涉铁基坑安全性分析在工程实践中的应用

田佳成

杭州铁路设计院有限责任公司

1 引言

基坑安全性分析是岩土工程师们重要的设计内容，《建筑基坑支护技术规程》[1]（JGJ 120—2012）中对于基坑设计的安全性验算，包括整体稳定性、抗倾覆、抗隆起、抗渗透稳定性等问题都进行了详细的规定。“涉铁基坑”，顾名思义就是在距离铁路一定范围内需要开挖的基坑（如中国铁路上海局集团有限公司按照距既有铁路线路中心30m 的邻近营业线范围作为划分依据）。伴随着我国铁路、特别是高速铁路的快速发展，“涉铁基坑”的安全性已经逐渐成为基坑设计中需要重点分析的内容，特别是由于大多数高铁设计时速达到了300km/h及其以上，因此运营中的铁路无论是路基还是桥梁的变形（包括水平位移和沉降）都被严格控制[2]。

“涉铁基坑”与“非涉铁基坑”的异同点如表1所示。

缙云县某房地产基坑邻近既有金温货线铁路，本文就此工程案例对铁路路基及桥梁的稳定性影响进行分析，提出涉铁基坑在方案设计和施工时的控制要点。

2 工程概况

缙云县某小区，基坑平面为286×153.4m（长×宽）的矩形结构，东侧邻近既有金温货线。涉铁里程约为K87+603.57～K87+912.57，长度为309.0m；其中K87+603.57～K87+714.86 范围内为桥梁段，对应既有好溪1 号桥3#桥墩～温州侧桥台；K87+714.86～K87+912.57范围内为路基段，如图1。

图1 基坑平面位置图

根据地勘资料，场地主要由杂填土、素填土，粉质黏土、圆砾，强风化粉砂岩、中风化粉砂岩等组成。地下水主要为第四系孔隙潜水。勘察期间测得稳定水位埋深0.10m～4.00m。孔隙潜水主要赋存于填土、粉质黏土、圆砾中。其中填土、圆砾层为强透水层，含水性、赋水性较好，粉质黏土为弱透水层，含水性、赋水性差。各土层力学参数见表2。

表1 基坑安全性对比分析异同表

表2 地质力学参数

3 基坑支护方案优化

原设计中对于“涉铁基坑”与“非涉铁基坑”未做区别，挖深约4.25m～5.25m，均采用“一级放坡+喷射C20钢筋混凝土挂网护坡+土钉墙”的支护形式，基坑安全等级为二级。基坑放坡坡率1:0.8，土钉锚固长度6.0m～9.0m，水平间距1.0m，角度为15°。

图2 原设计方案

图3 优化后设计方案

原设计方案中由于部分土钉锚固长度达到9.0m，对既有铁路路基产生严重的安全隐患，且既有铁路路基段高约9.5m，属于高填方路基。考虑到铁路的安全稳定，将支护形式调整为“一级放坡+钻孔灌注桩+一道型钢支撑”。一级放坡采用1:1开挖，坡高1.0m；钻孔灌注桩桩径0.8m，桩长13m；斜撑采用型钢，涉铁段基坑安全等级调整为一级，并将铁路路基通过等效荷载方式加载于基坑边一定范围。

经计算，优化后的涉铁段基坑围护结构结果满足《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）中一级基坑整体稳定性、抗倾覆、抗隆起、抗渗透稳定性等控制标准。

4 基坑开挖对金温货线的影响

为从整体上把握涉铁基坑工程的实施对既有金温货线的影响[3]，考虑到邻近金温货线处基坑最大挖深为5.25m，结合工程地质条件等，选用有限元软件MIDAS/GTS NX 建立数值计算模型，同时考虑施工作业场地、施工便道及出口面的影响，基坑边附加荷载按25kN/m2计算，涉铁段基坑还需考虑铁路荷载，基坑围护结构图4图、5。

图4 涉铁基坑示意图（路基段）

图5 涉铁基坑示意图（桥梁段）

表3 地质力学参数

由以上计算结果可知，对于既有铁路路基，由于基坑开挖距离坡脚较近，引起的累计水平及竖向变形分别为-1.452mm 和-3.458mm；对于既有铁路桥梁，开挖引起的累计水平及竖向变形均较小。

5 基坑降水的分析

管井降水作为基坑地下水控制最为常见的措施，主要目的是保证施工时能达到设计坑内水位要求同时能控制周边土体沉降[4]。

原设计方案中采用敞开式的管井降水方法，此类方案在普通基坑中应用最为广泛，《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）中对于影响半径（R）、基坑总涌水量（Q）、单井出水能力（q0）等均有推荐公式。但缺点是降水影响范围大，一般要求基坑周围的重要结构物距基坑边的距离大于3倍基坑深度，本工程基坑明显不适用于此降水方案。

由于涉铁基坑范围内铁路的沉降要求十分严格，因此更多是借助止水帷幕来实现基坑降水的目的。止水帷幕能有效减少基坑周边的水位降深，从而控制周围土体沉降。本工程调整后的方案采用Φ70cm 高压旋喷桩止水帷幕，有效桩长约9.0m，按照进入强风化岩不小于1.0m控制，搭接20cm。

根据上海软土地区的情况，有研究[5]将考虑竖向止水帷幕的基坑分成三类降水模型：敞开式一坑外降水，全封闭式一坑内降水，半封闭式一坑内外联合降水。由于工程实际施工中很难界定仅由于降水引起周围建筑的沉降，且部分地勘报告并未进行抽水试验等相关内容。因此对于涉铁基坑采用止水帷幕的降水影响，重点是通过降水影响半径的计算来保证铁路安全。

本文借鉴鲁芬婷[6]给出的考虑止水帷幕的影响半径修正公式。

潜水：

式中：

R——影响半径；

k——渗透系数；

Hw——坑外静止水头高度；

Sw——基坑内设计降深；

S′

w——基坑外边止水帷幕降深；

Hc——止水帷幕入水深度。

经计算，本工程影线半径：

理论计算值小于基坑边到铁路坡脚的距离。

6 结论和建议

本文以某房地产基坑为例，着重阐述了“涉铁基坑”在设计过程中应重点考虑的内容，并对原设计提出了优化方案以满足铁路相关要求。通过有限元软件分析了基坑施工对铁路路基及桥梁的影响，并对考虑止水帷幕的基坑降水提出了简化计算。

主要结论和建议如下。

（1）“涉铁基坑”应区别于“非涉铁基坑”进行方案设计，支护方式、降水方案、附加荷载等内容应综合考虑基坑与铁路的平面、横断面位置关系。

（2）基坑降水在缺乏相关资料的前提下，可进行简化计算，通过影响半径初步判断降水方案的合理性。

（3）为了保证铁路安全，“涉铁基坑”安全等级应按照一级考虑，并应符合相关的铁路管理规定。

（4）建议在施工阶段能给出相关参数的实测值，以便矫正计算公式。