长大深基坑对邻近城际铁路路基变形的影响分析

张凤维

中国铁路设计集团有限公司，天津300308

随着城市规模的不断扩大，城际铁路保护范围以内的新建构筑物日益增多，使得铁路路基不可避免地受到构筑物基坑施工的影响［1-3］。城际铁路运营速度快、轨道平顺性要求高［4］，科学评价基坑施工对既有铁路路基的影响，对于确保城际铁路安全运营具有重要的现实意义。

近年来，国内学者对邻近铁路的基坑开挖做了大量研究。王菲［5］以某大面积深基坑为工程背景，分别对高速铁路路基及桥梁的竖向变形、相邻桥墩差异竖向变形、横向水平变形、纵向水平变形、轨道平顺性、桥梁基础结构安全性等进行了计算分析。郑明新等［6］以福建莆田一框架保护涵下穿高速铁路莆田特大桥深基坑工程为背景，运用有限元软件分析了基坑开挖过程，研究了基坑开挖过程中邻近基坑的桥墩墩台竖向变形和桩基变形规律。禚一等［7］以天津地区一邻近高速铁路的道路下穿高速铁路工程为背景，对不同距离、不同挖深、不同封闭式路堑节段的基坑施工过程进行了数值分析，研究了路基附加差异竖向变形与轨道的平顺性。王培鑫等［8］以某紧邻既有铁路的基坑工程为依托，基于现场实测数据，分析了路基与基坑的变形规律、竖向变形原因和控制措施。刘玉恒等［9］针对大连某位于铁道邻近位置的地下管廊基坑开挖工程，采用了有限差分软件对基坑的开挖和支护进行了数值模拟，研究了支护结构变形与周围地层位移等问题。

综上，邻近铁路的基坑开挖会使既有铁路产生相应的附加竖向变形与水平变形，铁路变形规律与基坑距铁路的距离、基坑开挖规模、基坑支护方式等密切相关，采取有效的基坑支护措施，可以明显减小铁路的附加变形。工程项目、工程地质条件的不同，使得基坑开挖引起的铁路变形特征差异迥然［10-11］。据此，为确保北京市一长大深基坑的施工安全以及邻近城际铁路的运营安全，本文采用FLAC 3D软件建立三维数值模型，对基坑钻孔桩的施工过程、基坑的开挖过程以及建筑荷载的施加进行数值模拟，分析城际铁路的竖向及轨向变形特征，为实际施工提供科学依据。

1 工程背景

北京一棚户区改造项目位于东城区南二环外，北侧邻近京津城际铁路，该区间铁路主要以路基形式通过。路基基床由表层和底层组成，表层厚度0.4 m，底层厚度2.3 m，基底采用夯实碎石桩与CFG桩处理，如图1所示。该项目1标基坑深度为13.72～15.07 m，基坑边缘与京津城际铁路坡脚最近距离约为18.9 m，主要采用钻孔桩+预应力锚杆的支护形式。该项目2标基坑深度约为4.5 m，主要采用土钉墙坡面防护。

图1 京津城际铁路示意

研究区域位于古金沟河和古漯水河河间地块范围内，属于平原地貌。依据地质调绘、工程地质钻探揭示，工程区范围内的土层近水平分布，由地表向下可分为人工填土层、第四级全新世冲洪积层、第四级晚更新世冲洪积层三大类，岩土性质可分为杂填土、粉质黏土、粉细砂、卵石。

2 计算模型及参数

2.1 计算模型

2.1.1 钻孔桩模型

考虑钻孔桩直径与基坑的尺寸关系，为更好地体现钻孔开挖后的孔壁变形特征，选取城际铁路距离基坑最近的里程段落JJK3+200—JJK3+212.8建立钻孔桩的局部三维数值模型，见图2，用于计算钻孔桩开挖过程的岩土变形特征。土体及钻孔桩均采用实体单元模拟，钢护筒采用shell单元模拟。计算模型尺寸为12.8 m×112.3 m×60.0 m。模型共划分了170 290个单元，109 527个节点。

图2 钻孔桩三维数值模型

2.1.2 整体模型

整体模型用于计算基坑开挖过程及施加建筑荷载后的岩土变形特征。土体采用实体单元模拟，土钉墙坡面防护采用shell单元模拟，钻孔桩采用pile单元模拟，锚索采用cable单元模拟，见图3。考虑尺寸效应，基坑四周及底部向外各延伸3倍基坑最大开挖深度，模型尺寸为671 m×245 m×60 m，计算范围完全满足计算精度的要求。模型共划分了795 463个单元，516 986个节点。

图3 整体三维数值模型

2.2 计算参数及边界条件

本构模型采用Mohr-Coulomb模型。依据土工试验报告确定土层相关力学参数，其中土的压缩模量考虑其深度，选择对应压力段的压缩模量，既有京津城际铁路地基采用面积置换法确定复合加固区的弹性模量。计算参数见表1。模型边界条件为：模型四周约束法向位移，模型底部为三个方向固定的位移边界条件，地面及其以上采用自由边界条件。

表1 计算参数

3 计算结果

3.1 钻孔桩施工对路基变形影响

3.1.1 孔壁无防护措施

孔壁无防护措施工况下，孔口杂填土段最大竖向变形为1 861.3 mm，最大水平变形为1 812.8 mm，见图4，计算无法收敛，孔壁已经坍塌。

图4 孔口杂填土段变形（单位：m）

3.1.2 钢护筒护壁

钻孔全长钢护筒护壁工况下，孔壁竖向变形可以忽略不计，孔壁水平变形小于0.2 mm，见图5，钢护筒很好地发挥了护壁作用。

图5 钻孔全长钢护筒护壁时孔壁变形（单位：m）

钻孔桩开挖后，邻近城际铁路路基竖向变形与轨向变形值均小于0.1 mm，可以忽略不计，见图6。这说明钻孔桩的开挖对铁路路基无影响。

图6 钻孔桩开挖后路基的竖向、轨向变形（单位：m）

3.2 基坑开挖对路基变形影响

基坑开挖后，城际铁路路基最大竖向变形为1.3 mm，最大轨向变形为3.7 mm，见图7，且靠近1标基坑附近的路基变形较大。

图7 基坑开挖后路基的竖向、轨向变形（单位：m）

基坑开挖后，路基竖向、轨向变形监测曲线见图8。可知：路基竖向变形最大值出现在里程JJK3+600附近，为1.3 mm，且下行线竖向变形大于上行线；轨向变形最大值出现在里程JJK3+200附近，为3.4 mm。

图8 基坑开挖后路基竖向、轨向变形监测曲线

下行线、上行线10m弦长竖向差异变形最大值均为0.6 mm。下行线、上行线10 m弦长轨向差异变形最大值均为0.4 mm。

3.3 建筑荷载对路基变形影响

施加建筑荷载后，铁路路基最大竖向变形为1.9 mm，最大轨向变形为4.7 mm，见图9，且靠近1标基坑附近的路基变形较大。

图9 施加建筑荷载后路基竖向、水平变形（单位：m）

施加建筑荷载后，铁路路基竖向、轨向变形监测曲线见图10。可知：路基竖向变形最大值出现在里程JJK3+600附近，为1.5 mm，且下行线竖向变形大于上行线。路基轨向变形最大值出现在里程JJK3+200附近，为4.7 mm。

图10 施加建筑荷载后路基竖向、轨向变形监测曲线

下行线、上行线10 m弦长竖向差异变形最大值分别为0.7、0.6 mm。下行线、上行线10 m弦长轨向差异变形最大值均为0.8 mm。

4 模型验证

由于现场施工及监测尚未开展，为验证数值模拟结论，选取相似工程的研究结论进行对比分析。选取的工程位于京津冀地区邻近既有高速铁路路基的基坑，地层以粉质黏土、粉土为主，基坑距离既有高速铁路线位中心约52 m，基坑沿线路方向长度约133 m，基坑最大开挖深度为11.65 m，基坑采用桩锚支护体系支护，既有高速铁路路基采用CFG桩加固［4］，与本项目较相似。该项目数值分析中，高速铁路路基最大竖向变形为1.73 mm，轨向变形为3.35 mm，根据施工过程中监测数据，路基最大竖向变形为1.90 mm，最大轨向变形为3.00 mm。误差均不超过0.4 mm，数值分析可以较好地反应基坑开挖过程中邻近路基的变形情况。该工程基坑采取的支护措施、高速铁路路基地基处理形式与本工程基本一致，且最大变形及规律较接近，轨向变形大于竖向变形，桩锚支护体系能较好地控制邻近高速铁路路基变形。

5 结论与建议

1）钻孔桩孔壁无防护措施工况下，钻孔变形过大，存在塌孔风险。采用钢护筒护壁后，钻孔变形值可忽略不计，且对邻近铁路路基变形无影响。建议实际施工时采取必要的孔壁防护措施。

2）基坑开挖后，既有京津城际铁路发生的竖向变形最大值为1.3 mm，轨向变形最大值为3.4 mm。10 m弦长竖向、轨向差异变形最大值分别为0.6、0.4 mm。变形值及差异变形值均满足相关规范要求。

3）施加建筑荷载后，既有京津城际铁路发生的竖向变形最大值为1.5 mm。轨向变形最大值为4.7 mm。10 m弦长竖向、轨向差异变形最大值分别为0.7、0.8 mm。变形值及差异变形值均满足相关规范要求。

4）基坑开挖后以及施加建筑荷载后，路基最大竖向变形均分布在JJK3+600附近，路基最大轨向变形分布在JJK3+200附近，建议实际施工时加强附近区域的变形监测。