鄰近地鐵換乘站的深基坑開挖與保護(hù)措施研究

朱 紅，羅 源，郝 理

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 400013)

0 前 言

現(xiàn)代城市逐漸向著以地鐵為核心的地下空間綜合體發(fā)展，鄰近地鐵區(qū)間和車站新建工程項目的案例也越來越多[1-2]?；娱_挖及建筑的加載作用會改變周邊構(gòu)筑物的邊界條件，特別是對變形控制要求較為嚴(yán)格的軌道交通結(jié)構(gòu)，施工引起的錯臺、軌道翹曲變形會影響地鐵列車的運行，嚴(yán)重時會危害地鐵的運營安全[3-4]。臺灣地區(qū)某地鐵區(qū)間因周邊深基坑開挖，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)破裂，造成了惡劣的社會影響和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

基坑開挖施工工序明確、程序性強，簡單的理論推導(dǎo)計算難以完善地考慮地質(zhì)構(gòu)造情況、支護(hù)條件、施工步驟和時空效應(yīng)等影響，行業(yè)內(nèi)通常采用數(shù)值分析方法研究施工對鄰近地鐵車站的影響。鄭剛等[5]通過二維分析出基坑開挖會改變土層的主應(yīng)力方向，鄰近的地下結(jié)構(gòu)會向著基坑方向旋轉(zhuǎn)；伍尚勇[6-9]等結(jié)合實際工程，分析了不同的基坑施工工序?qū)︵徑乃淼纼?nèi)力和位移的影響，得出變形影響規(guī)律規(guī)律；王罡[10]建立三維計算模型，分析對比模擬結(jié)果與實測情況，驗證了有限元模擬對結(jié)構(gòu)風(fēng)險評估的可行性和合理性，并結(jié)合工程提出隧道結(jié)構(gòu)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)。本文以鄰近地鐵換乘站的某深基坑項目為例進(jìn)行分析，研究基坑施工可能對車站結(jié)構(gòu)的影響，提出相應(yīng)的保護(hù)措施。

1 項目概況

項目擬建4棟83.6～98.0m的高層辦公樓及商業(yè)裙樓。項目位于地下車站50 m軌道保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，南側(cè)為運營軌道交通十號線，東側(cè)為在建軌道交通九號線，兩者后期通過1號出入口進(jìn)行換乘，平面布置示意圖見圖1。由于十號線、九號線均為地下車站，因此，項目影響主要關(guān)注基坑開挖與軌道結(jié)構(gòu)相互關(guān)系。

F55-2地塊基坑支護(hù)樁與運營的十號線暗挖車站隧道結(jié)構(gòu)最小水平距離21.94 m，與2號出入口隧道結(jié)構(gòu)最小水平距離6.56 m；F55-3地塊基坑支護(hù)樁與十號線1號出入口隧道結(jié)構(gòu)最小水平距離7.00 m，與九號線車站主體結(jié)構(gòu)最小水平距離18.69 m。擬建項目平面布置示意圖見圖1。

圖1 擬建項目平面布置示意圖

2 主要風(fēng)險及保護(hù)措施

兩個風(fēng)險源。

1)出入口結(jié)構(gòu)由地下逐漸爬升至地面，出入口隧道逐漸由深埋狀態(tài)過渡到淺埋狀態(tài)，項目支護(hù)樁與出入口最小水平距離僅6.56 m，基坑開挖會破壞出入口隧道深埋段壓力拱，改變其深埋狀態(tài)。

2)十號線1號出入口東段位于擬建項目基坑和在建九號線車站基坑之間，擬建項目基坑開挖對1號出入口西側(cè)卸載，九號線車站支護(hù)結(jié)構(gòu)采用3排500 kN預(yù)應(yīng)力鋼支撐，在西側(cè)基坑卸載與東側(cè)鋼支撐預(yù)應(yīng)力推力共同作用下，1號出入口可能發(fā)生較大的變形和位移。

風(fēng)險源保護(hù)措施。

1)針對十號線出入口深埋段的保護(hù)，結(jié)合項目與軌道平剖面關(guān)系，采用項目地下室局部退臺方案，基坑開挖范圍退出出入口深埋段壓力拱范圍外，保證其深埋狀態(tài)不發(fā)生變化(見圖2)。

圖2 風(fēng)險源一保護(hù)措施(單位：m)

2)為避免項目基坑開挖卸載與東側(cè)九號線鋼支撐預(yù)應(yīng)力推力對十號線1號出入口的疊加影響，施工時序確定為待九號線車站結(jié)構(gòu)建成后，再開挖距1號出入口3倍洞徑(25m)范圍內(nèi)項目基坑。風(fēng)險源二保護(hù)措施見圖3。

圖3 風(fēng)險源二保護(hù)措施(單位：m)

3 數(shù)值模擬

建設(shè)項目基坑與軌道結(jié)構(gòu)距離很近，關(guān)系復(fù)雜，施工步序較多，通過保護(hù)措施解決了兩個主要風(fēng)險源之后，仍需驗證基坑開挖對軌道結(jié)構(gòu)的影響大小，建立三維有限元模型模擬項目建設(shè)全過程對軌道交通九、十號線結(jié)構(gòu)的影響，局部采用二維驗證分析。

3.1 三維有限元分析

3.1.1 計算過程模擬

為確保三維模型有足夠計算精度并盡量減少計算工作量，對計算范圍進(jìn)行了一定的限制，計算范圍長寬約為490 m×250 m，從地面往下取至約90 m，模型上覆一定厚度的土層，下部為砂質(zhì)泥巖、砂巖互層，現(xiàn)狀地面東高西低。計算范圍內(nèi)包含地鐵、建設(shè)項目。施工工序見表1，三維有限元計算模型見圖4。

表1 施工步序表

圖4 三維有限元計算模型

3.1.2 計算結(jié)果分析

1)基坑開挖對十號線影響分析。三維有限元位移計算結(jié)果顯示，基坑開挖后，十號線車站主體及區(qū)間結(jié)構(gòu)最大水平位移3.23 mm，最大豎向位移2.63 mm；十號線車站1號出入口結(jié)構(gòu)最大水平位移3.39 mm，最大豎向位移5.94 mm；十號線車站2號出入口結(jié)構(gòu)最大水平位移3.45 mm，最大豎向位移5.92 mm，軌道結(jié)構(gòu)位移均小于10 mm預(yù)警值[11]，說明十號線車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)安全。如圖5～8所示。

圖5 十號線車站及區(qū)間計算模型

圖6 十號線車站主體及區(qū)間結(jié)構(gòu)各階段位移圖

圖7 十號線車站1號出入口結(jié)構(gòu)各階段位移圖

圖8 十號線車站2號出入口結(jié)構(gòu)各階段位移圖

2)基坑開挖對九號線影響分析。三維有限元計算結(jié)果顯示，基坑開挖后，九號線車站主體結(jié)構(gòu)最大豎向位移0.13 mm；建筑施工后，車站主體結(jié)構(gòu)豎向位移有所減小，最大豎向位移0.10 mm?；娱_挖引起車站主體結(jié)構(gòu)最大水平位移0.49 mm；建筑施工后，車站主體結(jié)構(gòu)水平位移有所減小，最大水平位移0.38 mm。九號線車站結(jié)構(gòu)位移均小于10 mm預(yù)警值，說明九號線車站結(jié)構(gòu)安全。

3.2 二維有限元分析

3.2.1 計算過程模擬

計算截取九號線、十號線車站主體結(jié)構(gòu)、鄰近出入口等若干典型剖面進(jìn)行二維有限元分析。模擬項目施工過程：初始狀態(tài)(軌道結(jié)構(gòu)建成)→基坑開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)實施(分層開挖)→上部建筑建成。二維有限元典型計算模型見圖11。

圖9 九號線在建主體結(jié)構(gòu)計算模型

圖10 九號線車站主體結(jié)構(gòu)各階段位移圖

圖11 二維有限元典型計算模型

3.2.2 計算結(jié)果分析

1)基坑開挖對十號線影響分析。十號線車站主體及區(qū)間結(jié)構(gòu)位移圖顯示(見圖12)，項目施工全過程中，十號線區(qū)間隧道最大水平位移為2.3 mm，最大豎向位移為0.46 mm，小于10 mm預(yù)警值，區(qū)間隧道最大軌道橫向高差0.21mm，小于2mm預(yù)警值，說明基坑開挖對區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)影響小。十號線車站最大豎向位移1.3 mm，最大水平位移4.3 mm，小于10 mm預(yù)警值，最大軌道橫向高差為0.1 mm，小于2 mm預(yù)警值，說明基坑開挖對車站結(jié)構(gòu)影響小。

圖12 十號線主體及區(qū)間結(jié)構(gòu)位移圖

2)基坑開挖對九號線影響分析。九號線車站主體結(jié)構(gòu)位移圖顯示(見圖13)，項目施工全過程中，九號線車站結(jié)構(gòu)最大水平位移0.6 mm，最大豎向位移0.8 mm，小于軌道結(jié)構(gòu)安全預(yù)警值10 mm，九號線車站結(jié)構(gòu)安全。

圖13 九號線主體結(jié)構(gòu)位移圖

4 結(jié) 論

本文就鄰近地鐵換乘站的深基坑項目對軌道結(jié)構(gòu)影響問題進(jìn)行分析，識別出兩個主要風(fēng)險源，并提出了相應(yīng)軌道結(jié)構(gòu)保護(hù)措施。風(fēng)險源一：基坑開挖侵入并破壞軌道出入口暗挖段壓力拱，項目采取了基坑局部退臺，保護(hù)深埋隧道壓力拱的措施，取得了良好效果；風(fēng)險源二：基坑開挖卸載與新建車站支護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力對既有軌道出入口結(jié)構(gòu)疊加影響，項目采取了出入口影響范圍內(nèi)基坑待九號線車站建成后再開挖的施工時序組織措施，取得了良好效果。

在城市軌道交通控制保護(hù)區(qū)內(nèi)，新建項目采取了地下室局部退臺，上部結(jié)構(gòu)荷載轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)局部減載和施工時序組織優(yōu)化等措施，對軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，取得了良好效果，可為類似項目提供參考。

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