如何优化紧邻铁路路基边坡的深基坑支护体系

黄占彪

（中铁十二局集团第一工程有限公司，河北 廊坊 065000）

1 深基坑支护方法

1.1 排桩支护

这种支护方法需要用到支护桩、支撑（或土层锚杆）和防渗帷幕。具体结构需根据施工情况确定，可以采用悬臂式支护结构、锚杆式支护结构，也可以采用拉锚式支护、内撑式支护结构结构。这种支护方法比较适合用在基坑侧壁安全等级为1～3 级的基坑开挖工程，也适合用在可以采取江水或止水帷幕的基坑开挖工程。

1.2 土钉墙支护

这种支护方法不仅要用到土钉群，还要用到混凝土面层，是由这两者构成的支护体系。土钉是用来加固现场原位土体的细长杆件。这种支护方法需要先钻孔，之后放入带肋钢筋，最后还需沿孔全长注浆。基于土钉和土体之间的粘结力和摩擦力，这种支护可以很好地防范土体变形的出现。应用这种支护方法需要随时挖随时支护，因此可以有效保持土体强度，减少土体扰动。土钉墙支护比较适合用在地下水位以上或经人工降水后的人工填土工程中，也适合用在黏性土和弱胶结砂土开挖工程中，如果基坑开挖深度在5～10 m 也适合应用这种支护方法。但是这种支护方法不适合用在含水丰富的粉细砂层、砂砾卵石层、饱和软弱土层以及对变形有着严格要求的基坑开挖工程当中。

1.3 锚杆支护

这种支护方法常被用在边坡、岩土深基坑等地表工程，也会被用在隧道、采场等地下硐室施工当中，是一种有效的加固支护方法。应用该支护方法需要先用金属件、木件、聚合物件或其他材料制成杆助，之后需要将其打入地表岩体或硐室周围岩体提前打好的孔中，借助其头部、杆体的特殊构造和尾部托板，或是依靠黏结作用将围岩与稳定岩体结合在一起，从而产生悬吊、组合梁和补强效果，最终达到支护目的。这种支护方法的优势主要体现在以下几点：①成本不高；②支护效果有保障；③操作简单；④使用灵活；⑤占用施工净空少。

1.4 加筋水泥土深层搅拌支护

应用这种支护方法需要使用水泥作为固化剂，而且需要使用搅拌机将固化剂和软土进行拌和，这样这两者之间就会出现一系列反应，进而逐步硬化并形成有着良好稳定性和强度水泥土桩墙，最终就可以达到支护目的。这种支护方法比较适合用在淤泥质土、黏土、粉土、淤泥等土层施工，如果基坑开挖深度在6 m 以内也可以采用这种支护方法。至于有机质土、泥炭质土是否合适应用还需要通过试验决定。

1.5 钢板桩支护

钢板桩支护主要包括两部分，分别是钢板桩和锚拉杆。因为前者柔性比较好，如若支撑或锚拉系统设置存在问题，那么是很容易出现变形的。应用这种支护方法比较常用的方式有两种，分别是拉尔森式和拉克万纳式。这种支护方法不仅施工没有太大难度，而且不需要投入太多资金，强度和防水性能也比较好，即使坚硬的土层也可以打入，深水中施工也适合应用，如果情况需要还可以增加斜支撑，构成围笼，同时可以根据实际需要组成各种外形的围堰，还可重复使用，所以这种支护方法的应用非常广泛。但是基坑深度超过7 m 的软土地层并不适合采用这种支护方法，如果必须要应用就需要设置多层支撑或锚拉杆。

1.6 地下连续墙支护

应用这种支护方法需要在地面上沿着深开挖工程的周边轴线，在泥浆护壁条件下，开挖出一条狭长的深槽，之后需要清理深槽并在其中吊放钢筋笼，接下来需要用导管法灌筑水下混凝土，筑成一个单元槽段，如此逐段进行，最终建造一道连续的钢筋混凝土墙壁，从而可以发挥截水、防渗、承重、挡水作用。这种支护的应用形式有很多，一般都是集挡土、承重、截水和防渗于一体，同时兼作地下室外墙。该支护方法存在的不足就是需要使用专用设备施工，单体施工造价不低，其优势就是对地质条件和施工环境有着良好的适应性，而且施工不需要放坡和支模。当前我国地下连续墙深度已经可以达到36 m，壁厚也可以达到1 m。

1.7 拱圈支护

这种支护方法主要可以分为两种，分别是拱圈分闭合拱和非闭合拱，拱圈形式则可以分为圆形、椭圆形和二次曲线形。这种支护方法能承受水平方向的土压力，因为拱的内力多是受压力，而且弯矩比较小，所以能够充分发挥混凝土抗压强度高的特性，施工方便，节省工期。

1.8 逆作法

根据施工程序的不同，这种支护方法可以分为全逆作法、半逆作法或部分逆作法三种。应用这种支护方法需要用地下各层梁板作为支撑，并按照从上到下的顺序施工，这样可以有效防范挡土结构变形，还可以节省临时支护结构。这种支护方法比较适合用在较深基坑以及对周边变形有着严格要求的基坑开挖当中。但应用逆作法需要提前制定施工组织方案，处理好各结构节点。

2 紧邻铁路路基边坡深基坑支护实例

2.1 基坑支护设计

本工程紧挨陇海铁路路基边坡，基坑开挖深度、基坑长度和宽度分别为7.380～7.890 m、49.1 m 和28.2 m。基坑支护主要应用了两种方法，一是混凝土灌注桩，二是一道钢支撑支护。紧邻基坑的铁路路基边坡高度和坡率分别为4.7～5.0 m、1 ∶0.4～1 ∶0.5，而且其一侧还应用了挂网喷混。

2.2 紧邻铁路情况

基坑附近就是车站，站内有五条有砟轨道，前两条是时速为200 km/h 的正线，中间两条是时速为45 km/h 的发线，最后一条是时速为75 km/h 的货运线。

基坑铁路侧边线距离第五条轨道中心最近，只有10.50 m，距离第四条轨道的距离最远，为41.75 m，和其他三条轨道中心的距离分别为13.25 m、35.25 m和30.25 m。对其和这五条轨道的关系进行分析，可以发现它们基本呈平行关系。

2.3 深基坑支护工程所在地地质条件

该工程计划在上前坡洪积平原建设，这里的坡度并不太明显，整体来说还是比较平缓的。地层最上层是素填土，之后分别是卵石、强风化花岗岩，最底层是中风化花岗岩。其中素填土的重度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角分别为20.8 kN.m-3、21 E/MPa、0.35 v、12 c/kPa、20Φ（°）；卵石的这五项数值分别为19 kN.m-3、75 E/MPa、0.25 v、5 c/kPa 和30Φ（°）；强风化花岗岩这五项数值分别为22 kN.m-3、150 E/MPa、0.25 v、90 c/kPa、35Φ（°）；中风化花岗岩这五项数值分别为25 kN.m-3、300 E/MPa、0.25 v、300 c/kPa、40Φ（°）。

2.4 基坑开挖数值模拟

2.4.1 建立模型

技术人员需要先绘制地质现状断面图，之后还需了解空间相对位置关系，接下来就可以根据上述两者建立数值三维模型。基坑铁路侧对应X 轴坐标为0～49.1 m。应用Mohr-Coulomb 模型并参考土层物理力学参数，就可以建立和本工程实际情况相符的三维模型。

2.4.2 工程状态设置和模型参数

根据工施工先后顺序，工程状态可以分为以下几种：①初始工程状态，设置边界条件，形成初始应力场；②工程状态一，设置基坑围护桩，同时建设冠梁、挖掘内支撑底部以上土体；③工程状态三，这是施工第一道支撑，需要将基坑底部挖掘到标高-7.8 m。根据最初设定，初始工程状态和工程状态一并不会对土体造成太大影响，所以工程状态三才是施工重点，需要对其进行详细分析。

2.5 铁路变形计算结果分析

铁路轨道变形控制指标。通过对现行规范进行研究，同时对相同工程类比经验进行分析，最终决定进行基坑开挖时需要将1、2 和3、4、5 轨道水平位移控制在2 mm 左右和7 mm 左右，至于竖向位移则需控制在2 mm 左右和-8 ～+3 mm 范围内。

既有铁路五条轨道水平铁路方向，将其记作X 向，其位移和沿铁路变化的关系如图1 所示。

既有铁路五条轨道垂直铁路方向，记作Y 向，其位移和沿铁路变化的关系如图2 所示。

图2 5 条轨道垂直铁路方向(y 向)水平位移(一)

结合工程状态二对五条轨道位移进行分析可以发现：五条轨道的变形趋势并没有太大区别，存在相同的变形规律。例如，4 轨道对应基坑中部的部位是最容易变形的地方，相对而言，轨道队形基坑两侧阴角处的部位变形几率就比较小。从沿铁路走向来说，变形量会随着轨道和基坑对应部位的不同发生改变，一般情况下，对应基坑中部的部位变形量最大，对应阴角的部位变形量最小，所以“轨道的横向水平位移”和“竖向位移曲线”都呈U 形。对支护结构进行研究可以发现，基坑中部和基坑阴角区域采取的支护结构是不同的，这是因为前者周边土体变形几率更大，后者则因为基坑阴角斜撑和横撑的助力，周边土体变形几率并不太大。对该变形规律进行分析可以发现，其和基坑空间效应是相符的。

对三向位移变化情况进行分析可以发现五条轨道出现位移比较明显的部位都存在相同区域，也就是x=5～45 m 区间，这种情况在4 轨道和3 轨道表现得更加明显，而这一区域正好和基坑以及基坑两侧一倍开挖速度相对应。从变形量角度分析可以发现，5 轨道受到的影响是最大的，之后是3 轨道、其余三个轨道受到的影响都比较小，如表1 所示。也就是说轨道和基坑距离越大受到基坑施工的影响就会越小。

表1 原支护方案数值模拟变形量最大值统计（mm）

对表1 进行分析可以得出如下结论：①在工程状态二下，五条轨道当中，5 轨道变形最为严重，其沿铁路方向最大位移、垂直铁路方向最大位移、最大竖向位移分别为-1.90 mm、11.82 mm 和-3.91 mm，该轨道的垂直铁路方向水平位移甚至可以超过10 mm，已经超过了变形控制值。②1 轨道沿铁路方向最大位移、垂直铁路方向最大位移、最大竖向位移分别为-0.17 mm、0.71 mm 和-0.10 mm，这说明1 轨道这三个方向的变形量均在变形控制范围内，但是1、2 轨道相比，显然前者的变形量更大。

总之，5 轨道变形量最大，已经超出控制值，所以需对基坑支护方案进行完善和改进。

2.6 基坑支护方案完善和改进

2.6.1 基坑支护改进方案

为了更好地降低铁路轨道变形发生几率，需对原有基坑支护方案进行完善和改进。由于基坑和铁路路基边坡坡脚相邻，空间不太充足，因此不能采用隔离桩，需采用如下措施：①支撑体系。如果应用钢支撑铁路变形比较大，出于确保铁路安全和控制变形的目的，钢支撑决定采用800 mm×800 mmC30 混凝土支撑。②铁路侧围护结构。增加灌注桩桩径，将其由原来的φ800@1 100 mm 变为φ1 000@1 200 mm。

2.6.2 轨道变形控制效果分析

对原有基坑支护方案进行改进后，变形规律并不会出现太大变化，但是个轨道变形量却出现了一定改变，通过建模并进行计算后得出如下结论，如表2所示。

表2 支护方案优化后数值模拟变形量最大值统计（mm）

对表2 进行分析可以发现在工程状态三下五条轨道的变形量都有所下降，都在相应的控制值范围内。

3 结论

根据工程实例，运用数值模拟法对基坑开挖对相邻铁路轨道变形的影响和深基坑支护改进方案实施效果进行了研究，得出了如下结论：①原来的支护方案会让轨道5 和轨道3 变形量超出控制值范围，从而阻碍到铁路正常运行，因此需对原方案进行改进。②增加灌注桩桩径、采用混凝土支撑可以有效减轻基坑开挖对轨道的影响，车站五条轨道变形量都会有所下降。③数值模拟得出的结果和实际监测变形量并没有太大差距，可以更好地反应基坑开挖对临近铁路的影响，可以为其他类似工程提供参考。