大型基坑施工對軌道交通結(jié)構(gòu)影響分析

張兵兵 盧偉曉

（濟南軌道交通集團有限公司，山東濟南 250000）

隨著濟南軌道交通建設(shè)進入了快車道，城市核心區(qū)的地下空間開發(fā)項目越來越多，在軌道交通周邊進行大規(guī)模的基坑開挖在所難免[1-2]。目前濟南市鄰近軌道交通大型基坑可供參考項目較少，本文通過數(shù)值分析方法，重點研究了鄰近軌道交通基坑項目施工影響，為后期類似工程建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

濟南市中央商務(wù)區(qū)南部能源中心項目（以下簡稱南部能源站）位于歷下區(qū)華陽路以東中央商務(wù)區(qū)東西向綠軸西端（1-31地塊地下），華陽路以東、縱二路以西、橫七路以北、新濼大街以南地塊。場地內(nèi)目前現(xiàn)狀為空地，毗鄰在建的濟南市軌道交通CBD預(yù)留地下車站及地下區(qū)間工程。

南部能源站占地面積約5603m2，總建筑面積約13680.9m2。南部能源站項目的基坑總面積5603m2，基坑開挖深度為14.75~19.1m。西側(cè)鄰近待建的地鐵出入口結(jié)構(gòu)（最近處圍護樁距地鐵結(jié)構(gòu)水平凈距2.66m），圍護結(jié)構(gòu)采用單排800mm直徑鉆孔灌注樁，樁間距1500mm，有效樁長19m，設(shè)置兩道混凝土內(nèi)支撐，回筑階段利用負(fù)二層夾層板及樓板進行換撐；南側(cè)鄰近待建的地鐵附屬風(fēng)亭結(jié)構(gòu)（最近處圍護樁距地鐵結(jié)構(gòu)水平凈距0.67m），圍護結(jié)構(gòu)采用單排800mm直徑鉆孔灌注樁，樁間距1500mm，有效樁長19m，設(shè)置兩道混凝土內(nèi)支撐，回筑階段利用負(fù)二層夾層板及樓板進行換撐；南側(cè)鄰近地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)（最近處圍護樁距地鐵結(jié)構(gòu)水平凈距3.66m），圍護結(jié)構(gòu)采用單排800mm直徑鉆孔灌注樁，樁間距1500mm，有效樁長14m，混凝土面層+錨桿支護。

本工程基坑南側(cè)鄰近軌道交通車站—華陽路站及東側(cè)相鄰明挖區(qū)間，該站位于橫七路（規(guī)劃道路）與華陽路（規(guī)劃道路）十字路口，橫跨華陽路，沿橫七路東西向設(shè)置，為地下二層島式車站，主體結(jié)構(gòu)主要采用地下兩層單柱雙跨（局部雙柱三跨或單跨）鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)。站內(nèi)凈總長度234m，標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)凈寬度19.7m，東端頭井內(nèi)凈平面尺寸為24×13m，接地下兩層明挖區(qū)間。車站有效站臺中心處規(guī)劃標(biāo)高76.75m，規(guī)劃覆土厚度約4.6m。

圖1 建設(shè)項目與軌道交通平面關(guān)系

2 工程地質(zhì)及水文概況

場地內(nèi)第四系地層主要由人工堆積層、山前沖洪積成因的黃土、粘性土、碎石土組成，下伏基巖為奧陶系石灰?guī)r、泥灰?guī)r。

勘探期間未見第四系松散巖類孔隙水。根據(jù)附近工程進行的巖土工程勘察經(jīng)驗，該區(qū)域豐水期內(nèi)巖溶裂隙水水頭標(biāo)高約37.41～38.30m，水井內(nèi)得水頭標(biāo)高為38.50m；枯水期巖溶裂隙水水頭標(biāo)高31.52～32.11m，根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查資料，場地巖溶裂隙水年變化幅度約10～15m，其常年水頭標(biāo)高多在30～40m之間變化。

擬建場地地下水位升降所波及的深度主要位于石灰?guī)r中，場地鉆孔揭示溶洞，填充物以粘土為主，充填物密實度較好。通過實地調(diào)查、走訪，場地至今沒有發(fā)現(xiàn)地面巖溶塌陷現(xiàn)象，也未發(fā)現(xiàn)史料這方面的記載。因此，擬建場地發(fā)生巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害危險性小。

場地第四系土層以下局部分布泥灰?guī)r風(fēng)化帶，受節(jié)理裂隙和礦物成分的影響，風(fēng)化程度和均勻性方面差異較大。風(fēng)化巖具有一定的結(jié)構(gòu)強度，在基礎(chǔ)施工時，應(yīng)注意對風(fēng)化泥灰?guī)r原狀結(jié)構(gòu)的保護，以防影響其地基強度。另外，泥灰?guī)r具有遇水軟化的特點，在基礎(chǔ)施工時應(yīng)避免受水浸泡，防止產(chǎn)生不良后果。

3 施工影響分析

3.1 總體分析控制

本工程基坑與地鐵項目工地接近，且與車站主體、附屬結(jié)構(gòu)存在交叉施工。能源站外墻線距離華陽路站外墻線距離約6.2～8.5m，華陽路站基底標(biāo)高約56.711～56.742m，能源站基底標(biāo)高為52.900m。區(qū)間段為明挖結(jié)構(gòu)，能源站外墻線距離華綢區(qū)間外墻線距離約7.6～8.6m，華綢區(qū)間基底標(biāo)高約57.714m，能源站基底標(biāo)高為52.900m。華陽路站附屬風(fēng)井位于能源站與華陽路站之間，風(fēng)井外墻線距離能源站外墻線約2.07m。為了減少基坑施工過程中對地鐵結(jié)構(gòu)的影響，采取了以下專項保護措施：

（1）基坑西側(cè)、南側(cè)與鄰近地鐵附屬出入口及風(fēng)亭結(jié)構(gòu)區(qū)段：圍護結(jié)構(gòu)型式為大直徑鉆孔灌注樁和混凝土內(nèi)支撐，增強基坑自身剛度。

（2）南側(cè)與鄰近地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)區(qū)段：圍護結(jié)構(gòu)型式為抗側(cè)剛度好的鉆孔灌注樁，打設(shè)錨桿支護，上部土體部分挖除卸載，很好的控制了地鐵結(jié)構(gòu)的變形。

（3）整個基坑分A、B區(qū)先后開挖，先開挖遠離地鐵主體側(cè)的土體（南北向60m范圍），后開挖鄰近地鐵主體側(cè)的土體（南北向30m范圍），降低了同一時間段內(nèi)的基坑土體卸荷規(guī)模，有利于降低基坑施工對地鐵結(jié)構(gòu)的影響。

3.2 數(shù)值分析

圍護設(shè)計方案考慮到該工程緊鄰地鐵車站，為減小基坑變形對地鐵結(jié)構(gòu)的影響，基坑采用分區(qū)分期施工、選用較強的圍護結(jié)構(gòu)及內(nèi)支撐型式，同時加強了鄰近地鐵側(cè)的止水措施。

數(shù)值分析選用了MIDAS/GTSNX巖土軟件作為計算平臺，巖土參數(shù)根據(jù)勘察報告，并結(jié)合鄰近地塊的安全評估報告數(shù)據(jù)得來，第四系土層選用修正摩爾庫倫模型[4]，中風(fēng)化巖選用彈性本構(gòu)。數(shù)值模擬計算采用的基坑土參數(shù)表如表1所示。

采用等效剛度原則將地鐵車站采用實體單元建模，鉆孔灌注圍護樁及墻板結(jié)構(gòu)等采用板單元建模，臨時立柱、樁基采用梁單元建模，并設(shè)置切向彈簧模擬板單元、線單元在網(wǎng)格節(jié)點位置發(fā)生剪切方向的摩擦交互作用[3]。三維建模原型中，土體建模x方向總長達到210m；土體建模y方向總長200m；土體建模z方向總長40m（基巖層）。

表1 巖土層計算參數(shù)

圖2 車站結(jié)構(gòu)最大水平位移/mm

車站結(jié)構(gòu)的最大水平位移（指向基坑內(nèi)側(cè)）2.5mm，豎向位移＜1mm。模擬結(jié)果表明：基坑施工全過程對地鐵車站的影響能夠滿足軌道交通結(jié)構(gòu)水平及豎向位移量控制要求[4]。

3.3 軌道交通保護措施

（1）合理安排出土?xí)r序，分塊分倉開挖，避免基坑底長時間的大面積暴露開挖施工；嚴(yán)禁采用爆破法開挖；挖土過程中嚴(yán)禁施工機械碰撞、沖抓、碾壓支護結(jié)構(gòu)，土方開挖應(yīng)遵循“對稱開挖、分層開挖、嚴(yán)禁超挖”的原則[5-6]。

（2）地塊鄰近軌道交通結(jié)構(gòu)基坑完成素土回填的，由于回填土較疏松、強度低、空隙大、承載力低，影響鉆孔樁成樁，容易塌孔，從而影響軌道交通結(jié)構(gòu)及防水安全。應(yīng)采取預(yù)先注漿措施將回填土注漿加固，然后再進行鉆孔樁施工，避免鉆孔樁施工對車站側(cè)墻及防水造成破壞。

（3）嚴(yán)禁采用錘擊樁，施工過程中應(yīng)加強對地表沉降的監(jiān)控量測，并對軌道交通結(jié)構(gòu)變形進行實時監(jiān)控，確保結(jié)構(gòu)的安全[7]。

4 總結(jié)

本文采用三維有限元數(shù)值方法分析了鄰近軌道交通結(jié)構(gòu)擬建大型基坑開挖的施工影響，獲取了各工況下的基坑自身和軌道交通結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力。結(jié)果表明由于地層條件較好，并采用了較為合理的圍護設(shè)計及基坑開挖方案，基坑施工對軌道交通安全影響不大，不影響軌道交通的安全運營。本文研究成果為本地區(qū)鄰近軌道交通項目提供了參考，可供后期類似工程借鑒。