不同支护方案下深基坑开挖对邻近轨道变形控制研究

金 鹏，余祥兴，龙万学，何 健，*，姜 波

（1.贵阳市城市轨道交通集团有限公司，贵州 贵阳 550081；2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550001）

0 引言

深大基坑开挖对环境的影响超过其变形控制限值时，传统以强度控制的基坑设计思路已不再适用，需考虑以变形控制为目的的基坑设计方法来确保周边环境及基坑安全。当前，随着城市化进程加深，受“地铁经济”效应带动，城市轨道周边涌现大量深大基坑工程项目，严重影响轨道交通营运安全，相较于其他构筑物而言，轨道交通环境敏感性更高，基于其本身特点，一旦受影响发生失稳，后果是灾难性的，这给其周边深基坑工程变形控制提出了更为严格的要求。因此，如何采取行之有效的变形控制支护措施对确保基坑开挖及轨道营运安全意义重大。

王卫东等[1]结合大量基坑工程设计及施工经验研究了不同敏感环境下基于变形控制的基坑工程设计方法；杨庆年等[2]依托工程实例探究了地连墙不同埋深条件下基坑围护结构及邻近高架桥桩变形特性；王翠等[3]基于数值计算与监测对比研究了基坑开挖对邻近桥桩作用机制，并探讨了围护结构参数变化对土体变形控制效果；李龙建[4]采用弹塑性有限元法分析了不同加固方案对控制桥梁桩基的变形作用；郑刚等[5]研究了不同维护结构变形形式的基坑开挖对邻近建构筑物的影响；郑凤先[6]通过改变隔离桩设计参数，研究了地铁深基坑开挖对邻近建筑物的影响；王恒等[7]研究了基坑开挖与邻近桥桩的相互作用机理，并提出相应的加固支护方案；胡军[8]基于数值分析与现场实测数据，研究了基坑围护结构与桥梁桩基受基坑开挖的影响规律；李琳等[9]就围护结构变形、邻近桥桩结构参数变化等对邻近桩基的影响规律进行系统研究；王菲[10]据现行规范构建了高速铁路安全评估标准，通过有限元分析了深基坑开挖对高速铁路影响并进行评价；马宁[11]基于桩锚方案研究了建筑基坑开挖对邻近高铁路基的影响；方浩等[12]研究了不同影响因素下基坑开挖对运营高铁路基影响；江智鹏[13]研究了不同基坑开挖施工方式对既有轨道交通结构的影响；万仙逵等[14]依托工程实例，基于数值分析对基坑支护方案进行优化研究。上述学者从基坑开挖影响机理、变形控制措施等方面开展了大量研究工作，取得了丰富的成果，对于基坑工程开挖设计具有较大参考价值。

总体而言，当前对于基坑开挖同时邻近既有轨道高架桥及路基的工况较为少见，基坑与轨道相互作用机理复杂，基坑开挖对其影响范围、影响程度及轨道结构受力变形特征仍不甚明确，急需开展进一步研究；而且，在进行基坑开挖三维数值仿真分析时模型不够精细化，邻近基坑高架桥通常只构建桥梁桩基及承台模型，上部结构多以附加应力形式施加，这对于进行结构影响性分析时存在较大误差；目前基坑开挖对轨道影响安全控制限值尚未有系统性规定，在进行影响评价时存在诸多不便；此外，基坑施工监测多采用传统监测方法，其监测周期长，受周边环境干扰大，数据离散性大，对于轨道这类高灵敏构筑物评价有一定局限。基于此，本文在全面参考现行规范与地区基坑开挖变形控制经验基础上，首先开展基坑开挖对轨道影响安全控制标准研究，随后基于土体小应变刚度特性建立基坑三维数值仿真精细化模型，研究不同支护方案下基坑变形控制效果及最佳方案，并对最佳方案支护参数进一步优化分析，最后基于所采用的最优支护方案，在基坑开挖施工全过程中对邻近轨道及支护结构采用分布式光纤进行应力、应变监测并开展安全评价工作。

1 基坑开挖变形安全控制标准研究

目前现行规范标准及技术指南中并未对由基坑开挖引起的周边环境变形限值进行系统性规定，多是参考相关规范设计计算及地区经验综合取值。

1.1 坑外土体及支护结构变形控制标准

《建筑基坑工程监测技术标准》（GB 50497-2019）8.0.4条[15]给出了土质基坑及支护结构的监测预警限值，对于设计安全等级为1级的基坑围护墙（边坡）顶部水平位移限值为20～30mm（0.2%～0.3%H）、顶部竖向位移限值为10～20mm（0.1%～0.2%H）；地表竖向位移限值为25～35mm，坑底隆起（回弹）限值为30～60mm。

1.2 轨道结构变形控制标准

1.2.1 轨道高架桥

高架桥结构变形是否安全主要从墩台沉降、墩顶纵、横向变形及相邻墩台沉降差等方面综合评定，《高速铁路设计规范》（TB 10621—2014）[16]、《铁路桥涵设计规范》（GB 10002-2017）[17]相应条款给出了静定结构墩台基础工后沉降限值，对于无砟轨道，墩台均匀沉降控制限值为20mm，相邻墩台沉降差为5mm，桥梁与路基过度处差异沉降限值为5mm。

桥梁墩顶纵、横向水平位移按最不利荷载作用计算，其位移限值按下式计算：

式中L—桥梁跨度（m），当L＜24m时，按24m计算；桥跨为不等跨时，按最小跨径计算；

Δ—墩顶处纵向水平位移（mm）。

参考《城市轨道交通结构检测监测技术标准》（DBJ50/T-271-2017）[18]附录G，轨道桥梁墩顶纵、横向水平位移监测控制限值为：

综合考虑本工程安全控制要求及邻近轨道高灵敏度特点，以式（1）（2）计算结果为桥梁纵、横向水平位移控制标准。

1.2.2 轨道路基

据《铁路路基设计规范》（TB 10001—2016）[19]，对于路基一侧基坑开挖引起的沉降以线路中线沉降值作为判别标准，普通铁路工后沉降限值为50mm，高速铁路工后沉降限值为15mm；《城市轨道交通结构检测监测技术标准》（DBJ50/T-271-2017）附录G给出了轨道路基道床沉降限值为10mm。

1.3 基坑开挖变形安全控制标准

据对现行相关规范变形控制限值研究、地区基坑工程变形控制经验结合本项目实际要求，从安全角度出发，最终变形控制标准如表1所示。

表1 基坑开挖变形安全控制标准

2 依托工程概况与模型构建

2.1 依托工程概况

2.1.1 基坑周边环境

依托工程紧邻轨道交通1号线，基坑长308m，宽70m，开挖深度8～11m。其中基坑距路基10m，距高架桥6m（图1）。邻近轨道整体均位于2倍基坑开挖影响范围，势必受基坑开挖影响，轨道受影响范围、程度及受力变形集中位置须系统研究，以便采取针对性变形控制措施。

图1 基坑总体概况Fig.1 General situation of foundation pit

2.1.2 邻近基坑既有轨道概况

据轨道交通竣工资料，轨道ZDK12+973-ZDK13+448段紧邻基坑，全长475m，ZDK12+973-ZDK13+288段高架桥，包括10#-20#墩台，与路基衔接处为20#桥台，ZDK12+288-ZDK13+448段为路基，路基宽21.5m，基础采用CFG桩处理。

桥梁上部结构为30m单线单箱单室预应力混砼简支梁。桥梁墩台采用群桩基础，10#-19#墩采用4根桩，20#台8根桩，承台尺寸长×宽×高均为5.8m×5.8m×2m。桩基为1m直径的钻孔灌注桩，各墩台桩长如表2所示。

表2 建构筑物参数

2.1.3 计算参数

据钻探揭露，基坑上覆土层为第四系杂填土（Qml）及残坡积层红粘土（Qel+dl），下伏基岩为三叠系下统大冶组（T1d）灰岩，局部含泥质。土体力学参数详见表3。

表3 土层力学参数

轨道高架桥墩台采用桩基础，桥桩、墩台混凝土强度等级为C35，墩柱为C40，上部结构采用C50；路基至地表以下10m范围内采用CFG桩进行地基处理，采用简化计算。轨道高架桥及路基各结构部件力学参数如表4所示。

表4 建构筑物力学参数

2.2 模型构建

2.2.1 变形控制方案设计

基坑南侧紧邻轨道路基及高架桥，综合考虑基坑所处位置、周边环境变形控制要求以及邻近轨道高灵敏性特点，以变形控制为指导思想，设计了基坑无支护、双排桩+冠梁+连梁+桩间板（方案一）支护、单/双排桩+锚索+冠梁+连梁+桩间板（方案二）支护三种方案，系统分析基坑开挖对周边环境影响以及支护措施的变形控制效果。

基坑其他侧采用1:1放坡+挂网锚喷进行支挡，防护锚喷厚度20cm，对于方案一，轨道侧均采用双排桩支挡；方案2除相邻桥墩间采用单排桩+锚索支护外其余位置均为双排桩。其中锚索设置3排锚索，入射角35°，锚固段6m，支护结构参数及单元类型如表5所示。

表5 支护结构参数及单元类型

2.2.2 计算分析方法及计算荷载

采用连续介质分析法中的有限元法进行计算分析，土体本构采用考虑土体双硬化特性的修正摩尔-库伦模型，轨道及支护结构采集弹性本构，计算软件采用岩土有限元分析软件Midas GTS进行。

计算荷载考虑模型自重、轨面荷载，据相关规范[20]，轨面荷载取值如下。

表6 计算荷载

2.2.3 网格方案

采用四面体网格进行网格划分并计算，其中桥桩、支护桩（连梁、冠梁）及锚索锚固段采用梁单元模拟，锚索自由段采用植入式桁架单元模拟，桩间板以及挂网锚喷采用板单元模拟；墩台、墩柱、路基及岩土体采用实体单元，桥面采用板单元，各方案下数值计算模型如图2-4所示。

图2 无支护数值计算模型Fig.2 Numerical simulation model without support

图3 方案1数值计算模型Fig.3 Numerical simulation model of Scheme 1

图4 方案2数值模型Fig.4 Numerical simulation model of Scheme 2

2.2.4 计算荷载分析步

基坑设计开挖深度8～11m，采用分层开挖，共开挖4次至基底。数值分析计算步如表7所示。

表7 数值分析计算步

3 模拟结果分析与监测验证

将基坑开挖对周边环境影响划分为基坑主、被动区土体变形、轨道变形以及支护结构受力变形三个方面，分别分析各方案下基坑开挖对环境影响程度及变形控制效果。

3.1 基坑主、被动区变形分析

基坑开挖后土体发生卸荷回弹，土中应力重分布，坑外土体发生沿基坑中心的侧向位移，对埋置于岩土体中的轨道基础产生土压力作用，遂对结构产生附加应力及弯矩，致使结构发生不同程度变形。图5为无支护条件下基坑开挖总体位移云图，受“基坑+高架桥+路基”相互作用及轨道荷载偏压使土体及轨道均发生较大程度变形，由图可知，路基ZDK13+288-ZDK13+384段偏压最大，该处出现了明显的变形集中现象。高架桥段桥墩间土体变形较墩台位置大，主要是桥梁桩基具有遮拦作用，阻止了土体发生沿基坑方向的位移，但超过其影响范围，相邻土体则会发生“绕流”现象从相邻墩台间挤出。

图5 无支护下基坑开挖总位移云图Fig.5 Displacement cloud of foundation pit excavation without support

图7 方案二支护位移云图Fig.7 Support displacement cloud diagram of Scheme 2

图6、7为方案一、方案二支护下基坑开挖位移云图，为便于比较分析，此处将不同支护方案下高架桥段及路基段基坑侧壁土体侧向位移变形列于同一表格（表8）。由计算结果可知，相较于无支护而言，被动区土体变形得到极大程度控制，土体变形从无支护下244mm降至4.2mm（0.042%H），特别邻近轨道侧，变形控制效果最为明显，表明各支护方案对基坑变形控制是有效的；基坑支护后，路基处仍有变形集中现象，但整体形变量已控制在安全范围。

图6 方案-支护位移云图Fig.6 Support displacement cloud diagram of Scheme 1

表8 不同方案下轨道侧土体变形

基坑无支护开挖，邻近轨道侧土体最大位移发生于基坑侧壁，随着距离增大，变形逐渐减小，高架桥段土体位于2H（H表示基坑开挖深度，下同）范围外，影响基本可忽略。高架桥段最大位移达244mm（2.24%H），水平位移最大42mm（0.42%），竖向位移为187mm（1.87%H），路基段由于路基偏压作用土体存在明显变形集中区，土体最大位移为148mm（1.48%H），水平位移为11.6mm（0.116%H），竖向位移为70.5mm（0.7%H）。据土体侧向变形曲线，基坑开挖后，位于基坑4H范围外土体仍有10mm变形量，即基坑开挖后其主要影响区可达4H，这种由路基偏压对基坑开挖影响范围的“增幅”现象值得重视。

基坑开挖完毕，无支护下坑底主动区土体变形最大值为9.5mm，支护后隆起变形为3.2mm（0.032%H），变形得到进一步控制。各方案下总体变形量均较小，主要原因为基坑开挖至基底后，坑底土层厚度已不大，土层下方为中风化灰岩，相较土体而言其弹性模量较大，基坑开挖至坑底后整体卸荷回弹量不大。

图8 无支护下高架桥段土体位移曲线Fig.8 Soil displacement curves of viaduct section without support

图9 无支护下路基段土体位移曲线Fig.9 Soil displacement curves of subgrade section without support

对比方案一、方案二土体变形控制情况，路基段控制效果基本相当，对于高架桥段土体而言，方案二变形控制效果明显好于方案一，考虑是方案二采用锚索支护，锚索施作时施加了预应力，对土体起到预加固效果，控制了土体变形。表明“排桩+锚索”支护形式对土体变形控制效果好于双排桩。

3.2 轨道变形分析

图10、11为各方案支护下高架桥桥面板纵、横向位移曲线，轨道运行方向与基坑长轴方向大致平行，对于纵桥向变形而言，无支护下最大变形值为1.53mm（20#桥台），方案一、方案二支护下最大值均为0.2mm，为无支护下的13.1%；无支护下，横桥向变形受影响最大，其变形量高达30.9mm（20#桥台），已超出安全控制标准；进行支护控制后，横桥向最大变形量为1.2mm（方案一），仅为未支护下的3.88%，变形控制效果明显。

图10 顺桥向位移曲线Fig.10 Displacement curves along the bridge

为进一步比较各方案整体支护效果，表9给出了不同方案下桥梁墩台沉降与相邻墩台沉降差，由表可知，无支护下11#-19#墩沉降变形满足控制标准，路桥过渡段受路基变形“牵引”作用，20#台沉降高达37.8mm，沉降量及相邻沉降差均超出了安全控制标准；各支护方案施作后将基坑开挖对桥墩影响控制在安全范围，特别是20#台变形控制效果最为明显，桥梁各墩台沉降及相邻沉降差均控制在1.1mm以下，仅为未支护的2.9%，满足安全控制要求。

图11 横桥向位移曲线Fig.11 Transverse bridge displacement curves

表9 高架桥墩台沉降变形

路桥过渡段，无支护下桥台位置沉降量为15.6mm，路基段为19.8mm，差异沉降为4.2m；进行支护后差异沉降均控制在0.1mm，满足安全控制要求（5mm）。

图12、13为各方案下路基中线路面沉降曲线，0m位置为路桥过渡段，由曲线可知，从路桥过渡至大桩号方向，沉降量由小变大，当位于基坑开挖影响范围外，沉降量又逐渐减小。各方案下，沉降量最大值均出现在ZDK13+318位置，无支护下沉降高达66mm，已超出轨道营运安全控制标准。方案一、二支护下路面沉降最大为1.04mm（方案一），仅为无支护下土体变形量的1.5%，变形满足要求。

图12 无支护下路基面沉降曲线Fig.12 Subgrade surface settlement curve without support

3.3 支护结构受力变形分析

图13 路面沉降曲线Fig.13 Pavement settlement curve

图15 支护桩弯矩Fig.15 Bending moment of supporting pile

对于路基段，方案一、方案二均采用双排桩支护，基坑开挖后，支护桩最大水平位移分别为2.58mm（方案一）、2.76mm（方案二），最大弯矩分别为2180kN·m（方案一）、2170kN·m（方案二），受力、变形相差不大，变形支护效果相当。

图14、15分别为方案一、二支护后高架桥段支护桩位移及弯矩图，方案一支护下高架桥段支护桩最大位移为1.7mm，方案二最大位移为1.4mm，方案二支护桩位移整体小于方案一；支护结构受力方面，方案一最大弯矩为689kN·m，方案二最大弯矩为683kN·m，支护桩弯矩值相差不大，两个支护方案中最大弯矩均位于基坑开挖交界面一定深度范围内，综合分析各方案支护结构受力及位移情况，两个方案支护措施在土体压力作用下整体稳定。

图14 支护桩位移Fig.14 Displacement of supporting pile

总体而言，基坑无支护下开挖对轨道造成较大影响，高架桥横桥向变形、墩台沉降、路面沉降及坑外土体变形均不满足安全控制标准，严重影响轨道安全。数值分析表明，基坑开挖主被动区土体发生沿基坑中心的位移变形，受轨道偏压作用，路基处有变形集中；坑外土体变形过程中与轨道基础相互作用，对基础产生附加应力及弯矩，使结构产生不同程度变形；此外，基坑开挖对高架桥及路基影响程度不一，由于高架桥、路基本身结构差异，高架桥采用桩基作为支承结构，桩基嵌岩，其对基坑开挖引起的附加变形有一定抵抗作用，路基采用明挖基础直接坐落于土体上，在基坑开挖影响范围内的土体发生变形即会带动路基发生较大程度位移，这也是从桥梁至路基过渡变形会明显增加的原因。此外，各方案对基坑开挖变形影响控制均是较为有效的，可较大程度控制基坑开挖对周边环境影响，支护结构受力、变形稳定，且具有一定的安全储备，可确保基坑开挖、轨道营运安全。

对比分析两个支护方案下主被动区土体变形情况、邻近轨道影响程度、支护结构自身受力变形情况，综合考虑基坑变形控制要求，邻近构筑物高灵敏性特点，结合工期、造价等因素，方案二变形控制整体略优于方案一。

3.4 分布式光纤监测对比研究

数值仿真表明方案二支护下可有效控制基坑开挖对周边环境影响，为进一步验证数值分析可靠性，以及确保基坑开挖安全，在基坑开挖过程中对邻近轨道侧路基及高架桥段支护桩分别埋设分布式光纤实时监测其变形及内力，同时也在19#桥墩表面布设分布式光纤进行监测墩柱变形情况（图16-17）。

图16 支护桩桩内光缆布设图Fig.16 Layout of optical cable in supporting pile

图17 现场光线绑扎及测量Fig.17 Field light binding and measurement

光纤监测从基坑支护桩施作开始，总共进行7期监测，图18、19为基坑开挖完成后路基及高架桥段支护桩弯矩分布曲线，尽管监测值与实测值数据略有所差别，但其沿桩身分布变化规律是一致的，且弯矩最大值均出现在基坑开挖交界面一定深度范围内；对比分析轨道路基及高架桥段支护桩弯矩，路基段明显大于高架桥段，证明了本文无支护下基坑开挖对轨道路基影响程度大于对高架桥，基坑紧邻路基处会出现变形集中现象这一结论的正确性。考虑紧邻路基段基坑开挖土体变形集中现象，采用双排桩支护是较为合理的。

图18 路基段支护桩弯矩对比图Fig.18 Bending moment comparison diagram of supporting pile in subgrade section

19#墩柱变形监测数据表明，基坑开挖确实对高架桥造成一定扰动，致使其发生沿基坑方向的偏移，但整体偏移量较小，最大仅为0.85mm（承台处），墩顶仅为0.5mm，整体变形满足控制要求，计算值与实测值相当，差值小于0.1mm，误差在可接受范围之内。

通过对比分析研究，计算值与监测值整体具有较高的一致性，表明数值分析是正确的，可以有效指导本工程设计、施工；同时，综合分析基坑开挖后轨道结构响应情况，采用“单/双排桩+锚索+冠梁+连梁+桩间板”的支护措施可以有效控制基坑开挖对周边环境影响，保证轨道营运安全。

图19 高架桥段支护桩弯矩对比图Fig.19 Comparison diagram of bending moment of supporting pile in viaduct section

图20 19#墩柱侧向变形Fig.20 Comparison diagram of lateral deformation of No.19 pier column

4 结论

本文以基坑工程实例为依托，系统研究基坑开挖对邻近轨道影响的一系列问题，主要结论及成果如下：（1）针对目前尚无规范系统性规定基坑开挖对轨道影响限值这一问题，基于现行规范、地区经验、控制要求，系统性的构建了基坑开挖对轨道影响安全控制标准；（2）由于轨道路基及高架桥结构性差异，基坑开挖对轨道路基影响程度明显大于高架桥，邻近路基段坑外土体存在明显变形集中区。基坑开挖邻近轨道高架桥时，桥梁桩基对坑外一定范围土体具有一定的阻拦作用，能一定程度控制土体变形，超出该影响范围，土体会发生“绕流”从相邻桥墩挤压并产生较大变形；（3）采用以变形控制为目的的支护方案能很好的控制基坑开挖对轨道影响，相较于“双排桩”而言，“排桩+锚索”的支护方式对土体变形控制效果更好；（4）数值计算与监测成果具有较高的一致性，表明数值计算是正确的；（5）监测成果表明采用的支护方案对变形控制是有效的，可以确保邻近轨道营运安全。相关研究可为本工程设计、施工提供指导，同时可为类似工程提供参考与借鉴。