邻近既有线桥涵深基坑开挖对铁路稳定性的影响分析

邻近既有线桥涵深基坑开挖对铁路稳定性的影响分析

沈俊杰

杭州铁路设计院有限责任公司浙江省杭州市310006

摘要：现阶段下穿铁路框架桥的深基坑开挖对邻近线路变形影响的研究成果较少。论文以本项目的基坑工程为依据，通过有限元计算，分析铁路钢轨、路基的水平沉降位移，研究基坑开挖深度、支护方式与线路位移沉降之间的潜在规律，提出合理的邻近既有线深基坑设计方案，可供类似的工程借鉴与参考。

关键词：既有线；铁路；稳定性；深基坑；分析

1.引言

城市路网建设日新月异，道路下穿铁路节点日益增多。许多框架桥基坑设置于铁路高路基之下，与铁路坡脚的距离较近，其土体的开挖会影响既有铁路的稳定性，若不采取有限的支护形式，极易引起线路的位移超限，从而引发安全事故。因此，邻近既有线桥涵深基坑开挖对铁路稳定性的影响分析具有十分重大的现实意义。

2.工程概况

杭州市为了满足城市东部的电力负荷增长需要，并使电力设施与城市建设发展相协调，重新规划了区块的高压供电方案和高压线路走廊。根据《杭州市区电力专项规划》，500kV钱江变220kV出线14回主供主城区东南部地区，包括运河变、德胜变、钱塘变、景芳变、众安变、机场变、采荷变。

本项目拟穿越既有铁路（沪昆铁路、沪昆高铁、杭深铁路）的220kV电力线共24根，8回路，拟通过隧道形式下穿，并预留下穿规划机场快线条件，如图所示：

探深度以浅划分为5个工层地质层，7个工程地质亚层，自上而下描述如下：

①-1层，耕植土：本层层面标高6.30～8.14m，层厚0.6～1.4m；

①-2层，杂填土：本层层面标高8.50～16.80m，层厚5.50～6.74m；

②-1层，砂质粉土：本层层面标高4.80～5.28m，层厚2.1～3.3m，σ0=110KPa；

②-2层，砂质粉土：本层层面标高1.78～2.94m，层厚3.3～7.7m，σ0=120KPa；

③层，砂质粉土：本层层面标高-5.79～-0.92m，层厚8.0～14.1m，σ0=160KPa；

④层，粉质黏土：本层层面标高-16.19～-14.00m，层厚2.4～5.4m，σ0=100KPa；

⑤层，中砂：本层层面标高-21.49～-19.10m，层厚2.5～9.1m，σ0=200KPa。

3.设计方案

电力线拟利用铁路框架桥下穿既有铁路，穿越处铁路中心里程沪昆铁路K198+087。沪昆铁路侧由于需要为轨道交通规划机场快线预留穿越条件，因此拟在387#框架桥出入口（沪昆铁路侧）新建矩形连接井。井外边缘距离沪昆铁路下行线垂直距离为13.68m。连接井净尺寸为9.0m（长）×6.0m（宽），井壁厚1.0m，底板厚1.0m，高17.0m。

连接井围护结构采用“钻孔桩+内支撑”。基坑最大挖深为15.28m，采用φ1.2m钻孔桩进行防护，桩长30.0m，桩间距1.5m，内支撑共采用四道支撑，第一道为800×800mm钢筋混凝土支撑，其余三道均为D609钢支撑。电力隧道穿过框架桥后采用纵坡的形式逐步进入连接井。

连接井基底位于砂质粉土层，采用φ60cm高压旋喷桩加固止水处理，采用全断面加固，有效桩长15.0m。钻孔桩外侧设置φ60cm高压旋喷桩止水帷幕，搭接20cm，有效桩长28.0m。

基坑施工期间，行车限速45km/h。

附注：

1.本图尺寸除标高以米计，其余尺寸均以厘米计。

2.连接井围护结构采用钻孔桩结合内支撑，采用Φ1.2m钻孔桩进行防护，

桩长30.0m，桩间距1.5m。内支撑采用一道钢筋混凝土支撑+三道D609钢支撑。

4.深基坑计算

本次模拟中选取穿越既有涵洞涉铁范围内的岩土和结构物，采用数值模拟方法计算电力管廊连接基坑施工及相应支护施工，以及从既有涵洞穿越铁路线路施工时对临近铁路的影响，以及高铁侧明挖部分支护及开挖施工对附近铁路的影响，利用MidasGTSNX建立三维计算模型。为考虑方案边界效应的影响，模型总长度120m（x）、宽度60m（y）、深度为45m（z）。几何方案的边界条件分别为：底部施加完全固定约束，侧面施加法向固定约束，而切向方向不约束，方案的上表面为自由边界、无约束。土体采用由非线性弹性模型和弹塑性模型组合的修正Mohr-Coulumb本构模型。土体计算参数结合本工程现有资料和当地相关经验取值以偏安全为原则进行选取。基坑的支护及开挖过程按实际的施工过程设置施工步进行模拟。通过依次改变相应土体属性，模拟基坑的止水帷幕及钻孔桩的施工；然后分四次依次钝化开挖土体并激活基坑砼内壁单元及横撑单元。

计算结果

对于沪昆铁路：基坑及电力管仓施工过程中引起的沪昆铁路下行线中心线上竖向沉降最大值为0.48mm（工况4），沪昆铁路上行线中心线上竖向沉降最大值为0.39mm（工况4）。施工完成后，涵洞顶部沪昆铁路下行线及上行线累计竖向沉降分别为0.34mm、0.35mm。

对于沪昆高铁：基坑及电力管仓施工过程中引起的沪昆铁路下行线中心线上竖向沉降最大值为0.40mm（工况12），沪昆铁路上行线中心线上竖向沉降最大值为0.39mm（工况12）。施工完成后，涵洞顶部沪昆高铁下行线及上行线累计竖向沉降分别为0.40mm、0.39mm。

对于杭深铁路：基坑及电力管仓施工过程中引起的沪昆铁路下行线中心线上竖向沉降最大值为0.42mm（工况12），沪昆铁路上行线中心线上竖向沉降最大值为0.44mm（工况12）。施工完成后，涵洞顶部杭深铁路下行线及上行线累计竖向沉降分别为0.42mm、0.44mm。

从以上结果可以看出，基坑及电力管仓施工施工对杭深铁路的路基沉降带来不利影响较小，满足规范要求。在钻孔桩防护施工以及连接井施工时，应严格控制施工工艺，避免造成大的地面沉降或不均匀沉降。

5.线路监测

基坑施工期间须对既有铁路进行详尽的监测。监测的目的是动态信息反馈到施工单位，及时调整施工参数，优化改进施工方法，以避免危及铁路行车运营安全的事故发生。

监测布点：

（1）轨道沉降及方向偏移

在基坑开挖前先在钢轨扣件螺栓轴上布置好变形观测点，间隔约5m；

（2）框架桥水平位移及沉降

在既有框架桥顶板四个角点处布置直接测点；

（3）基坑支护结构水平变形和沉降

在基坑支护支护结构顶设置监测点，间距10～15m。

监测指标：

监测报警值根据《铁路线路修理规则》等现行标准规范的要求执行，主要标准建议如表5.1。

监测频率：

监测要求：

（1）严格按照杭州市和铁路部门有关技术规范、规定进行施工全过程跟踪监测；

（2）监测点的埋置与建设、监理、施工单位、铁路部门等多方协商，并明确标明监测点的埋置；

（3）在施工之前获取可靠的初始数据，本工程取3次观测所得的平均值；

（4）视施工情况加密监测频率，在关键部位要及时跟踪监测并提交监测报告，遇特殊情况，提供速报；

（5）监测仪器事先经过有关技术部门的校定和校正，以保证监测数据的可靠性；

（6）当监测值接近报警值时，及时预警，并提请有关方面注意；当达到报警值时，立即报警。

（7）每步工序施工间隔时，应立即进行变形监测，及时掌握变形数据；

（8）应加强铁路线路轨面几何尺寸测量工作；

（9）在基坑开挖过程中，监测发现变形较大危及行车时，应立即停止施工，及时与铁路运营部门联系。

（10）管道全部穿越后，请工务部门配合校正轨道各部几何尺寸，待达到铁路规范所规定的通车条件后，方可申请撤销慢行，恢复正常行车。

6.结论

既有铁路的变形控制是邻近既有线桥涵深基坑设计的重中之重。基坑支护方案须通过充分的数据计算论证，基坑降水宜采用止水帷幕+明排水措施，严禁采用井点降水。在软土地基或粉砂土区段，应慎用基坑明挖方案，必须深挖时基坑应尽量远离铁路，亦可采用沉井方案代替。