深基坑施工对邻近铁路路基的影响分析

王舜尧WANG Shun-yao

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

0 引言

随着交通建设项目越来越多，大量新建工程的基坑常常位于铁路保护区范围以内。基坑开挖是一个卸荷的过程，使得铁路线下的土体区域受力平衡被打破，基坑的开挖势必会对周围铁路设施设备造成重大影响，乃至线上轨道结构产生附加沉降和水平变形影响[1～4]，特别是在软土地区，由于粉土和软黏土的土体压缩模量和地基承载力较低，导致软土地区修建的铁路更易受到基坑工程施工的影响[5～7]。因此必须准确评估其施工过程及施工顺序对铁路路基以及轨道结构的影响，合理优化基坑防护设计、施工工艺，以避免影响铁路运营的安全性和舒适性。

本文以廊坊地区上跨铁路立交桥工程为背景，运用Midas-GTS 软件建立分析模型，对邻近铁路不同隔离桩桩径、不同挖深的基坑施工过程进行了数值分析，分析施工过程对既有邻近铁路的影响，提出了基坑支护方案和应急预案。在施工过程中对基坑支护结构进行监测，监测结果表明根据数值分析结果提出的基坑支护方案是合理可行的，支护结构的监测数据满足要求，可为类似工程的施工提供参考。

1 工程概况

1.1 概况

廊坊市光明道与京沪高铁和既有京沪铁路斜交，斜交角度分别为32.9°和31.4°。本桥主桥桥式方案拟采用曲线上加劲弦变高连续钢桁梁方案，主桥跨度布置为（118+268+118）m，其中主跨268m 上跨既有京沪铁路（四股道）、京沪高铁（六股道），采用转体法施工。

1.2 工程地质

拟建场地岩土层主要分为四大层：第一层为第四系人工堆积层，第二层为第四系全新统新近沉积层，第三层为第四系全新统冲积层，第四层为第四系上更新统冲积层。（表1）

表1 岩土物理力学参数建议取值

1.3 测点布置

基坑支护桩顶水平位移监测和沉降监测共用变形观测点，布置于基坑支护桩桩顶对应冠梁顶面处；土体深层水平位移布置在基坑每个边中间位置；钢管支撑应力监测布置在钢管支撑跨中截面，每个截面布置上下各1 个测点；铁路防护墙垂直位移监测布置离基坑12m 的周边，每个周边布置2 个点，具体位置如图1、图2。

图1 普铁侧围墙监控测点图

图2 普铁侧支护桩顶监控测点图

2 控制标准

基坑施工对既有铁路的影响分析一般从结构及附属设施变形、结构强度及稳定性等方面来考虑，且一般采用变形作为主要控制指标。

《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》（TB 10314-2021）中7.2.1 条对铁路运营设备设施监测预警值、报警值和控制值进行了规定。本文列出与本文有关的普速铁路轨道和路基变形的要求，见表2。

表2 轨道和路基位移变形监测预警值、报警值和控制值（mm）

《建筑基坑工程监测技术标准》（GB 50497-2019）中第8.0.4 条规定：基坑及支护结构监测预警值应根据基坑设计安全等级、工程地质条件、设计计算结果及当地工程经验等因素确定。控制基准值，预警值统计见表3。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

三维有限元模型中土体、路基、冠梁、承台及桥墩采用实体单元模拟，桩基础采用桩单元模拟，接触部位建立界面摩擦单。模约束了竖向面的水平变形和底面的竖向变形。考虑铁路路及结构的自重，以及新建工程的主要工况与荷载。（图3）

图3 三维有限元模型

3.2 施工工况模拟

本文针对主要施工工况分析研究，计算工况为：工况一：防护桩；→工况二：防护桩冠梁；→工况三：高压旋喷桩；→工况四：基坑开挖-1；→工况五：基坑开挖-2；→工况六：基坑底垫层施工；→工况七：基础施工；→工况八：基坑回填；→工况九：主墩施工；→工况十：主梁支架施工→工况十一：主墩拆支架→工况十二：成桥状态。

4 计算与实测结果

4.1 不同隔离桩桩径和基坑深度对比分析

本文主要研究了21 号主墩基坑不同的开挖深度、不同隔离桩桩径及承台底部加固的施工顺序对货场西牵出线路基结构（以下简称路基结构）竖向和横向位移的影响。图4～图5 给出了开挖深度10m 时，基坑采取两种隔离桩桩径情况下，路基结构距离基坑最近点的竖向和横向位移的变化情况，图6～图7 给出了开挖深度8m 时，基坑采取两种隔离桩桩径情况下，路基结构距离基坑最近点的竖向和横向位移的变化情况。

图4 距离基坑最近路基结构竖向位移图

图5 距离基坑最近路基结构横向位移图

图6 距离基坑最近路基结构竖向位移图

图7 距离基坑最近路基结构横向位移图

从图4～图7 可以看出，①在施工隔离桩和冠梁时，路基结构发生沉降，基坑开挖时，路基结构呈现出上浮，随着基础、桥墩及主梁的施工，路基结构呈现出沉降。②在施工隔离桩和冠梁时，路基结构横向位移向基坑侧发生变形，基坑开挖时，由于卸载土体发生回弹，路基结构呈现向远离基坑侧变形的情况，随着基础、桥墩及主梁的施工，路基结构横向位移呈现出向基坑侧变形。③随基坑开挖深度的增加，路基结构竖向和横向位移均随之增大。④隔离桩桩径的增大，路基结构竖向和横向位移均随之减小。⑤两种基坑深度及隔离桩桩径，路基结构竖向和横向位移计算结果均满足表2 的要求。由于邻近铁路营业线施工属于高危工程，因此综上研究的结果，在满足设计要求的前提下，推荐采用基坑开挖深度8m 和直径Φ1.5m 的隔离桩。

4.2 实测数据分析（图8-图10）

图8 21 号墩基坑冠梁竖向位移累计值变化曲线图

图9 21 号墩基坑冠梁X 方向水平位移累计值变化曲线图

图10 21 号墩基坑冠梁Y 方向水平位移累计值变化曲线图

结果分析：①对于21 号墩基坑冠梁竖向位移监测，自20 年10 月10 日开始监测至21 年3 月4 日结束监测，期间监测数据最大值向上为0.78mm，向下为2.12mm，各监测点监测数据在一定范围内围绕理论值波动，累计沉降值未超过黄色预警值10.5mm。②对于21 号墩基坑冠梁水平位移监测，自20 年10 月10 日开始监测至21 年3 月4 日结束监测，期间监测数据X 方向变化最大值为3.51mm，Y方向变化最大值为4.10mm，各监测点监测数据在一定范围内围绕理论值波动，累计水平位移未超过黄色预警值7.6mm。综上所述，通过综合分析21 号墩基坑各项监测数据，可得出结论，在基坑施工期间，各项监测数据未达到预警值且未出现数据突变现象，基坑施工安全可控。

5 结束语

本文以廊坊地区上跨铁路立交桥工程为实例，运用Midas-GTS 软件建立三维数值分析模型，对邻近铁路不同隔离桩桩径、不同挖深的基坑施工过程进行了数值模拟，并对整个施工过程进行了监测监控，主要得到以下结论：

①基坑开挖深度越大，铁路路基变形越大；邻近基坑的不同位置铁路路基表现出不同的变形特点，距离基坑越近变形越大，铁路路基水平位移整体表现出向基坑内倾斜的趋势。②21 号墩基坑冠梁在监测期间，竖向位移最大值向上为0.78mm，向下为2.12mm，各测点监测数据在一定范围内围绕理论值波动，累计沉降值未超过黄色预警值10.5mm。③21 号墩基坑冠梁在监测期间，水平位移监测数据X 方向变化最大值为3.51mm，Y 方向变化最大值为4.10mm，各测点监测数据在一定范围内围绕理论值波动，累计水平位移未超过黄色预警值7.6mm。④在基坑施工期间，各项监测数据未达到预警值且未出现数据突变现象，基坑施工安全可控。