紧邻既有线路基深基坑支护结构变形影响因素分析

梁 栋，白 皓，刘 宝，徐海铭，王武斌

(1. 四川高速公路建设开发总公司，四川成都610041；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)

随着我国公路、铁路路网密度的提高，在路线的设计中不可避免地出现许多跨线桥基础承台必须紧邻或侵入相邻铁路、公路的路基边坡。承台基坑的开挖将会导致原有路基的稳定状态[1]。使路基的平衡状态遭到破坏，产生侧向滑移的可能性[2-3]。特别是在既有铁路路基旁进行承台基坑的开挖，由于列车荷载较大，可能会产生路基失稳和较大的变形[4-7]，甚至造成严重的交通事故。因此有必要对既有路基旁或侵入路基边坡处基坑开挖时基坑和路基整体的稳定性与变形规律进行分析[8]。结合某高速公路特大连续梁桥基础施工中承台基坑的开挖，利用MIDAS/GTS软件[9]建立平面分析模型，针对不同的基坑开挖深度、基坑距既有路基坡脚的距离变化、基坑开挖的尺寸大小、支护桩的嵌固深度、支护桩的刚度进行数值模拟，揭示基坑开挖变形的机理和主要影响因素，提出的变形规律可以为类似的工程设计支护提供参考。

1 模型建立和参数选取

1.1 数值模型的建立

将模型简化为平面应变模型，在模型中假定模型纵向为单位长度，具体尺寸如图1所示。土体的本构关系采用莫尔—库伦模型，支护桩单元采用梁单元进行模拟。铁路为单线路基，路基面宽7.8 m，列车竖向活荷载采用我国铁路标准荷载，将轨道静载和列车活载一起换算成为与路基土重度相同的矩形土体。查表得换算荷载强度59.7 kN/m，分布宽度为3.7 m。计算模型如图2所示。

图1 计算模型示意 (单位：m)

图2 数值计算模型

(1)根据已有研究，基坑开挖的影响范围大致为基坑深度的2～3倍。为了消除边界效应，模型尺寸不宜过小，但同时为了提高计算效率，模型单元数又不宜过多。因此，在Y轴方向上模型边缘距基坑的短边方向为2倍左右的开挖深度；在X方向上模型边缘距基坑为3倍左右的开挖深度。

(2)边界的设置：在求解之前，需要对模型中土体的边界进行约束。在边界条件处理的问题上，本文在自重和增加列车荷载解析时，采用了在底部边界X方向和Y方向的两侧边界为固定边界，即位移为0，左右边界为水平固定约束，其余为自由边界。

(3)基坑的开挖模拟采用MIDAS/GTS中的施工阶段分析工况进行求解，通过开始阶段的位移清零、单元的激活和钝化进行开挖阶段的模拟。土的抗剪强度采用固结快剪指标。

1.2 模型的参数

模型参数包括土体模型参数和支护结构参数，分别如表1和表2所示。

2 基坑支护结构变形影响因素分析

影响基坑支护结构变形的因素很多，如路基高度、列车荷载、基坑距路基坡脚的距离、开挖深度、基坑平面尺寸大小、支护桩的嵌固深度、刚度等。总体而言，本工点影响支护结构变形的因素主要可以分为三大类：路基自身与列车荷载、基坑与路基的相对位置、基坑尺寸与支护情况。

表1 土体模型计算参数

注：采挖范围内无地下水。

表2 支护桩的计算参数

2.1 路基高度的影响

以基坑距离路基坡脚的距离为3 m、开挖深度为4 m为例，分析路基填筑高度对基坑支护结构水平位移的影响，其变化规律如图3所示。

从图中可以看出，路基高度的增加使基坑上部荷载增大，基坑支挡结构水平位移变量增长较为明显的线性变化规律。因此，在紧邻高填方路堤基坑开挖方案设计时，要准确计算路基高度的影响；在进行高填方路堤旁基坑开挖时，一方面应该选择强度和刚度足够大的支护体系，另一方面要进行全过程变形监控与预警，以保证高路基的变形在可控制的范围内。

(a)水平位移分布 (b)水平位移分布图3 水平位移随路基高度的分布与变化

2.2 列车荷载的影响

基坑开挖后，将造成土体的卸载，土体向基坑内移动，引起支护结构的变形。列车荷载的出现相当于增加了基坑旁载，将加剧支挡结构横向变形，甚至引起垮塌事故。以基坑距离路基坡脚的距离为3 m、开挖深度为4 m为例，分析有无列车荷载对基坑支护结构水平位移的影响，其变化规律如图4所示。

图4 有无列车荷载时的水平位移对比

从图4中水平位移的沿桩身的分布情况可以看出列车荷载对变形的影响十分明显，使支护结构变形量约增大了1倍。所以在邻近路基处进行基坑开挖，必须准确计入列车荷载的影响，在设计工况中要计算列车荷载引起的附加土压力，从而保证支护体系的设计合理性、路基与基坑的安全性。

2.3 基坑开挖深度的影响

基坑开挖使路基旁出现临空面，影响路基的稳定性和变形分布，确定开挖深度的影响规律可为支护结构设计提供参考。以基坑距路基坡脚为3 m为例，基坑支护结构的变化规律如图5所示。

(a)水平位移分布 (b)水平位移分布图5 不同开挖深度时的水平位移

从图5可以看出随着开挖深度的增加，支护结构变形不断增加，两者近似呈二次方关系。当基坑的开挖深度超过4 m时，基坑支护结构的变形速率急剧增加，对基坑的变形产生了极大的影响。因此，在基坑开挖深度超过4 m时，可选择双排桩、锚索桩、横向支撑等合理的支护体系，以控制基路基变形。

2.4 基坑平面开挖尺寸的影响

基坑平面开挖尺寸是指基坑的横向宽度，它反映了基坑的土石方开挖量，主要影响支护桩锚固段桩前的抗力大小与分布。以开挖深度为5 m、水平间距相同为例，不同基坑尺寸(即宽度)时的结构变形分布与变化规律如图6所示。

(a)水平位移分布 (b)水平位移分布图6 不同开挖尺寸时的水平位移

从图6可以看出，基坑开挖宽度越大，基坑的变形位移越大，两者基本上呈线性变化规律。因此，在实际工程中，基坑的几何形状和尺寸将由建筑物的整体规划而确定，因此该影响因素对基坑变形的影响在施工图设计与施工工作开展前要判定，选择合理的基坑开挖尺寸及几何形状。

2.5 不同水平间距的影响

当基坑与既有路基保持足够距离时可忽略两者的相互影响，随着间距减小两者的影响不断加剧。以基坑开挖深度为6 m为例，不同水平间距时支护结构水平位移分布与变化规律如图7所示。

(a)水平位移分布 (b)水平位移分布图7 不同水平间距时的水平位移

由图7可知，基坑距既有路基坡脚的距离越大，基坑的水平位移就越小，两者基本呈二次方规律递减。可以预测本工况下水平距离超过10 m后基坑开挖对支护结构变形的影响可以忽略。

2.6 支护结构刚度的影响

支护结构刚度与支护结构形式、支护桩桩径、桩身材料强度等级等有关。本节主要分析单排支护桩刚度对支护结构变形的影响规律，在桩身混凝土强度等级一定时，支护桩直径越大，其横向抗变形刚度就越大。支护桩水平位移随桩径的变化与变化率如图8所示。

(a)水平位移分布 (b)水平位移分布图8 支护桩桩径与桩顶位移的关系

从图8可以看出桩顶水平位移随支护桩桩径增加呈二次方规律递减，且当桩径大于1 m后这种趋势就不再明显。增大支护桩刚度可以有效地减小支护结构的水平位移，但其作用效果随着刚度的增大逐渐减弱，因此设计时需要合理选择支护类型。

2.7 支护结构埋深的影响

支护结构埋深反应了支护桩的锚固深度，其影响支护桩桩前的抗力作用范围。在同一计算工况下，分别计算不同桩基长度下支护桩桩顶的变形，如图9所示。

(a)水平位移分布图 (b)水平位移分布图图9 桩埋深对基坑位移影响分析

从图9可以看出在锚固深度较浅时，支护桩桩顶位移极大，随着深度的增加桩顶位移呈二次方规律减小，当锚固深度达到8 m时桩长因素导致抗变形能力不再明显。因此，设计时应该结合安全和经济两方面的因素，合理选择桩基长度。

3 结论

(1)路基及列车荷载增大了基坑旁载，路基高度与基坑支挡结构水平位移呈线性关系，列车荷载使支护结构变形量约增大了1倍，因此在邻近路基处进行基坑开挖时，必须准确计入路基高度和列车荷载的影响。

(2)基坑的开挖深度和宽度可改变支护桩桩前抗力的大小与分布，从而影响支护桩的变形，基坑的开挖深度超过4 m时，基坑支护结构的变形速率急剧增加，根据基坑尺寸合理选择支护方式以保证路基稳定性。

(3)基坑与路基坡脚的水平间距与支护桩水平位移呈二次方规律递减，当水平距离超过10 m后基坑开挖对支护结构变形的影响可以忽略。

(4)支护桩桩顶位移同桩径与锚固深度均呈二次方规律递减，当桩径大于1 m或锚固深度达到8 m以后，支护结构尺寸参数对其变形影响可以不再考虑，设计时应该结合安全和经济两方面的因素，合理选择支护类型与桩基长度。

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