铁路路基变形的影响，以验证锚索在本工程桩锚支护措施中的作用。第七计算步，开挖至基底。第八计算步，建立建筑模型，回填基坑，施加各阶段荷载。

3.3 计算结果与分析

经过计算，提取基坑开挖阶段各施工工序引起铁路路基最大变形，见表3。

表3 基坑开挖主要施工步引起路基变形值 mm

通过对比，随着基坑开挖深度的增大，锚索控制邻近既有铁路变形作用更为明显。基坑开挖阶段，开挖到基底时，基坑及铁路路基发生的变形最大，见图6(a)。1号基坑深度大，变形较为明显，2号基坑深度较小，开挖引起的竖向变形也较小。基坑基底均产生明显的卸荷回弹效应，1号基坑最大回弹隆起值达77 mm。开挖前，土体受力状态为三轴应力状态；基坑开挖后，由于竖直及水平卸载效应，土体水平向及竖向应力降低，土体原有的应力平衡被打破，在水平卸载作用下发生了相应的水平变形，见图6，最大水平位移为33 mm。

图6 基坑开挖后变形云图

施作“钻孔灌注桩+锚索支护”并完成基坑开挖后，引起的铁路路基最大沉降值为1.2 mm，最大水平位移值为3.2 mm，位移云图见图7。施加建筑荷载后，铁路路基最大沉降值为1.4 mm，最大水平位移值为3.4 mm。新建工程引起的水平变形大于竖向变形值。上行线距离基坑较近，上行线受基坑开挖及建筑荷载影响较下行线大，最大沉降及水平位移均发生上行线K3+200附近。

图7 基坑开挖引起既有高铁路基变形云图

TB1001—2016《铁路路基设计规范》，一般地段路基工后沉降量应≤15 mm[14]，由于工程所在地区存在区域沉降，既有高铁的绝对高程及坐标与设计值已有偏差，部分段落的绝对变形已经超出规范沉降控制值，无法通过工后沉降判定既有高铁的变形是否超限。铁运[2012]83号《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》中[15]，建议将线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值作为不均匀变形参考值，见表4。

表4 250(不含)～350 km/h线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值

工程位置距离既有线车站较近(约为3 km)，该区段实际速度为160 km/h，故选择经常保养的控制标准进行控制，10 m及以下弦测量的轨道高低及水平偏差的最大矢度值为4 mm。为确保轨道平顺性，沿上下行线中心布置1条测线，5 m间距提取沉降值、水平位移值，并与近期工务部门对轨道高程及中心位置的检查数据进行叠加，叠加后的高低偏差及轨向偏差应满足要求。轨道现状、本工程基坑开挖完成并施加建筑荷载引起既有高铁产生的变形及叠加后产生的变形情况见图8。

图8 本工程引起既有高铁变形情况示意

基坑与房建结构走向与既有高铁线路方向大体相同，由图8可以看出，在影响范围内，既有高铁的变形较平缓。根据计算结果整理统计可知，新建工程10 m弦长对轨道的平顺性影响较小，新建工程变形引起的10 m弦长高低值最大为0.35 mm，引起的10 m弦长轨向值为0.45 mm，满足线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值的要求。

4 结论

该基坑工程距离运营高铁距离近且规模较大，运营高铁为无砟轨道，位移控制要求较高，通过三维数值模型计算结果的分析，并综合考虑轨道实测现状，得出以下结论。

(1)随着基坑开挖深度的增大，锚索对于控制邻近既有铁路变形作用较为明显，可根据基坑开挖深度合理布置锚索位置。

(2)“钻孔灌注桩+多排锚索”的支护方案对于基坑及邻近既有路基的变形控制效果较好，引起的10 m弦长高低值最大为0.35 mm，引起的10 m弦长轨向值为0.45 mm，满足轨道平顺性的控制要求。

(3)在进行邻近工程对既有高铁影响的计算与分析中，尚应考虑既有高铁轨道现状，无砟轨道扣件对轨道平顺性的调节能力有限，已存在的变形往往不可忽略。