基坑开挖降水施工对高铁影响研究

王 蓉 彬

（武汉铁路职业技术学院 湖北 武汉 ４３０２０５）

摘 要：结合工程实例，通过经验公式和理论分析两种方法分析了是否设置止水帷幕降水施工对邻近高铁安全性影响，结果说明设置可靠的止水帷幕，并保证地下水位稳定条件下，既有桥墩不会产生过大沉降，为同类工程借鉴。

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关键词 ：基坑开挖；止水帷幕；降水；影响

中图分类号：U238 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．12．０43

１ 工程实例概况

天津市东金路南延拓宽工程北起京津高速，南至海河，规划拓宽至双向四车道，下穿通过已建成的津秦高速铁路。

１．１ 封闭式路堑Ｕ型槽结构

与津秦高铁相交处封闭式路堑采用Ｃ４５钢筋混凝土浇筑，Ｕ型槽边墙顶厚０．８ｍ，内侧面与路面垂直，外侧面坡率为１∶０．１５，底板厚０．６ｍ～１．６ｍ。

１．２ 与津秦客专既有桥的位置关系

封闭式路堑分四孔下穿津秦客专既有桥３６８＃～３７２＃墩，桥梁孔跨为３２ｍ简支箱梁。

与津秦高铁相交处封闭式路堑横断面图（见图１）。

１．３ 围护结构及止水措施

封闭式路堑范围采取封底止水措施，采用咬合旋喷桩及搅拌桩，桩径０．６ｍ，间距０．４ｍ。

在Ｕ型槽范围设置钻孔桩或钢板桩防护措施，垂直开挖基坑。其中，下穿既有高铁时，考虑到既有基础的预留，在非机动车道Ｕ型槽外侧进行钻孔桩防护，防护桩内侧，含津秦客专３６９～３７１号承台上覆土均需对称部分挖除。

在Ｕ型槽底板对应防护桩位置植筋，并与Ｕ型槽底板钢筋相连，作为对Ｕ型槽抗浮的安全储备。在钻孔防护桩外侧设置双排咬合旋喷桩或水泥搅拌桩止水帷幕，桩径０．６ｍ，间距０．４ｍ。钻孔防护桩内侧基坑内均采用咬合旋喷桩或水泥搅拌桩进行封底处理，桩径０．６ｍ，间距０．４ｍ。

１．４ 基底加固处理

Ｕ型槽段地基处理结合封底采用旋喷桩及搅拌桩进行处理，Ｕ型槽底板底部设置０．２ｍ碎石垫层，上铺０．１ｍ素混凝土垫层。

２ 止水帷幕方案降水影响

２．１ 不设置止水帷幕时降水对既有铁路线影响

２．１．１ 基坑开挖施工降水影响分析

本工况为对比工况，假定基坑四面布置降水井，工作基坑中心地下水位应降至工作坑下０．５ｍ。

其降水半径计算公式为

ａ，ｂ：矩形基坑的两个边长，ｍ；

Ｒ：影响半径，ｍ；

Ｓ：基坑水位降深，即地下水位至设计降水位的距离，ｍ；

Ｈ：含水层厚度，即地下水位到隔水层顶面的距离，ｍ；

Ｋ：土的渗透系数，一般取降水深度范围内各层土层渗透系数的加权平均值，ｍ／ｄ；

按式（２－１）计算中除含水层厚度Ｈ外，其余参数均按地勘报告中土层参数及设计图纸中结构参数取值。

地勘报告中揭示探勘深度仅２５ｍ，且探孔末端均为仍为透水土层。地勘报告未给出含水层厚度具体计算值。考虑到降水过程中实际的有效含水层厚度经验值，安评中按Ｈ＝２５ｍ（地勘资料对应的探勘深度）和Ｈ＝６０ｍ（根据经验含水层厚度并考虑有效含水层影响）进行降水半径估算。

根据式（２－１），当Ｈ＝２５ｍ时，降水半径Ｒ＝２８．３４ｍ；当Ｈ＝６０ｍ时，降水半径Ｒ＝４４ｍ。根据安全性原则，按Ｒ＝４４ｍ做为项目的降水半径影响值。

通过该公式计算可知基坑开挖的降水半径会小于基坑边缘至高铁桥墩的距离，故认为如果基坑开挖实施降水作业对既有高铁基本无影响。

２．１．２ Ｕ槽施工降水影响分析

在Ｕ槽施工底部采用６ｍ长的旋喷桩封底，由于高铁临近Ｕ槽，可近似认为高铁路基水位降深同Ｕ槽施工水位降深。

摩擦桩的沉降计算：

ｓ：桩基最终沉降量（ｍｍ）；

s′：采用布辛奈斯克解，按实体深基础分层总和法计算出的桩基沉降量（ｍｍ）；

ψ：桩基沉降计算经验系数，当无当地可靠经验时可按规范确定；

ψ6：桩基等效沉降系数，可按规范确定；

ｍ：角点法计算点对应的矩形荷载分块数；

p0 j：第ｊ块矩形底面在荷载效应准永久组合下的附加压力（ｋＰａ）；

ｎ：桩基沉降计算深度范围内所划分的土层数；

Esi：等效作用面以下第ｉ层土的压缩模量（ＭＰａ），采用地基土在自重压力至自重压力加附加压力作用时的压缩模量；

ｚｉｊ、ｚ（ｉ－１）ｊ：桩端平面第ｊ块荷载作用面至第ｉ层土、第ｉ－１层土底面的距离（ｍ）；

：桩端平面第ｊ块荷载计算点至第ｉ层土、第ｉ－１层土底面深度范围内平均附加应力系数，可按规范附录选用。

其中：

式中ｎｂ：矩形布桩时的短边布桩数，ｎｂ＞１；ｎｂ＝１时；

ｃ０、ｃ１、ｃ２：根据群桩距径比ｓａ／ｄ、长径比ｌ／ｄ及基础长宽比Ｌｃ／Ｂｃ，按规范附录确定；

Ｌｃ、Ｂｃ、ｎ——分别为矩形承台的长、宽及总桩数；

经过计算可得摩擦桩的沉降为７．４ｍｍ。

２．１．３ 设置止水帷幕后对铁路影响的理论分析

在工作坑前端设置双排止水帷幕，桩径φ６０ｃｍ，桩间距０．４ｍ，桩长２１．０ｍ，至框构向两侧路基各延伸２５ｍ，并工作坑周围形成闭合的止水帷幕。同时，基坑下旋喷桩咬合封底，桩长５．０ｍ；在距离津秦客专承台右外侧１９．２ｍ处设置直径φ６０ｃｍ旋喷桩止水帷幕三排，桩间距０．４ｍ，桩长２３ｍ，止水帷幕防护长度为框构及两侧各６３ｍ。

对于设置止水帷幕后，降水施工对建筑物及地表变形影响目前尚无较实用的经验计算公式，仅能从理论上和经验上定性分析止水帷幕的效果。

根据地勘资料，止水帷幕未达到隔水层。因此止水帷幕两侧地下水仍然能相互渗流，由于止水帷幕很长，地下水渗流路径得到了很大的延长，水位变化缓慢，土体沉降变缓。津秦客专地基主要为粘土、粉质粘土等，其渗透系数很小，津秦客专桥墩承台下的水位变化缓慢，易保证地下水位稳定。如果整个工程施工过程中放在首位的就是要控制施工降水时高速铁路路基附近水位不变化，这样施工降水对高速铁路的影响就减少能到最小。

２．２ 经验公式和理论分析的评估结果

在不设置止水帷幕的工况下，基坑开挖中，降水基本不会引起津秦客专桥墩沉降。Ｕ槽施工降水会引起津秦客专桥墩沉降最大值７．４３ｍｍ。如果基坑和Ｕ槽同时施工降水，津秦客专桥墩可能出现更大沉降变形。在设置可靠的止水帷幕后，并保证地下水位稳定条件下，津秦客专桥墩不会产生过大沉降。

３ 降水施工对高铁影响结论

（１）根据基于经验公式的理论分析来看，Ｕ槽降水过程的降水半径接近于Ｕ槽结构边缘到津秦客专最近的桥墩的距离，在不设置止水帷幕时，对高铁有一定的影响，设置止水帷幕后，影响有限。

（２）为保证止水帷幕充分发挥作用，必须严格的控制止水帷幕、高压旋喷桩的施工质量，保证铁路线和施工点形成有效地隔水带，增长渗流路径。

（３）必需采取更为有效的手段严密监控高铁桥墩的变形情况、地下水位的变化情况。同时采取主动安全措施，设置充分数量的回灌井，考虑及时回灌，尽可能稳定津秦客专的地下水位，以进一步减小或延缓降水引起的瞬时沉降发生，消除安全隐患。

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参考文献

１ 张勇．下穿立交工程对高速铁路安全影响评价方法研究［Ｊ］．高速铁路技术，２０１４（８）

２ 刘洋．铁路桥梁群桩基础沉降分析［Ｊ］．中国科技信息，２０１４（１２）

（责任编辑 要 毅）