邻近高速铁路深大基坑对铁路影响分析

徐 俊 中国铁路上海局集团有限公司上海东华地方铁路开发有限公司

随着铁路网的建成与完善，以及地方发展需要，一些基坑工程邻近既有高速铁路设置，给基坑施工变形提出了很高的要求。一些学者从多种角度研究了临近铁路基坑的稳定性、围护结构变形规律与荷载模式，从支护结构设计与施工控制等方面提出了建议，指出基坑渗流对轨道水平的影响显著，建议临近既有线基坑开挖须在止水条件下进行。本文以某临近既有铁路的基坑工程为背景，分析基坑开挖对铁路路基的影响，可为类似工程提供经验与借鉴。

1 项目概况

1.1 工程概况

扬州江平东路快速化改造工程北侧紧邻宁启铁路，并行段长度约1.4 km。主线采用隧道形式，隧道总长838 m，隧道基坑宽度为30 m，基坑平均深度为8.6 m（见图1）。本项目涉铁基坑规模较大，最大深度达10.7 m（局部区域达到14.4 m），基坑边缘与铁路坡脚距离最小为25 m。如何将对宁启铁路的影响降至最小，保证铁路运营安全，是本项目重难点。

图1 项目概况

1.2 既有铁路现状

宁启铁路为国铁Ⅰ级双线电气化铁路，设计速度为200 km/h ，60 kg/m 钢轨，无缝线路，混凝土轨枕。填方路基，路基填筑高度约为6 m；铁路路基排水采用散排；铁路两侧有钢筋混凝土栅栏。

1.3 工程地质

地势较平坦，无不良地质，以可塑至硬塑粉质黏土为主。

区内地下水主要为孔隙型潜水，水位埋深浅，孔隙型潜水稳定水位埋深1.10 m～1.70 m。岩土层的物理力学指标见表1。

表1 工程场地岩土层主要物理力学指标

2 围护方案

围护结构的选择，不仅关系到基坑开挖及邻近铁路的安全，而且直接影响着土方开挖以及隧道结构施工等施工成本。基坑支护结构是个系统工程，不仅要保证受力合理，而且要施工方便、成本节省。设计原则是：首先保证安全，存在重大安全隐患的方案实际上是没有任何现实意义，而且可能带来巨大的经济损失；其次尽量节省造价，过于安全但太浪费的方案也不符合市场需求；最后考虑施工的方便性，施工的方便性可以在施工中缩短工期、降低施工造价。

本工程隧道周边场地开阔、空旷，地面交通易于疏解。明挖法具有地层适应性好、技术成熟、施工风险小、造价低等优点，本次设计中，采用明挖顺作法施工。

2.1 基坑控制指标

因隧道临近宁启铁路，且基坑深度较深，基坑工程安全等级及环境保护等级均按一级设计。

除了满足基坑工程安全系数的要求，还需控制基坑对铁路轨道变形的影响。

通常情况下铁路路基沉降变形是导致上方线路不平顺的主要原因。根据《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》（TB10182-2017）规定，高速铁路有砟轨道变形须控制在3 mm以内。普速铁路道岔区的沉降变形量控制在1 mm 以内，非道岔区的路基沉降变形量控制在10 mm 内。考虑到宁启铁路设计速度为200 km/h，有砟轨道，故水平及沉降变形按照3 mm 控制。

2.2 围护体选型分析

基坑工程设计时，需根据基坑开挖深度、内部结构类型、地质条件、场地条件、周边环境条件、使用功能条件、施工工艺、工期和造价等因素综合考量、深入进行技术经济比选后确定，力求安全可靠、技术成熟、施工便捷、造价合理、工期短、环保节能，利于文明施工等。

基坑工程实施方案主要包括“放坡开挖”、“垂直支护开挖”和“放坡开挖（坑顶部分）＋垂直支护开挖”三大类。放坡开挖方案中，常对坡面采取一定的边坡防护措施。垂直支护开挖方案中，主要的围护结构（挡土结构和/或止水帷幕）型式主要包括拉森钢板桩、型钢水泥土搅拌墙（俗称“SMW 工法桩”）、钻孔咬合桩、排桩（例如钻孔灌注桩）＋止水帷幕、地下连续墙和等厚度劲性水泥土搅拌墙等。

对常见的支护方案进行比选见表2。

表2 围护结构比选

2.3 基坑支护方案

项目基坑与铁路距离变化不大，故基坑支护方案主要受基坑深度及地质情况影响。最终确定的基坑支护方案见表3。

表3 围护结构比选

基坑内支撑采用钢和混凝土组合支撑的形式，即第一道支撑设计为钢筋混凝土支撑，第二及以下各道支撑采用钢管撑。采用Φ609 壁厚16mm 钢管支撑。基坑跨度较大，需要设置格构柱、立柱桩、连系梁。典型支部断面见图2。

图2 典型支护断面

2.4 基坑降水方案

因本基坑邻近宁启铁路，基坑降水必须采用坑外止水帷幕结合坑内降水的方案，不得坑外降水。

（1）基坑降水应由专业降水单位负责进行。基坑开挖前20 天进行预降水以提高坑内土体强度，降水深度应控制在基底以下1 m，保证基坑在干燥无水的条件下开挖。

（2）开挖至坑底施工底板时，在底板设置泄水孔，待顶板覆土及内部铺装层施工完成后方可封孔。

（3）开挖过程中，应做好基坑内的排水工作，如在雨季施工，须配备足够的抽水设备，并做好基坑外的排水、截水工作。基坑内排水沟在施工垫层前应分段用粘土回填，以免水在沟内流动破坏地基土体。

（4）基坑内外均需设置适量的水位观测孔，以便监测基坑内地下水位及降水对坑外水位的影响，控制周围地面的沉降。降水过程中应加强对地下管线的监测，为减少基坑降水对周边建构筑物、地下管线的影响，在建构筑物与基坑之间设置回灌井，视地下水位监测情况进行地下水回灌。

（5）坑内抽出的水须尽量远离基坑排放，不得增加坑外的水头压力。

（6）施工前应结合地质勘察报告，委任具有降水专业资质的单位进行降水专项设计，通过现场抽水试验确定相关参数。既要达到降水效果，保证基坑工程安全，又要较好地控制坑外地基变形，确保宁启铁路、周边管线和建筑物安全。

3 对铁路影响分析

综合考虑基坑开挖深度、基坑与铁路距离、支护形式、地层条件等因素，选取典型横断面对铁路的影响进行有限元分析。选取断面特点及最终计算结果见表4。

表4 与既有铁路相对关系典型横断面

选取4 号断面为例介绍计算分析过程。计算了10 种工况模拟施工过程，有限元模拟见图3。

图3 有限元模拟

提取近道路侧轨道中心沉降值和轨道中心水平位移值，作为评估路堑开挖对铁路路基影响的量化指标，汇总见表5。

表5 道路施工引起的路基累计变形量（4 号断面）

分析得出，轨道中心累计水平位移的最大值均发生在辅道开挖工况，轨道中心沉降的最大值发生在道路通车运营工况。施工过程中路基水平位移和沉降均在3 mm 以内，满足要求。

4 结束语

邻近铁路深大基坑，即使超出铁路保护区范围，施工过程也将对铁路造成一定影响，但在采用有效围护措施后，可将铁路路基位移控制在限值范围内。

对铁路影响的分析建立在有效止水措施的基础上，邻近铁路基坑需设置封闭的止水帷幕，严禁坑外降水。

基坑开挖过程，应遵循分区、分层、对称、均衡的开挖原则，严禁超挖，尽量减少无支撑暴露时间。

为保证铁路运营安全，施工过程应加强对铁路路基沉降及水平变形监测。