邻近高速铁路基坑工程稳定性分析
时间：2023-06-29 20:30:02 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
陈海波
(中铁第五勘察设计院集团有限公司广西分院，广西 南宁 530000)
随着我国经济建设的迅速发展，城市更新对土地资源的需求不断提高。实际工程中出现了大量邻近铁路开挖基坑的情况。深基坑工程施工风险高，对周边环境影响大，对于邻近铁路的基坑工程，如何保证工程实施过程中周边铁路运营的安全稳定成为了一个亟待解决的问题。基于此，本文以某一邻近高速铁路的基坑工程为例，通过研究分析，总结了邻近铁路基坑支护技术在设计与施工过程中的要点，为相似工程制定科学、合理的基坑支护方案提供参考。
1.1 项目概况
项目位于贵港市江北屠宰厂东侧，基坑距南广左线K151+600～+900左侧约44.19m～45.75m，项目设置两层地下室，基坑分两级开挖，场地地面标高47.71m～49.95m，一层地下室基坑底标高为45.40m，挖深2.31m～4.45m，二层地下室基坑底标高为41.5m，挖深6.21m～8.35m。项目平面图见图1。
图1 基坑与南广高铁项目位置平面图
1.2 工程地质条件
场地覆盖层主要为第四系全新统(Q4ml)人工填土、第四系全新统残积层(Q4el)红黏土；
下伏基岩为石炭系(C)白云质灰岩，覆盖层厚度11.0m～21.5m。各层岩土物理参数取值见下表1。
表1 岩土参数取值
场地主要不良地质为岩溶，特殊性岩土主要为人工填土及红黏土场地地下水类型主要为孔隙水及基岩岩溶裂隙溶洞管道水。孔隙水主要赋存与表层疏松土层孔隙中，属上层滞水，依靠地表水及大气降水下渗补给， 再通过孔隙往地下渗流方式排泄， 局部水量较大。
定水位埋深2.30m～6.20m，标高41.54m～45.46m。据区域水文地质资料，场地地下水位变幅一般为1m～2m。下伏溶洞裂隙水为覆盖型岩溶水，属承压水，溶洞裂隙水赋存和运移于灰岩岩溶裂隙中，接受大气降水及邻区的地下水侧向补给，以地下迳流方式往郁江排泄，其水量相对较大，但平面及空间分布很不均一，岩溶水埋深为14.80m～15.70m，标高32.06m～33.09m，场地地下水位变幅受季节性影响，其年变幅一般约1m～4m。
1.3 基坑支护主要工程风险
根据现场情况，项目基坑支护工程主要风险可分为以下两个方面。
(1)支护结构失稳造成安全事故。
(2)根据水文地质资料，场地赋存孔隙水及基岩岩溶裂隙溶洞管道水，施工过程中大量抽排地下水易造成既有铁路线路及建筑物沉降。
2.1 基坑支护方案
项目地下室外墙边线距离南广高铁左线44.19m～45.75m，基坑南侧涉铁部分采用双排桩支护方案，桩长16.27m～24.50m，桩径1.2m，桩间距2.0m，排间距2.0m，采用C35水下混凝土灌注，桩顶布设钢筋混凝土冠梁，冠梁尺寸为：高1.0m，宽3.2m，冠梁砼强度C35。基坑西侧、东侧涉铁部分分别采用放坡+挂网喷砼支护和土钉墙支护。
为防止基坑渗水引起铁路沉降，在基坑四周布置高压旋喷桩截水帷幕， 桩径0.8m，桩间距0.5m，桩顶至地面，涉铁部分桩长同排桩长，非涉铁部分桩长18.0m。
基坑西侧、东侧为防止放坡及土钉墙变形导致高压旋喷桩截水帷幕失效，坡顶增设一排单排桩，桩长21m，桩径1.2m，桩间距2.0m。排桩采用C35水下混凝土灌注，桩顶布设钢筋混凝土冠梁，冠梁尺寸为：高1.0m，宽1.2m，冠梁砼强度C35。
2.2 基坑稳定性分析
采用理正深基坑结构设计软件对邻近铁路侧的基坑支护设计进行支护结构的整体稳定性、抗倾覆、抗隆起、嵌固深度验算，图2为基坑剖面示意。
图2 基坑支护剖面图
采用理正软件验算结果如下表2，根据以下计算结果，各验算项目计算结果均满足规范《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)要求，说明支护结构基本稳定。
表2 排桩稳定性验算成果表
2.3 基坑涌水量估算
本工程基坑开挖面积约20 081m2，地面标高47.71m～49.95m，1层地下室基坑底标高为45.40m，挖深2.31m～4.45m，2层地下室基坑底标高为41.50m，挖深6.21m～8.45m。基坑四周设置高压旋喷桩截水帷幕，基坑开挖土层为素填土和红黏土层，坑底为红黏土层属黏性土，渗透系数为0.002m/d，其赋水性差，属相对隔水层。
根据设计方案本基坑四周已设置高压旋喷桩截水帷幕，桩径0.8m，桩间距0.5m，桩顶至地面，涉铁部分桩长同排桩长为落底截水帷幕，非涉铁部分桩长18.0m未进入岩层。故地下水可通过坑底渗透流入基坑，本次涌水量估算地下水水位取9月(雨季)勘察期稳定水位45.46m，基坑坑底标高取41.5m。根据达西定律:
按设计高压旋喷桩截水帷幕方案实施后，预计基坑开挖过程中涌水量很小，不需要大量抽排地下水，基坑施工过程中不会因为基坑降水导致周围线路及建筑发生沉降。
2.4 基坑施工引发铁路路基沉降验算
本基坑采用悬臂式支挡结构，根据弹性角点法建模验算得到临铁路侧断面桩顶部最大水平位移8.92mm，对于开挖土层主要为黏性土基坑，基坑宽度方向上，任意一点开挖引起的地表沉降量与该点和基坑边界距离之间呈正态函数关系，采用理正软件计算，剖面计算结果如下图3。
图3 剖面地表沉降曲线
2.5 基坑施工数值模拟
由于基坑与高速铁路线路较近，基坑开挖将对高速铁路线路造成一定影响，本次评估采用Midas GTS软件模拟基坑开挖的施工过程对邻近铁路的影响。
根据既有高速铁路线路及基坑断面资料，分别对基坑剖面建立二维有限元数值模型。模拟过程同时考虑开挖和坑内排水，基坑开挖施工时，先施工支护桩，接着分段分层开挖至基底标高。模型见图4所示。
图4 剖面基坑数值模型
基坑施工剖面后变形情况如图5。
图5 剖面基坑开挖后基坑周边及铁路中心线总变形
根据Midas GTS计算结果，基坑开挖后高速铁路线路变形结果如下表3(表格中水平向变形以倾向基坑外为正，倾向基坑内为负，竖向变形以向上为正，向下为负)。
表3 各计算剖面处铁路中心线变形计算成果表
基坑开挖涉及南广高铁，其设计速度为250km/h，工程涉及范围位于南广高铁直线段上，依据《高速铁路有砟轨道线路维修规则》(铁运[2013]29号)规定，对铁路线路轨道水平位移及竖向位移控制值按±3mm考虑。根据以上计算结果，剖面水平位移、竖向位移均小于3mm，符合规范要求。
综合解析计算和数值计算成果，基坑支护工程设计方案邻近铁路段施工引发的铁路水平位移最大计算值为0.56mm，竖向沉降最大计算值为2.19mm，均不超过200km/h～250km/h 线路轨道静态几何尺寸允许偏差管理工作验收控制值3mm。根据各线路轨道中心线水平位移分析基坑施工引发的轨距偏差最大值约为-0.25mm，不超过轨距容许偏差值±2mm。说明设计方案基坑施工引起的路基沉降变形偏差符合相关规范对变形控制要求，不会对营运高铁线路造成影响。
3.1 结论
(1)经基坑支护稳定性验算，本项目基坑设计方案支护结构的整体稳定性、抗倾覆稳定性、嵌固设计深度、抗隆起稳定性满足规范要求。
(2)项目施工截水帷幕后，计算基坑涌水量很小，不需大量抽排地下水，不会因抽排水对周边高速铁路线路沉降造成影响。
(3)综合解析计算和数值计算结果，认为设计方案基坑施工引起的路基变形满足变形控制要求。
3.2 建议
(1)对于邻近高速铁路的基坑工程，项目实施前应进行多方论证，明析主要风险源，并针对可能出现的风险制定对应措施。
(2)邻近高速铁路基坑工程施工中严禁大量抽排水，当项目实施场地地下水位高于基坑坑底时，可采用截水帷幕进行封闭。
(3)高速铁路对变形的要求十分严格，邻近高速铁路基坑工程设计时应注意在满足支护结构稳定的基础上，要适当加强支护措施，通过计算和分析确保基坑工程施工过程不会对高速铁路变形产生太大影响，确保铁路运营安全。
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