近距離并行高鐵路基長深基坑開挖變形研究

李厚榮

(中鐵二十四局集團有限公司 上海 200092)

1 引言

隨著我國城市化進程和高速鐵路網建設高速發展，新建基坑工程鄰近既有高鐵營業線的情況日益增多[1-2]?；娱_挖會打破原地下水和土體平衡狀態，引發周圍土體應力重新分布[3]，進而導致鄰近土體和結構物變形。然而高速鐵路對線路沉降控制和平順性要求極高[4]，稍有不慎將會對高鐵運營造成重大安全隱患。因此，如何有效控制基坑開挖引起的周圍土體位移場變化并使其對既有高鐵結構的變形影響盡可能小是有待解決的工程問題。

多年來，國內外學者對深基坑施工中各種因素引起的變形問題進行了大量研究。劉志波[5]、鄭剛[6]等對軟土深基坑變形影響因素和控制措施進行了分析研究；王升[7]、宗晶瑤[8]、孟繁增[9]等通過模擬分析和實測驗證，研究了深基坑開挖對鄰近高鐵橋梁的變形影響；潘必勝[10]、王菲[11]、徐俊[12]等針對不同支護形式和環境因素，研究了深基坑施工對鄰近高鐵路基的變形影響。

研究成果解決了一系列深基坑工程難題，但針對高承壓水軟土地質環境下的長距離、小間距并行既有高鐵路基超深基坑的研究案例極少。本文以上海機場線鄰近既有高鐵路基一號風井深基坑的工程為背景，基于實測數據研究多種防護加固措施下長距離、小凈距并行高速鐵路路基超深基坑的開挖變形控制及其對既有高鐵路基變形影響，可為類似工程提供參考和借鑒。

2 工程概況

上海軌道交通市域鐵路機場聯絡線起于上海虹橋站，止于上海東站，全程長約68.6 km，設計時速160 km，是連接上海虹橋與浦東兩大綜合交通樞紐的快速通道，能實現與市中心區交通的快速換乘，是我國第一條與普通鐵路實現互連互通的市域鐵路[13]。在七寶站至華涇站區間，明挖段基坑長距離、小凈距并行滬昆高速鐵路路基，基坑總長約721.2 m，其中一號風井深基坑長156.1 m(DK6＋490.1～DK6＋646.2)，開挖深度16.6～25.5 m，基坑凈寬14.5～25 m，西側與高鐵路基坡腳最近距離約10.6 m，東側與楊新豎河河堤護岸最近距離約11.4 m，工程周邊環境概況見圖1。

基坑并行段滬昆高鐵設計時速為350 km，軌道結構為CRTS-Ⅱ型板式無砟軌道，路基基礎采用0.5 m厚C30鋼筋混凝土筏板與樁長33 m、直徑0.6 m、樁間距3 m的鉆孔灌注樁加固，按正方形布置，樁底位于砂土層，邊坡下部采用直徑0.5 m的攪拌樁加固。

工程所在場地位于上海高承壓水軟土地區，周邊環境保護要求較高，該區域軟土層主要由③1層灰色淤泥質粉質黏土和④層灰色淤泥質黏土組成，厚度達12.1 m，因此基坑開挖易引起周邊環境較大擾動，基坑安全等級和環境保護等級均為一級。各土層主要力學參數見表1，其中⑦1和⑦2層為承壓水層，設計最不利承壓水位埋深為3 m。

表1 工程場地土層物理力學參數

3 基坑支護與加固設計

一號風井深基坑采用明挖順作法施工，為縮短基坑開挖暴露時間和更好地控制基坑變形發展，采用地連墻將長基坑分隔為5個長約31 m的短基坑，由淺至深依次編號為1～5號基坑?；又ёo結構采用地下連續墻＋內支撐形式，除2～5號基坑靠近高鐵路基側采用1.5 m厚的地下連續墻外，其余地下連續墻均為1.2 m厚度，圍護結構深度40～56 m，沿基坑深度方向采用鋼筋混凝土和伺服鋼支撐進行內撐。以斷面I(5號基坑)為例，基坑與路基位置關系見圖2。各基坑里程范圍、尺寸參數及支撐布置情況見表2。

表2 基坑防護措施匯總

基底采用?850@600 mm旋噴樁抽條和西側裙邊加固，寬度均為3 m，裙邊加固深度從地面至開挖面下3 m，抽條加固深度為開挖面下3 m。地下連續墻內外側均采用單排?850三軸攪拌樁進行槽壁加固，接縫處采用單根?2400的RJP工法超高壓旋噴樁進行抗滲處理。1號和2號基坑底部采用?2400@1400的RJP工法超高壓旋噴樁進行4 m厚滿堂封底隔水加固，3號～5號基坑底部采用?3500@2200的N-jet工法超高壓旋噴樁進行5 m厚滿堂封底隔水加固，加固地層底位于地下連續墻底上部1 m處。

由于工程場地周邊環境復雜，為確保高速鐵路行車安全，在鄰近滬昆高鐵側，距圍護結構外側3 m位置打設一排?1000@1200的鉆孔灌注樁做隔離，樁長與地連墻同長度。鉆孔樁頂部采用系梁與地連墻的頂冠梁連接，系梁水平間距為6 m。

4 基坑開挖施工組織方案

為減少相鄰基坑開挖互相影響，一號風井深基坑采取隔坑跳艙法開挖分階段施工，總體施工順序分為三個階段，各基坑主要施工工況和開挖時間見表3。

表3 基坑工程各工況及開挖時間

第一階段:所有隔離樁、基坑圍護結構及地基加固施工。

第二階段:1、3、5號基坑開挖施工，開挖完成后進行主體結構施工。

第三階段:2、4號基坑開挖施工，開挖完成后進行主體結構施工。

基坑開挖過程同步進行疏干降水和內支撐施工，做好坑內外地下水位、支撐軸力、基坑和高鐵變形監控。另外，為進一步確保高鐵運營安全，預防突發意外，在基坑開挖至6 m及以上時，相應區段采取120 km/h限速保障措施。

5 變形監測方案

為探究鄰近高速鐵路深基坑開挖施工誘發的土體位移場演化特征和高鐵變形，在圍護結構、隔離樁、周邊土體、高鐵路基等結構所在位置布設監測點進行全過程監測。圖3為新建一號風井深基坑與并行滬昆高鐵路基段監測點平面布置。其中，基坑圍護結構深層水平位移監測點共11個(CX1-1 ～CX1-2、CX2-1 ～CX2-2、CX3-1 ～CX3-2、CX4-1～CX4-2、CX5-1～CX5-3)，坑外地表沉降監測點共20個(DB1-1～DB1-4、DB2-1～DB2-4、DB3-1～DB3-4、DB4-1～DB4-4、DB5-1～DB5-4)。除此之外，在并行高鐵路基段靠近新建基坑側的高鐵路肩相應位置布設路基監測點共11個(XL4＋940～XL5＋100)。

6 實測數據分析

6.1 圍護結構水平變形

由于基坑周邊環境復雜，不同基坑施工參數各不相同，圖4為基坑開挖至坑底時各測點圍護結構水平變形最大值?？梢钥闯?，隨基坑開挖深度與結構尺寸逐漸增加，圍護結構水平變形最大值逐漸增大，最大為34.6 mm，發生在5號基坑的CX5-3測點；最小值為10.1 mm，發生在2號基坑的CX2-1測點，這是因為2號基坑開挖時相鄰基坑已開挖完畢，周邊環境整體剛度較大使得開挖引起的變形較1號基坑更小。此外，由于2～5號基坑靠近高鐵路基側采用1.5 m的超厚地連墻，相較另一側1.2 m的地連墻有更好的變形控制效果，因此各基坑地連墻累計水平變形最大值均位于遠離高鐵路基側。

對于4、5號基坑，1.5 m厚的地連墻(CX4-1、CX5-1)水平變形顯著小于1.2 m厚的地連墻(CX4-2、CX5-2、CX5-3)水平變形，最大值平均可減小約26.43%，最多可減小約38.2%，說明地連墻厚度越大，圍護結構水平變形越小。

圖5給出地連墻最大水平變形d與開挖深度H的比值。由圖5可知，地連墻水平變形最大值的變化范圍為0.026%H～0.137%H，高鐵側地連墻水平變形最大值為0.096%H，其上限滿足《上海地鐵基坑工程施工規程》(SZ-08-2000)對環境保護等級一級基坑圍護結構水平變形最大值0.14%H的要求。因此采用隔坑開挖、超厚地連墻、槽壁加固、地基加固等多種防護加固措施能夠對基坑圍護結構變形進行較好控制。

6.2 坑外地表沉降

為分析基坑開挖對鄰近高速鐵路路基側地表土體位移場的影響，分別收集各基坑開挖完成時相應地表沉降測點數據以確定沉降影響范圍。

圖6為各基坑開挖完成時靠近路基一側坑外地表沉降數據。由圖6可知，除1號基坑外，其余基坑外地表豎向變形表現為隆起，究其原因可能為基坑內支撐結構采用伺服鋼支撐，伺服鋼支撐在開挖階段施加了較大軸力，使得基坑圍護結構上部向坑外變形，帶動周邊地表土體抬升。

1號基坑所在地表豎向變形表現為沉降，最大值為-14.06 mm，原因為1號基坑外區域為重車作業區，地表長期受壓超載使得地表土體沉降較大。距離基坑地連墻外邊緣10 m以外相關區域地表沉降均在±2.5 mm以內，對既有高鐵路基豎向變形影響很小，一定程度上能夠反映出隔離樁對土體變形有較好的隔斷效果。

6.3 高鐵路基變形

高鐵路基與其他敏感環境最大差異在于軌道結構受到列車反復的高速沖擊荷載，輕微的軌道幾何形位改變即可能會影響到既有線運營安全，因此其變形控制要求更高，且路基是地面結構，更易受周邊土體擾動。

圖7為基坑開挖完成對應的滬昆高鐵路基變形，其中豎向變形負值表示路基沉降，水平變形負值表示路基向基坑方向變形。由圖7可知，隨基坑開挖，高鐵路基路肩位置產生向基坑側的水平變形，所有基坑開挖至坑底時(2021年6月16日)，高鐵路基水平變形最大值為-3.2 mm，位于5號基坑對應的XL5＋070和XL5＋080測點。其原因可能為:5號基坑開挖深度較大，開挖至軟弱地層較深位置時變形發展快，而混凝土支撐強度發展周期相對較長，使得5號基坑對應的高鐵路基水平變形迅速發展。對于高鐵路基豎向變形，靠近4、5號基坑測點表現為沉降，其余測點則大多表現為隆起，推測原因為伺服鋼支撐作用下坑外地表土體上升進而帶動路基隆起，而4、5號基坑深度更深，圍護墻向坑內的變形更大，使對應的路基位置沉降更為明顯。在整個開挖階段，高鐵路基各監測點豎向變形最大值僅為1.3 mm，遠小于2 mm的預設監測報警值和《鄰近鐵路營業線施工安全監測技術規程》(TB 10314—2021)中規定的高速鐵路無砟軌道路基豎向位移＋2～-5 mm的控制值。說明基坑開挖期間對路基豎向變形控制效果更好。綜上所述，超厚地連墻、隔離樁和超高壓旋噴樁等防護加固措施對高鐵路基變形起到了較好的保護效果，結合相應區段線路限速和必要養護措施，有效保障了高鐵運營安全。

7 結束語

本文基于上海機場線一號風井深基坑開挖階段基坑與高鐵變形實測數據研究分析了深基坑開挖的變形控制效果及其對既有高鐵路基變形影響，得到以下結論:

(1)超厚地連墻對基坑變形控制效果有顯著提升，1.5 m厚地連墻水平變形最大值相較1.2 m厚地連墻最多可減小約38.2%。

(2)過大的伺服鋼支撐軸力會引起基坑外地表土體隆起，需合理設置。

(3)超厚地連墻、隔離樁和超高壓旋噴樁等防護加固措施對高鐵路基變形起到了較好的保護效果，高鐵路基最大豎向變形值僅為1.3 mm，有效保障了高鐵運營安全。