深基坑开挖对邻近高铁路基变形的影响及隔离桩加固效果分析*

宋福贵

(上海同济工程咨询有限公司， 200092， 上海∥工程师)

当前，由于城市土地资源的紧张和地下空间综合开发利用的需要，一些基坑工程常邻近铁路营业线设置[1-5]。基坑开挖会造成周围土体应力环境变化，进而引发邻近铁路轨下基础结构变形[2]。如何有效地控制邻近工程对铁路线下结构及行车安全的影响，正受到越来越多的关注。

文献[6]采用有限元方法研究了基坑开挖对邻近铁路路基变形的影响，得到基坑开挖引起周围土体沉降的主要范围为开挖深度的0.5～2.0倍。文献[7]通过数值模拟，分析了锚桩加固下基坑开挖引起的邻近高铁结构的变形规律。文献[8]依托实际工程结合数值分析研究了钢板桩围堰支撑方式对既有高铁路基变形的控制效果。文献[9]通过在基坑外设置钻孔灌注桩与旋喷止水桩，以减少地铁车站基坑开挖对既有铁路的变形影响。但目前国内外针对小净距邻近既有高速铁路无砟轨道的深基坑工程的研究鲜见报道。

本文依托小净距并行沪杭高铁的上海轨道交通机场联络线(以下简称“机场线”)1号风井深基坑工程，采用Plaxis 3D有限元软件分析了基坑开挖对邻近高铁路基的变形影响，并提出了防护加固方案。结合现场实测数据，研究隔离桩加固下基坑开挖对邻近高铁路基的实际变形控制效果，可为类似工程提供参考与借鉴。

1 工程概况

机场线连接上海虹桥国际机场与上海浦东国际机场，是实现城郊机场与市中心区交通的快速换乘重点工程。1号风井深基坑作为机场线明挖过渡段的关键节点，其开挖深度为25.5 m，平面尺寸为30 m×25 m，基坑与沪杭高铁路基坡脚最近距离为10.7 m。1号风井基坑与沪杭高铁的平面位置关系如图1所示。沪杭高铁为无砟轨道路基，采用的桩板结构为0.5 m厚C30混凝土板，板底远离基坑侧采用φ0.6 m@3 m钻孔桩加固，桩长约33 m；基坑另一侧3.9 m宽范围内采用φ0.5 m@1.2 m水泥搅拌桩+厚0.50 m碎石垫层加固，桩长6.0 m，均按正方形布置。

1号风井基坑支护结构采用C35地连墙+内支撑的形式，地连墙厚1.5 m、深52 m；竖向设置6道支撑，其中第1、3、4、5道为混凝土支撑，其余为钢支撑。第1道支撑横截面尺寸为0.8 m×0.8 m，第3、4、5道支撑横截面尺寸均为1.2 m×1.2 m；钢支撑为φ0.8 m，壁厚16 mm。围护结构底部设置1层厚5 m的N-Jet(大直径高压旋喷桩)人造隔水层，同时在坑底设置厚4 m的RJP(大直径旋喷桩)人造隔水层兼作坑底加固。1号风井基坑与沪杭高铁剖面关系如图1 b)所示。基坑各土层力学指标见表1。其中：③1、④1淤泥质黏土具有渗透性低、高灵敏度、高压缩性、低强度等特点，且在基坑开挖过程中易出现较大变形。

a) 平面图

b) 剖面图图1 1号风井基坑与沪杭高铁路基位置关系示意图

表1 1号风井基坑与沪杭高铁路基工程场地土层分布及物理力学参数

为减小基坑开挖对邻近高铁线路的影响，采用隔离桩加固方案，在地连墙外侧3 m位置施作1排φ1.0 m@1.2 m、长52 m的C30钻孔隔离桩。隔离桩桩顶设置宽1 m、高0.8 m的冠梁，并与地连墙的顶冠梁采用连系梁连接；连系梁横截面尺寸为0.8 m×0.8 m，水平间距为6 m。

2 1号风井基坑开挖对邻近沪杭高铁路基变形的影响

2.1 基坑三维有限元数值模型

利用有限元软件Plaxis 3D建立邻近沪杭高铁路基的机场线1号风井基坑的三维有限元数值模型，包括土层、基坑支护结构、高铁桩板结构路基。1号风井基坑平面尺寸为30 m×25 m，开挖深度为25.5 m。为尽量消除模型边界效应的影响，模型的平面尺寸取240 m×200 m，深度方向取约5倍的基坑开挖深度，有限元模型示意如图2所示。

图2 1号风井基坑并行沪杭高铁有限元模型示意图

1号风井基坑三维有限元模型中结构尺寸及参数按照工程实际情况选取。其中，地连墙采用板单元和线弹性本构模型进行模拟，地连墙与周围土体之间添加界面单元以模拟墙土间的相互作用；支撑、格构柱、立柱桩、隔离桩及连系梁均采用线弹性本构模拟；高铁路基底部的钻孔灌注桩采用线弹性本构模拟，路基承载板采用线弹性实体单元模拟。上述结构均采用C30混凝土。路基基床表层为级配碎石，基床底层及基床以下路堤采用A、B组填料。其中，A、B组填料参数按照设计值取值为：重度20 kN/m3，黏聚力10 kPa，内摩擦角30°。

土体选用HSS(小应变土体硬化)本构模型。结合岩土工程勘察报告，土体的本构模型部分计算参数如表2所示。

表2 1号风井基坑土层HSS本构模型计算参数

通过冻结与激活单元模拟基坑开挖与各结构施工，并在基坑内设置水位线来模拟基坑降水过程。数值模拟仅考虑基坑开挖阶段中基坑发生的变形及其对沪杭高铁路基的影响。针对1号风井基坑开挖阶段，数值模拟中设置了10个分析步骤：① 初始地应力平衡；② 施作既有高铁路基，包括桩基、承载板、路基及轨道列车等效面荷载、搅拌桩加固区及碎石垫层等；③ 施作地连墙、立柱桩等，并进行坑内土体加固(若为隔离桩加固工况，在此步施作隔离桩)；④ 土体开挖至-1.0 m，坑内水位线降至-1.5 m；⑤ 施作第1道支撑，土体开挖至-4.9 m，坑内水位线降至-5.4 m；⑥ 施作第2道支撑，土体开挖至-9.5 m，坑内水位线降至-10 m；⑦ 施作第3道支撑，土体开挖至-14.3 m，坑内水位线降至-14.8 m；⑧ 施作第4道支撑，土体开挖至-17.4 m，坑内水位线降至-17.9 m；⑨ 施作第5道支撑，土体开挖至-22.2 m，坑内水位线降至-22.7 m；施作第6道支撑，土体开挖至-25.5 m，坑内水位线降至-26 m。

2.2 基坑开挖引起的高铁路基变形规律

根据本工程设计文件及文献[10-11]，针对沪杭高铁桩板结构路基，选取桩基(钻孔桩)水平变形±6 mm作为基坑开挖引起桩基水平变形的控制指标；选取±2 mm作为基坑开挖引起路基(含承载板)变形的工程报警指标。除此之外，约定桩基或路基发生指向基坑方向的变形为正，反之为负；路基发生沉降为负，隆起为正。

分析无隔离桩加固下基坑施工引起的高铁桩板结构路基变形规律。1号风井基坑开挖过程中，路基桩基发生朝向基坑方向的水平变形。基坑开挖完成后，选取距基坑中轴线最近的1排桩基(编号为1#—6#)和1列桩基(编号为1#、7#—12#)为分析对象，统计各桩基的最大水平变形(见图3)，并选取典型桩基绘制其随深度的变形规律(见图4)。由图3～4可知，桩基水平变形模式随着与基坑距离的增加由弓形变为悬臂形;水平变形最大的桩基为距离基坑外边缘和中轴线最近的1#桩基，其距基坑地连墙外侧15.8 m，距基坑中轴线0.3 m。1#桩基水平变形最大值为5.56 mm，满足高铁路基桩基水平变形允许限值。

尺寸单位：mm

图5和图6分别为靠近基坑一侧的承载板边缘在各开挖深度H下的水平和竖向变形分布。本研究认为路基同承载板协调变形。由图5～6可知，承载板在邻近基坑开挖影响下的水平变形与距基坑中轴线距离呈负相关，且该变形随开挖深度增加而增加;基坑开挖完成时(即H=25.5 m)，路基承载板水平变形最大值为3.10 mm，该变形位于距基坑中轴线最近的承载板的边缘处;承载板沉降值随着开挖深度的增大而增大，其竖向变形最大值为-4.75 mm，位于距基坑中轴线最近的承载板边缘处。

a) 离基坑中轴线最近的1排桩基 b) 远离基坑中轴线的桩基图4 桩板结构路基桩基水平变形随深度变化曲线

图5 不同开挖深度下路基承载板的水平变形

图6 不同开挖深度下路基承载板的竖向变形

3 隔离桩加固后高铁路基变形控制效果分析

由以上计算结果可知，1号风井基坑在不施作隔离桩加固时，由开挖引起的高铁桩板结构路基承载板水平与竖向变形均超过了工程报警值，因此需要采取加固措施使结构变形满足要求。本工程采用隔离桩加固措施对其进行数值分析，并与未施作隔离桩加固措施的工况进行比较，如图7～9所示。

注：路基桩基离基坑中轴线最近，其距离为0.3 m。图7 有无隔离桩下路基桩基最大水平变形对比曲线

图8 有无隔离桩下承载板水平变形对比曲线

图9 有无隔离桩下承载板竖向变形对比曲线Fig.9 Curve comparision of vertical deformation of the bearing plate with or without isolation pile

由图7可知，开挖完成后距基坑中轴线最近的1列高铁桩基水平变形最大值与距基坑外边缘距离呈负相关；而施作与未施作隔离桩工况下，距基坑中部地连墙外边缘距离最近的高铁桩基水平变形最大值分别为4.29 mm和5.56 mm，均未超过JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》规定的变形允许限值，但施作隔离桩工况下高铁桩基水平变形总体有较为明显的改善。由图8～9可知，未施作隔离桩时，开挖完成后路基承载板水平变形最大值为3.10 mm，承载板竖向变形最大值为-4.75 mm，基坑开挖引起高铁路基承载板的变形超过了工程报警值。施作隔离桩时，路基承载板水平变形最大值为1.71 mm，承载板竖向变形最大值为-1.99 mm，均未超过工程报警限值。因此，深基坑开挖过程中，施作隔离桩防护加固对高铁路基桩基与承载板最大变形均有较大幅度的改善，且均满足限值规定。

取沪杭高铁下行线中对应1号风井基坑周边6个路基监测点的实测数据，绘制基坑开挖完成后桩板结构路基实测变形图，如图10所示。由图10可以看出，1号风井基坑开挖完成后路基竖向变形控制在±2 mm以内，而部分测点处的路基水平变形略超过工程报警值，最大值为-3.3 mm；基坑开挖至6 m，相应高铁区段进行了限速(120 km/h)后，仍然能够满足高铁路基结构线下变形要求，高铁运营安全得到了保障。

图10 基坑开挖完成后桩板结构路基实测变形曲线Fig.10 Curve of measured deformation of the pile-slab subgrade after excavation

4 结论

1) 1号风井基坑开挖引起既有高铁桩板结构路基产生变形，其中桩基水平变形模式随距基坑距离的增加由弓形变为悬臂形。承载板各方向上的变形大小与距基坑外边缘距离呈负相关，且变形随开挖深度增加而增加。

2) 数值计算结果表明，若不采取辅助防护加固措施，基坑开挖完成后，高铁桩板结构路基桩基水平变形最大值为5.56 mm，承载板水平变形最大值为3.10 mm，承载板竖向变形最大值为-4.75 mm。由此可见，基坑开挖引起的既有高铁路基承载板变形超过了工程报警值，而下部桩基水平变形则满足变形控制要求。

3) 实际施作中，采取隔离桩防护加固后，基坑开挖引起的高铁桩板结构路基桩基和承载板变形均显著变小。1号风井基坑开挖完成后路基竖向变形控制在±2 mm以内；部分测点路基水平变形在基坑开挖完成后略超过工程报警值，最大值为-3.3 mm，但在开挖期间相应高铁区段限速120 km/h的条件下，仍能满足高铁路基结构安全运营的变形要求。