近距离并行高铁路基长深基坑开挖变形研究

李厚荣

(中铁二十四局集团有限公司 上海 200092)

1 引言

随着我国城市化进程和高速铁路网建设高速发展，新建基坑工程邻近既有高铁营业线的情况日益增多[1-2]。基坑开挖会打破原地下水和土体平衡状态，引发周围土体应力重新分布[3]，进而导致邻近土体和结构物变形。然而高速铁路对线路沉降控制和平顺性要求极高[4]，稍有不慎将会对高铁运营造成重大安全隐患。因此，如何有效控制基坑开挖引起的周围土体位移场变化并使其对既有高铁结构的变形影响尽可能小是有待解决的工程问题。

多年来，国内外学者对深基坑施工中各种因素引起的变形问题进行了大量研究。刘志波[5]、郑刚[6]等对软土深基坑变形影响因素和控制措施进行了分析研究；王升[7]、宗晶瑶[8]、孟繁增[9]等通过模拟分析和实测验证，研究了深基坑开挖对邻近高铁桥梁的变形影响；潘必胜[10]、王菲[11]、徐俊[12]等针对不同支护形式和环境因素，研究了深基坑施工对邻近高铁路基的变形影响。

研究成果解决了一系列深基坑工程难题，但针对高承压水软土地质环境下的长距离、小间距并行既有高铁路基超深基坑的研究案例极少。本文以上海机场线邻近既有高铁路基一号风井深基坑的工程为背景，基于实测数据研究多种防护加固措施下长距离、小净距并行高速铁路路基超深基坑的开挖变形控制及其对既有高铁路基变形影响，可为类似工程提供参考和借鉴。

2 工程概况

上海轨道交通市域铁路机场联络线起于上海虹桥站，止于上海东站，全程长约68.6 km，设计时速160 km，是连接上海虹桥与浦东两大综合交通枢纽的快速通道，能实现与市中心区交通的快速换乘，是我国第一条与普通铁路实现互连互通的市域铁路[13]。在七宝站至华泾站区间，明挖段基坑长距离、小净距并行沪昆高速铁路路基，基坑总长约721.2 m，其中一号风井深基坑长156.1 m(DK6＋490.1～DK6＋646.2)，开挖深度16.6～25.5 m，基坑净宽14.5～25 m，西侧与高铁路基坡脚最近距离约10.6 m，东侧与杨新竖河河堤护岸最近距离约11.4 m，工程周边环境概况见图1。

基坑并行段沪昆高铁设计时速为350 km，轨道结构为CRTS-Ⅱ型板式无砟轨道，路基基础采用0.5 m厚C30钢筋混凝土筏板与桩长33 m、直径0.6 m、桩间距3 m的钻孔灌注桩加固，按正方形布置，桩底位于砂土层，边坡下部采用直径0.5 m的搅拌桩加固。

工程所在场地位于上海高承压水软土地区，周边环境保护要求较高，该区域软土层主要由③1层灰色淤泥质粉质黏土和④层灰色淤泥质黏土组成，厚度达12.1 m，因此基坑开挖易引起周边环境较大扰动，基坑安全等级和环境保护等级均为一级。各土层主要力学参数见表1，其中⑦1和⑦2层为承压水层，设计最不利承压水位埋深为3 m。

表1 工程场地土层物理力学参数

3 基坑支护与加固设计

一号风井深基坑采用明挖顺作法施工，为缩短基坑开挖暴露时间和更好地控制基坑变形发展，采用地连墙将长基坑分隔为5个长约31 m的短基坑，由浅至深依次编号为1～5号基坑。基坑支护结构采用地下连续墙＋内支撑形式，除2～5号基坑靠近高铁路基侧采用1.5 m厚的地下连续墙外，其余地下连续墙均为1.2 m厚度，围护结构深度40～56 m，沿基坑深度方向采用钢筋混凝土和伺服钢支撑进行内撑。以断面I(5号基坑)为例，基坑与路基位置关系见图2。各基坑里程范围、尺寸参数及支撑布置情况见表2。

表2 基坑防护措施汇总

基底采用ϕ850@600 mm旋喷桩抽条和西侧裙边加固，宽度均为3 m，裙边加固深度从地面至开挖面下3 m，抽条加固深度为开挖面下3 m。地下连续墙内外侧均采用单排ϕ850三轴搅拌桩进行槽壁加固，接缝处采用单根ϕ2400的RJP工法超高压旋喷桩进行抗渗处理。1号和2号基坑底部采用ϕ2400@1400的RJP工法超高压旋喷桩进行4 m厚满堂封底隔水加固，3号～5号基坑底部采用ϕ3500@2200的N-jet工法超高压旋喷桩进行5 m厚满堂封底隔水加固，加固地层底位于地下连续墙底上部1 m处。

由于工程场地周边环境复杂，为确保高速铁路行车安全，在邻近沪昆高铁侧，距围护结构外侧3 m位置打设一排ϕ1000@1200的钻孔灌注桩做隔离，桩长与地连墙同长度。钻孔桩顶部采用系梁与地连墙的顶冠梁连接，系梁水平间距为6 m。

4 基坑开挖施工组织方案

为减少相邻基坑开挖互相影响，一号风井深基坑采取隔坑跳舱法开挖分阶段施工，总体施工顺序分为三个阶段，各基坑主要施工工况和开挖时间见表3。

表3 基坑工程各工况及开挖时间

第一阶段:所有隔离桩、基坑围护结构及地基加固施工。

第二阶段:1、3、5号基坑开挖施工，开挖完成后进行主体结构施工。

第三阶段:2、4号基坑开挖施工，开挖完成后进行主体结构施工。

基坑开挖过程同步进行疏干降水和内支撑施工，做好坑内外地下水位、支撑轴力、基坑和高铁变形监控。另外，为进一步确保高铁运营安全，预防突发意外，在基坑开挖至6 m及以上时，相应区段采取120 km/h限速保障措施。

5 变形监测方案

为探究邻近高速铁路深基坑开挖施工诱发的土体位移场演化特征和高铁变形，在围护结构、隔离桩、周边土体、高铁路基等结构所在位置布设监测点进行全过程监测。图3为新建一号风井深基坑与并行沪昆高铁路基段监测点平面布置。其中，基坑围护结构深层水平位移监测点共11个(CX1-1 ～CX1-2、CX2-1 ～CX2-2、CX3-1 ～CX3-2、CX4-1～CX4-2、CX5-1～CX5-3)，坑外地表沉降监测点共20个(DB1-1～DB1-4、DB2-1～DB2-4、DB3-1～DB3-4、DB4-1～DB4-4、DB5-1～DB5-4)。除此之外，在并行高铁路基段靠近新建基坑侧的高铁路肩相应位置布设路基监测点共11个(XL4＋940～XL5＋100)。

6 实测数据分析

6.1 围护结构水平变形

由于基坑周边环境复杂，不同基坑施工参数各不相同，图4为基坑开挖至坑底时各测点围护结构水平变形最大值。可以看出，随基坑开挖深度与结构尺寸逐渐增加，围护结构水平变形最大值逐渐增大，最大为34.6 mm，发生在5号基坑的CX5-3测点；最小值为10.1 mm，发生在2号基坑的CX2-1测点，这是因为2号基坑开挖时相邻基坑已开挖完毕，周边环境整体刚度较大使得开挖引起的变形较1号基坑更小。此外，由于2～5号基坑靠近高铁路基侧采用1.5 m的超厚地连墙，相较另一侧1.2 m的地连墙有更好的变形控制效果，因此各基坑地连墙累计水平变形最大值均位于远离高铁路基侧。

对于4、5号基坑，1.5 m厚的地连墙(CX4-1、CX5-1)水平变形显著小于1.2 m厚的地连墙(CX4-2、CX5-2、CX5-3)水平变形，最大值平均可减小约26.43%，最多可减小约38.2%，说明地连墙厚度越大，围护结构水平变形越小。

图5给出地连墙最大水平变形d与开挖深度H的比值。由图5可知，地连墙水平变形最大值的变化范围为0.026%H～0.137%H，高铁侧地连墙水平变形最大值为0.096%H，其上限满足《上海地铁基坑工程施工规程》(SZ-08-2000)对环境保护等级一级基坑围护结构水平变形最大值0.14%H的要求。因此采用隔坑开挖、超厚地连墙、槽壁加固、地基加固等多种防护加固措施能够对基坑围护结构变形进行较好控制。

6.2 坑外地表沉降

为分析基坑开挖对邻近高速铁路路基侧地表土体位移场的影响，分别收集各基坑开挖完成时相应地表沉降测点数据以确定沉降影响范围。

图6为各基坑开挖完成时靠近路基一侧坑外地表沉降数据。由图6可知，除1号基坑外，其余基坑外地表竖向变形表现为隆起，究其原因可能为基坑内支撑结构采用伺服钢支撑，伺服钢支撑在开挖阶段施加了较大轴力，使得基坑围护结构上部向坑外变形，带动周边地表土体抬升。

1号基坑所在地表竖向变形表现为沉降，最大值为-14.06 mm，原因为1号基坑外区域为重车作业区，地表长期受压超载使得地表土体沉降较大。距离基坑地连墙外边缘10 m以外相关区域地表沉降均在±2.5 mm以内，对既有高铁路基竖向变形影响很小，一定程度上能够反映出隔离桩对土体变形有较好的隔断效果。

6.3 高铁路基变形

高铁路基与其他敏感环境最大差异在于轨道结构受到列车反复的高速冲击荷载，轻微的轨道几何形位改变即可能会影响到既有线运营安全，因此其变形控制要求更高，且路基是地面结构，更易受周边土体扰动。

图7为基坑开挖完成对应的沪昆高铁路基变形，其中竖向变形负值表示路基沉降，水平变形负值表示路基向基坑方向变形。由图7可知，随基坑开挖，高铁路基路肩位置产生向基坑侧的水平变形，所有基坑开挖至坑底时(2021年6月16日)，高铁路基水平变形最大值为-3.2 mm，位于5号基坑对应的XL5＋070和XL5＋080测点。其原因可能为:5号基坑开挖深度较大，开挖至软弱地层较深位置时变形发展快，而混凝土支撑强度发展周期相对较长，使得5号基坑对应的高铁路基水平变形迅速发展。对于高铁路基竖向变形，靠近4、5号基坑测点表现为沉降，其余测点则大多表现为隆起，推测原因为伺服钢支撑作用下坑外地表土体上升进而带动路基隆起，而4、5号基坑深度更深，围护墙向坑内的变形更大，使对应的路基位置沉降更为明显。在整个开挖阶段，高铁路基各监测点竖向变形最大值仅为1.3 mm，远小于2 mm的预设监测报警值和《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》(TB 10314—2021)中规定的高速铁路无砟轨道路基竖向位移＋2～-5 mm的控制值。说明基坑开挖期间对路基竖向变形控制效果更好。综上所述，超厚地连墙、隔离桩和超高压旋喷桩等防护加固措施对高铁路基变形起到了较好的保护效果，结合相应区段线路限速和必要养护措施，有效保障了高铁运营安全。

7 结束语

本文基于上海机场线一号风井深基坑开挖阶段基坑与高铁变形实测数据研究分析了深基坑开挖的变形控制效果及其对既有高铁路基变形影响，得到以下结论:

(1)超厚地连墙对基坑变形控制效果有显著提升，1.5 m厚地连墙水平变形最大值相较1.2 m厚地连墙最多可减小约38.2%。

(2)过大的伺服钢支撑轴力会引起基坑外地表土体隆起，需合理设置。

(3)超厚地连墙、隔离桩和超高压旋喷桩等防护加固措施对高铁路基变形起到了较好的保护效果，高铁路基最大竖向变形值仅为1.3 mm，有效保障了高铁运营安全。