紧邻铁路路基边坡深基坑支护体系优化分析

沈 峥

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

0 引言

近年来，临近铁路营业线的基坑工程越来越多，基坑在开挖施工过程中，土方开挖会引起铁路路基与轨道的沉降变形［1］，偏压基坑还会引起路基与轨道的水平变形，影响轨道的平顺性，继而影响列车运营安全。

国内学者从多个角度开展了临近营业线基坑工程的研究：张新东［2］开展了基坑施工过程中铁路路基的安全性研究分析，总结基坑开挖过程中铁路路基的变形及稳定性规律；杨永强［3］围绕深基坑支护方案选型、基坑施工等关键技术及临近铁路保护措施开展研究。李明广等［4］采用快速拉格朗日法对某大型近铁路基坑的施工进行了三维数值模拟，揭示近铁路深基坑开挖的变形特点。张国亮［5］研究了临近铁路不对称超载基坑的支护方式优化以及其稳定性与变形规律。王连俊等［6］研究了基坑降水过程中路基的分层沉降变形规律。方浩等［7-8］研究了软土地区基坑开挖与降水对运营高铁路基的变形影响。詹涛等［9］针对深基坑开挖对临近运营铁路的变形进行了分析研究。于廷新［10］采用小应变土体硬化高级模型（HSS）进行三维数值分析紧邻铁路深厚淤泥层基坑支护方案选型研究。

本文以临近既有铁路路基边坡的青田县火车站管理用房基坑工程为依托，通过数值模拟的方法，分析了基坑开挖对临近铁路的影响，对基坑支护方案进行优化，并通过数值模拟和实测数据证明了优化方案的合理性，为今后类似工程提供经验和借鉴［11］。

1 工程概况

1.1 基坑支护设计

基坑开挖深度为7.380 m～7.890 m，基坑长约49.1 m，宽约28.2 m。基坑支护采用φ800＠1 100 mm混凝土灌注桩+一道钢支撑（φ609 mm×φ200 mm×δ14 mm）支护。临近基坑的铁路路基边坡，边坡高4.7 m～5.0 m，坡率1∶0.4～1∶0.5，路基边坡侧采用挂网喷混。基坑支护典型断面见图1。

图1 铁路侧基坑支护典型断面图

1.2 邻近铁路概况

基坑附近为青田火车站，站内5条股道均为有砟轨道，Ⅰ道，Ⅱ道为正线，设计时速为200 km/h；3道，4道为到发线，设计时速为45 km/h；Ⅴ道为货运线，设计时速为75 km/h。

基坑铁路侧边线与金温铁路5条股道基本平行，基坑边线距Ⅴ道中心最近为10.50 m，距3道中心最近为23.75 m，距Ⅰ道中心最近为30.25 m，距Ⅱ道中心最近为35.25 m，距4道中心最近为41.75 m。基坑与铁路股道平面位置关系见图2。

图2 基坑与金温铁路5条股道平面位置关系

1.3 工程地质条件

拟建场地位于山前坡洪积平原，地表地形坡度较平缓。地层自上而下共分为素填土、卵石、强风化花岗岩、中风化花岗岩，各地层参数列于表1。

表1 土层物理力学参数表

2 基坑开挖数值模拟

2.1 模型建立

根据地质现状断面图和空间相对位置关系，建立数值三维模型，其中基坑铁路侧对应X轴坐标为0 m～49.1 m。采用Mohr-Coulomb模型，土层物理力学参数见表1，数值模型的网格剖分见图3。

图3 数值计算三维模型

对围护桩和内支撑采用线弹性本构模拟，采用梁单元构建。围护桩和内支撑单元之间采用刚性联接。

2.2 工况设置与模型参数

按照施工先后顺序，共分为如下工况：

初始工况：施加边界条件，生成初始应力场。工况一：施作基坑的围护桩和冠梁，开挖内支撑底部以上土体。工况二：施作第一道支撑，开挖至基坑底部标高-7.8 m。

根据假定，初始工况和工况一围护结构施工对土体影响可以忽略，因此确定工况二为重点工况，并进行详细分析。

3 铁路变形计算结果分析

3.1 铁路轨道变形控制指标

参考国内现行规范和相同工程类比经验及相关规范，在基坑开挖过程中，Ⅰ，Ⅱ轨道水平位移和竖向位移控制在±2 mm以内；3，4，Ⅴ轨道水平位移控制在±7 mm以内，竖向位移控制在-8 mm～+3 mm以内。

3.2 铁路轨道变形分析

金温铁路5条股道水平铁路方向（x向）位移沿铁路变化曲线见图4。

图4 5条股道沿铁路方向(x向)水平位移(一)

金温铁路5条股道垂直铁路方向（y向）位移沿铁路变化曲线见图5。

图5 5条股道垂直铁路方向(y向)水平位移(一)

金温铁路5条股道竖向（z向）位移沿铁路变化曲线见图6。

图6 5条股道竖向(z向)位移(一)

工况二下对5条股道位移进行分析得出：

在变形趋势上，5条股道表现的变形规律基本一致。以V股道为例，对应基坑中部的股道变形最大的部位，对应基坑的两侧阴角处股道变形迅速减小。在沿铁路走向上，从基坑中部到其阴角，变形量逐渐减小，股道的横向水平位移和竖向位移曲线均表现出U形。针对支护结构进行分析，基坑中部，对周边土体的限制变形能力相对较弱；基坑阴角区域，受基坑阴角及斜撑以及横撑共同作用形成约束，能够有效地限制周边土体的变形。该变形规律与基坑的空间效应相适应。

结合三向位移的变化情况，5条股道（特别是Ⅴ道和3道）较大位移的部位出现在x=5 m～45 m的区间范围内，该区段对应基坑及两侧1倍开挖深度。

从变形量最大值看，Ⅴ受影响最大，3受影响较大，Ⅰ，Ⅱ和4道较小，见表2。即随着与基坑距离的增大，Ⅴ，3，Ⅰ，Ⅱ和4道受基坑施工的影响程度逐渐减小。

表2 原支护方案数值模拟变形量最大值统计mm

在工况二下：1）3，4，Ⅴ轨道中，Ⅴ道变形最显著，其沿铁路方向最大位移为-1.91 mm，垂直铁路方向最大位移为11.83 mm，最大竖向位移为-3.92 mm，Ⅴ道的垂直铁路方向水平位移超过变形控制值。2）Ⅰ，Ⅱ股道中，Ⅰ股道变形量相对较大，其沿铁路方向最大位移为-0.18 mm，垂直铁路方向最大位移为0.7 mm，最大竖向位移为-0.11 mm，各方向变化量均未超过变形控制值。

综上可知，Ⅴ股道变形超过控制值，因此需对基坑支护方案进行优化。

4 基坑支护方案优化

4.1 基坑支护优化方案

为达到控制铁路轨道变形的目的，需对基坑原支护方案进行优化。因为基坑紧邻铁路路基边坡坡脚，空间有限，无法采用隔离桩等加强措施。拟采用措施见表3。

表3 基坑支护方案优化内容

钻孔灌注桩施工时，可采用套打、调高泥浆相对密度、适当提高泥浆液面高度等措施提高灌注桩成孔质量、控制孔壁坍塌、减少孔周土体变形。

4.2 铁路变形控制效果分析

通过优化基坑支护结构，变形规律与支护结构优化前的基本一致，见图7～图9。各股道的变形量均明显降低，见表4。

表4 优化后支护方案数值模拟变形量最大值统计mm

图7 5条股道沿铁路方向(x向)水平位移(二)

图8 5条股道垂直铁路方向(y向)水平位移(二)

在基坑施工中工况三下，5条股道中变形量均在相应控制值范围内。

5 路基边坡防护措施优化

在基坑施工过程中，严禁开挖边坡坡脚；对路基边坡进行防护时，严禁私自削坡。

基坑施工完成后，边坡稳定性需要满足铁路长期运营要求。选取最不利的边坡断面，坡高5.0 m，坡比1∶0.4，采用瑞典条分法对铁路路基边坡稳定性进行复核，计算稳定性系数为1.036，路基边坡处于欠稳定状态。

根据《铁路路基设计规范》中条例：永久边坡，一般工况边坡最小稳定安全系数应为1.15～1.25，因此需要对该边坡进行加固防护。

建议采用以下措施加固：在灌注桩桩顶预留出钢筋，通过接筋等措施在桩顶依坡修建挡墙对边坡坡脚进行加固，挡墙高2 m，厚1 m，边坡其余部分可采用短插筋挂网防护。

挡墙加固后，边坡难以发生沿坡脚的破坏，因此对挡墙顶部以上3 m的边坡进行稳定性分析，计算稳定性系数为1.471。边坡稳定性满足规范要求。

6 优化方案实施效果

铁路Ⅴ股道轨道变形的数值计算与实际监测成果最大值进行对比，比较结果见表5。

表5 数值计算结果与实际监测对比mm

数值计算结果与实际监测的变形量值基本一致，数值模拟所做的假设和选用的参数基本合理可靠，数值模拟能够较好地模拟基坑开挖对邻近铁路的影响，为今后类似工程提供经验和借鉴。

7 结论

结合工程实例，通过数值模拟方法，研究了基坑开挖施工过程中对临近铁路的变形影响，并对路的加固保护效果进行分析，得出以下结论：

1）原支护方案中，基坑开挖引起Ⅴ和3股道横向水平位移超过规范和相关规定的要求，影响铁路正常运行，需对原支护方案进行优化。

2）增大铁路侧围护桩桩径、支撑体系由钢支撑变更为混凝土支撑，能有效控制基坑开挖对铁路的变形影响，各条股道的变形量均满足。

3）为保证路基边坡的稳定性，基坑施工过程中，严禁开挖边坡坡脚，对路基边坡进行防护时，严禁私自削坡。基坑施工完成后，需考虑边坡长期稳定性，通过在坡脚围护桩桩顶接筋设置挡墙，可提升边坡的稳定性。

4）数值计算结果与实际监测的变形量值基本一致，数值模拟所做的假设和选用的参数基本合理可靠，数值模拟能够较好地模拟基坑开挖对邻近铁路的影响，为今后类似工程提供经验和借鉴。