摘要：本文结合徐州轨道交通某邻近铁路地铁车站，该车站基坑范围内地层具有岩面高、覆土薄特点，采用有限元法模拟车站基坑开挖过程，分析基坑开挖的不同阶段对地面铁路线的沉降影响，通过对比基坑开挖前后铁路轨面变形以判断基坑支护结构及开挖步骤设计的合理性，基于数值计算结果对铁路制定针对性的加固与保护措施，具有较好的工程指导价值。
关键词：基坑开挖；铁路；沉降；
1 引言
随社会经济发展城市化进程不断加剧，城市道路交通愈发拥堵，为缓解交通压力，地铁建设规模出现井喷式增长。城市地铁建设不可避免邻近或下穿铁路运输既有线，由于铁路运输不可中断的特殊性，因此需在地铁基坑开挖施工期间对邻近铁路既有线进行保护，保证其正常通行。
当前地铁车站开挖对邻近建构筑物的影响研究分析已有较多案例。石钰峰、张国亮等从土力学的基本原理出发，采用现场实测、数值模拟等方法对邻近既有铁路线存在偏压基坑的稳定性以及基坑变形规律进行分析，从计算方法、施工措施等方面给出建议，并提出了对既有铁路线限速60km/h的安全运行标准[1~4]。随着地铁规模的不断扩大，新建地铁施工对邻近既有地铁运营线影响的研究不断增多[5~10]。当前研究多数为土质地层中地铁基坑，支护结构形式多为排桩地连墙，也有上部放坡+下部地下连续墙支护结构的基坑邻近既有铁路线研究的案例[11]，但对岩面高、覆土薄地层中基坑采用围护桩进入基坑底的案例鲜有报道。
本文以某邻近既有铁路线地铁基坑为背景，通过对基坑支护结构参数采用数值计算方法分析，研究基坑开挖过程中基坑与铁路路基的变形规律，通过计算结果分析支护结构的安全性、合理性，确保既有铁路线的安全运营。
2 工程概况
拟建项目位于徐州市铜山区北京北路与黄河路交叉口东北象限，车站沿北京北路呈南北向布置，车站南端位于黄河路下方，现既有铁路线位于黄河路南侧，呈东西走向，车站南侧端头基坑近距离邻近既有铁路线。拟建车站结构形式为三层三跨钢筋混凝土箱型结构，结构高度22.21m、宽度26.3m，车站顶板上部覆土厚度3.6m。车站南侧端头邻近既有铁路线处基坑开挖深度26.06m，基坑宽度26.3m，基坑距铁路轨枕最小净距23.06m，最大净距27.68m。
图1基坑支护结构与铁路线剖面关系
Fig 1 Relationship between the support structure of foundation pit and the section of railway line
2.1 基坑支护设计
拟建车站基坑围护结构采用钻孔灌注桩+四道内支撑结构形式。钻孔桩直径1m，间距1.5m，桩嵌入基坑底5m；第一道内支撑采用钢筋混凝土结构，截面宽0.8m、高1m，支撑最大计算长度14.14m，第二、三、四支撑采用Φ609钢支撑，支撑壁厚16mm。
2.2 车站结构参数
根据徐州轨道交通设计要求，车站围护桩、车站主体结构混凝土强度等级取C35，混凝土支撑强度等级取C30。车站顶板厚度取800mm、负一层和负二层中板厚度取400mm，底板厚度取900mm，车站框架柱截面长宽分别为800mm、1200mm。车站与围护结构均采用弹性法计算。
2.3 地层参数
根据本站岩土工程详勘报告，车站范围内地层依次为杂填土、素填土、黏土、中风化灰岩、中风化石灰岩、强风化闪长斑岩，岩石上部土层最大厚度约6m。有限元计算中采用的各土层参数见表1。
3、计算分析
3.1 分析概况
根据岩土工程条件和基坑实际工程概况，二维计算取基坑南侧端头井为对象进行计算分析，三维计算取车站整体基坑进行计算分析。地铁车站侧墙、楼板采用平面应变单元建立模型，基坑围护结构同样采用平面应变单元，基坑内支撑采用梁单元。采用如下假定：
（1）车站与围护结构变形与同位置土体变形相协调。车站主体结构、围护结构同土体相比刚度极大，实际情况下车站结构变形应小于土体结构变形，在小变形的情况下可认为两者近似相等，从车站安全角度考虑这样假设也是合理的。
（2）根据徐州地区地层参数特点，在小变形范围内上部土层、下部岩层均采用Mohr-Coulom弹塑性的土体模型。Mohr-Coulom破坏准侧常用于平面应变问题中，可表示为：
破坏面上的正应力；
内摩擦角；
基坑开挖工程划分：工况1、计算初始地应力；工况2、围护桩施工阶段；工况3、基坑第一次开挖架设施工第一道混凝土支撑；工况4~6、基坑第二次开挖架设第二、三、四钢支撑；
表 1 土体材料参数
Table 1 Parameters of soil material
工况7、开挖至基坑底，施工车站底板；工况8~10、施工车站侧墙中板并依次拆除第四、三、二道钢支撑；工况10、施工车站顶板；工况11、拆除第一道混凝土支撑，车站覆土回填。
3.2 二维计算结果
车站主体围护结构设计采用理正深基坑进行平面计算，计算模型见图2。
图 2 二维计算模型
Fig 2 Two-dimensional computational model
图 3 计算结果
Fig 3 Calculation results
根据图3计算结果分析，车站自施工开始至施工完成，距离车站基坑大于20米地面沉降基本为0，而铁路距离车站基坑约23m；故车站施工可能引起军用铁路的地基沉降很小，沉降值基本为零。
3.3 三维计算结果
根据既有铁路线所处位置及地铁车站设计资料采用有限元软件对车站及既有铁路线进行三维数值分析计算，计算模型见图4、图5：
图 4 整体模型
Fig 4 Whole model
图 5 车站模型
Fig 5 Station model
（两根斜线为既有铁路与车站位置关系）
图6 三维计算云图
Fig 6 Three-dimensional computed cloud image
图7 铁路线位移云图
Fig 7 Displacement nephogram of railway line
从图6、图7开挖完成后地面沉降结果分析，开挖完成后既有铁路线各点的沉降结果值集中在0.001mm~0.006mm范围内，最大地面沉降值0.006mm，最大地面隆起值0.001mm，既有铁路线最大沉降差为0.008mm，小于建议的轨道基础沉降控制值10mm。现设计支护结构可满足对既有铁路线的保护。
4 结论与建议
现既有车站未施工，无法与实际监测数据进行对比分析，但通过对计算结果分析中得到以下几点结论：
（1）基坑开挖对周边地层产生的沉降较小，距离车站越远，地表位移沉降越小，基坑开挖引起铁路沉降基本可以忽略。
（2）对于土岩结合地层中的基坑施工，可通过加强围护结构刚度以控制地表变形，达到保护周边建构筑物目的。
参考文献（References）：
[1]石钰锋，阳军生，白伟等.铁路偏压基坑围护结构变形与内力测试分析[J].岩石力学与工程学报，2011，30（4）：826－833.
[2]石钰锋，宁锐，张学民等.列车动载影响下偏压地铁基坑稳定性[J].铁道标准设计，2009，53（12）：96－98.
[3]张国亮.紧邻既有线地铁车站深基坑工程稳定与变形特性研究[D].长沙.中南大学，2012.
[4]张学民，石钰锋，张自力等.列车动载作用下偏压基坑围护结构的动力响应分析[J].振动与冲击，2012，31（20）：103－109.
[5]张治国，张孟喜，王卫东.基坑开挖对邻近地铁隧道影响的两阶分析方法[J].岩土力学，2011，32（7）：2085－2092.
[6]罗锟，雷晓燕.沪宁城际铁路基坑开挖对既有线动态影响分析[J].铁道工程学报，2010，27（9）：5－8.
[7]王春辉.地下工程邻近既有地铁施工安全性影响评价研究[D].北京.北京交通大学，2011
[8]杨永强.复杂地质条件下邻近铁路既有线地铁车站深基坑技术研究[D].成都.西南交通大学，2007.
[9]石钰锋，紧邻铁路地铁车站基坑围护结构稳定性研究[D].长沙.中南大学.2010.
[10]王艳艳，莫海鸿.基坑开挖对近距离地铁隧道及车站影响的计算分析[J].科学技术与工程.2011.11（24）：5854-5857.
[11]王培鑫，周顺华，狄宏规等.基坑开挖对邻近铁路路基变形影响与控制[J].岩石力学.2016，37（1）：469-474.
论文作者:朱坤朋
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/2
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