深基坑开挖对邻近铁路路基变形的影响

储成伍

（中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071）

随着我国城市建设的快速发展和对土地资源的需求不断提高，基坑工程尤其是深基坑日益增多。深基坑工程具有施工风险高、环境影响大的特点，已有许多学者通过数值模拟、实测数据分析等手段研究了其对周边土体和建（构）筑物的影响规律［1-4］。

当深基坑邻近既有铁路时，铁路荷载会对基坑围护结构受力产生不利影响，石钰锋等［5］对此进行了实测，得到了围护结构的变形与内力规律，为基坑设计提供指导。但相反，基坑施工会引起周边土体位移改变，导致邻近铁路基床产生水平与竖向变形，反映到轨面即产生几何不平顺［6］，当不平顺超过一定限值，势必威胁铁路的安全运营。而铁路基床变形受基坑大小、深度、地质条件等影响显著，难以获得确定的表达式，一般只能通过数值方法评估，以实测加以佐证。

关于基坑施工对邻近铁路路基的影响已有许多研究成果。王培鑫等［7］通过分析一近邻铁路的深基坑监测数据，发现在坡顶进行双液注浆能够控制地表与路基沉降，减少后续开挖施工对铁路路基的影响。秦开颜、罗锟等［8-9］将理论计算或数值计算与实测数据相结合分析了基坑开挖对既有线路基的影响，后者还分析了列车荷载的动态影响，但均为浅而小的基坑。关于深基坑的三维有限元分析与实测数据相结合的研究鲜见报道，张新东［10］的研究有所涉及，但其重点关注了列车动荷载与基坑自身安全上。

本文以一邻近沪昆铁路深基坑工程为背景，通过三维有限元数值模拟，评估基坑方案对邻近铁路路基变形的影响，并基于实测数据分析路基变形规律，提出施工注意事项，为类似工程的设计施工提供参考。

1 工程概况

本工程涉及某人行地下通道与一下沉广场协同建设，地下通道以箱涵顶进形式下穿沪昆铁路，再以一段明挖段过渡至矩形盾构段。明挖段大体与下沉广场重合，小部分以标准连接段与下沉广场和顶进箱涵对接，如图1所示。

图1 工程平面示意

根据工程筹划，通道工程首先实施矩形盾构接收井（一期），随后进行矩形盾构的顶进施工（二期），盾构接收完成后再进行下沉广场基坑开挖回筑施工（三期）。最后标准连接段基坑施工（四期）须与下穿铁路箱涵顶进施工紧密结合，充分利用铁路便梁加固期间进行基坑开挖。

图2 下沉广场基坑平面示意

拟建场地地势总体较为平坦，场地地面高程在4.35 ～4.85 m（孔口标高）。拟建工程地貌单元为滨海平原地貌类型。根据勘察资料显示，拟建场地内分布的土层自上而下可划分为七大层及若干亚层，其中①1层为人工堆填，②3层～⑤1层为全新世Q4 沉积层，⑥层～⑦2层为晚更新世Q3沉积层，各土层主要物理力学参数见表1。

表1 场地土层物理力学参数

1.1 与沪昆铁路相对位置关系

沪昆铁路为双线电气化铁路，国铁Ⅰ级。本工点位于封浜站—七宝站区间，南北走向直线段，线间距约5.17 m，碎石道床结构。

本工程相对复杂，为减少不确定因素干扰，本文仅分析下沉广场基坑对沪昆铁路路基的变形影响。下沉广场西侧距离沪昆铁路下行线路基坡脚最近处约9.97 m，距离铁路下行线中心线最近约15.54 m。虽然通道标准连接段西侧紧邻铁路路基，但实际施工中，在铁路实施箱涵顶进期间，标准连接段会同步施工，并在箱涵顶进到位后、路基恢复前加快基坑开挖并完成支撑架设，本文不作考虑。盾构接收井边缘距离沪昆铁路下行线中心线距离已超过40 m，也不作考虑。

1.2 基坑方案

下沉广场基坑东、西、南三边垂直，北侧为一折角斜边，基坑平面尺寸约为51.6 m × 44.9 m，按开挖深度可分为三级，如图2 所示。北侧一级浅坑开挖深度约1.35 m，采用1∶1.5放坡开挖。

北侧二级浅坑开挖深度约5.8 m，局部开挖深度约7.4 m，采用φ800@1000 钻孔桩围护+双排φ800@500旋喷桩止水，插入比约2.08，桩底位于④淤泥质黏土中，竖向设一道混凝土支撑（800 mm×800 mm）。

南侧深坑开挖深度约12.25 m，采用800 mm 地下连续墙围护，插入比约1.36，墙底位于⑥粉质黏土中，竖向设三道混凝土支撑（800 mm × 800 mm + 两道1000 mm × 800 mm）和一道钢斜抛换撑（φ609，t16）。同时为控制围护结构变形，南侧深坑采取坑内土体加固措施。基坑东、西两侧设6.45 m 宽三轴搅拌桩裙边加固，东侧加固范围为自第三道支撑下方至坑底以下5 m，西侧（沪昆铁路侧）为自第二道支撑下方至坑底以下5 m；基坑南、北两侧设4.05 m 宽搅拌桩裙边加固，加固范围为坑底以下4 m。

北侧二级浅坑与南侧深坑拟同时开挖，深浅坑分界处高差6.45 m，采用φ800@1000 钻孔桩围护+φ850@600 三轴搅拌桩止水，插入比约1.58，桩底位于⑤1 黏土中，竖向设2 道混凝土支撑（1000 mm ×800 mm）+1道钢斜抛换撑（φ609，t16）。

考虑到本基坑宽度较大且形状较不规则，为降低风险，采用钢筋混凝土全对撑体系，支撑平面间距6.0 ～7.0 m。此外基坑东南角支撑直接作用于已建接收井的西、北两侧围护桩上。已建接收井内部设置相应的传力体系以平衡下沉广场基坑的各道支撑轴力。

2 铁路路基变形数值模拟

2.1 模型建立

采用有限元计算软件Plaxis 3D 对下沉广场基坑开挖与主体结构回筑过程进行数值模拟，分析其对沪昆铁路路基的变形影响。模型中对岩土体、铁路路基与道床采用土体硬化本构模拟，对围护结构、主体结构等钢筋混凝土结构采用线弹性本构模拟。将钻孔桩按抗弯刚度等效换算，与地连墙、箱涵、主体结构等一起用板单元构建，支撑及格构柱采用梁单元构建，地基加固采用复合地基法等效模拟。模型沿x，y，z三个方向的尺寸分别为115，105，65 m，其中x为垂直铁路方向，y为沿铁路方向，z为竖向，如图3所示。

2.2 工况划分

根据工程具体情况，在有限元模拟中划分了8 个工况。

图3 有限元计算模型

工况1：围护结构施工及坑内土体加固。

工况2：下沉广场北侧一级浅坑放坡开挖1.35 m，北侧二级浅坑及南侧地下二层深坑范围开挖到第1道支撑下方0.5 m。

工况3：北侧二级浅坑及南侧地下二层深坑范围施作第1道支撑，北侧二级浅坑开挖到坑底，南侧地下二层深坑开挖到第2道支撑下方0.5 m。

工况4：北侧二级浅坑浇筑结构底板，南侧地下二层深坑施作第2 道支撑，开挖到第3 道支撑下方0.5 m。

工况5：南侧地下二层深坑施作第3 道支撑，开挖到坑底。

工况6：南侧地下二层深坑浇筑结构底板，拆除第3道支撑，施作结构侧墙并架设斜抛撑。

工况7：南侧地下二层深坑拆除第2 道支撑，施作结构侧墙及中板。

工况8：北侧二级浅坑及南侧地下二层深坑拆除第1道支撑，施作结构侧墙及顶板。

2.3 模拟结果

根据上述施工过程模拟计算，选取距离基坑较近的沪昆铁路下行线作为分析对象，下行线基床顶面中心线距离下沉广场基坑西侧15.54 m。

基床顶面中心线累计竖向位移见图4（a），以下沉广场基坑南侧延伸线与基床顶面中心线交点作为原点，横轴正向表示向北，负向表示向南，纵轴正值表示隆起，负值表示沉降。垂直铁路轴线方向的水平位移见图4（b），以下沉广场基坑南侧延伸线与基床顶面中心线交点作为原点，横轴正向表示向北，负向表示向南，纵轴正值表示向基坑的一侧位移（东），负值表示背离基坑位移（西）。

由图4可知：下沉广场基坑施工过程中，引起的铁路路基变形持续增大。主体结构施作完成时（工况6—工况8），沪昆铁路下行线基床顶面中心线最大累计竖向位移为5.98 mm，最大累计横向水平位移为3.80 mm。其中，基坑开挖（工况2—工况5）引起的路基竖向位移为4.16 mm，横向水平位移为2.68 mm。从曲线形态来看，路基变形主要受南侧深坑影响，北侧浅坑范围内路基变形较小。总体而言，根据邻近铁路基坑工程经验，非道岔区的路基横向水平与竖向位移应控制在10 mm 以内，因此本工程所采取的基坑方案可以保证沪昆铁路路基竖向、横向水平位移满足控制要求。

图4 基床顶面中心线累计位移

3 铁路路基变形实测分析

前文通过数值计算分析明确了本工程所采取的基坑方案对沪昆铁路影响可控，但一方面计算存在假定条件且对施工的模拟较为理想化，另一方面实际施工中存在潜在隐患，考虑到沪昆铁路处于运营状态，必须对铁路进行实时监测。

3.1 监测方案

根据规范要求并结合本工程特点，监测布点如图5 所示，包括沪昆铁路邻近基坑范围内28 个线路和路基横向水平、竖向位移监测点。

图5 监测点布置示意

3.2 监测报警值

根据有砟铁路线路的相应规范、规程及工程经验，涉铁工程施工引起的铁路路基横向水平与竖向位移监测警戒值为：24 h 内预警值±1.5 mm，报警值±2.0 mm，施工期累计变化量控制在±10 mm以内。

3.3 监测数据分析

由于数值模拟中未考虑轨道结构，计算结果为路基顶面的变形情况，因此选取邻近下沉广场的路基位移监测点B8—B14 进行分析，路基不同位置处实测位移见图6。

图6 铁路路基实测位移

由图6 可知，下沉广场基坑施工期间引起铁路基床顶面边缘位置竖向位移最大值为6.55 mm，横向水平位移最大值为3.82 mm。

工况5各测点最终实测变形量与计算的累计变形量见图7。可知：沿线路纵向的路基竖向位移与横向水平变形曲线在形态上吻合较好，但在测点B8处相差较大。这主要受北侧二级浅坑高压旋喷桩止水帷幕施工所致，图6 中2018年4月19日的数据异常也反映了这一点，原因是高压旋喷桩较大的施工压力引起股道产生反向的水平位移和竖向位移。后续施工中对高压旋喷桩实施压力控制，路基变形有所恢复，同时保持机械施工与铁路相对30 m 以上距离施工，未再出现预警及报警情况。

图7 不同位置处路基变形量的计算值与实测值

4 结论与建议

本文通过数值模拟与实地监测分析了深基坑开挖对邻近铁路的影响规律，主要成果如下：

1）经数值计算，下沉广场基坑施工引起沪昆铁路下行线基床顶面中心线最大累计竖向位移为5.98 mm，最大累计横向水平位移为3.80 mm，均满足普速铁路变形控制要求，基坑方案可行。

2）监测数据表明，下沉广场基坑施工引起的铁路基床顶面边缘位置竖向位移最大值为6.55 mm，横向水平位移最大值为3.82 mm。铁路所受影响可控，基坑工程设计方案合理。

3）监测数据表明，高压旋喷桩邻近铁路施工对路基变形影响显著，设计时宜控制高压旋喷桩距离铁路30 m以上，施工时须采取有效的控压措施。

4）对于邻近铁路的深基坑，须加强围护结构与支撑体系设计，并采取可靠的止水措施避免坑外地下水下降；宜根据地层条件进行合理的坑内被动区土体加固，包括坑底以上土体。