基坑開挖對鄰近市域鐵路高架橋及車站影響的分析

王增吉，齊成成

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300000）

1 引言

隨著都市圈的快速發(fā)展，許多城市的市域鐵路建設(shè)已初具規(guī)模，鄰近市域鐵路的地塊建設(shè)如火如荼，基坑開挖必然會對鄰近市域鐵路高架橋及車站產(chǎn)生一定影響，特別是超近距離的基坑開挖?；诖耍疚耐ㄟ^對實際案例工程的三維有限元分析，結(jié)合DB33/T 1139—2017《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱“規(guī)程”）提出相關(guān)優(yōu)化措施以減小地塊施工對鄰近市域鐵路的影響，為今后類似工程提供一定的借鑒意義。

2 工程概況

2.1 市域鐵路S1 線簡介

溫州市域鐵路S1 線是溫州市第一條建成運營的城市軌道交通線路，西起桐嶺站，東至雙甌大道站，途經(jīng)甌海區(qū)、鹿城區(qū)、龍灣區(qū)和洞頭區(qū)，貫穿甌海高鐵新城、中央綠軸片區(qū)、浙南科技城、龍灣中心區(qū)和甌江口新區(qū)，線路大致呈東西走向，全長53.507 km，于2019 年9 月28 日全線正式貫通運營。

2.2 地塊工程概述

溫州龍灣瑤溪北單元11-A-15 地塊位于溫州市瑤溪，西側(cè)為南北向瑤溪河，東側(cè)為站東路，南側(cè)為水埠路，北側(cè)為溫州大道及軌道S1 線科技城站，此處為高架站臺，并行段高架橋墩標(biāo)號為16 號～21 號橋。S1 線科技城站為高架3 層側(cè)式站臺車站，為路側(cè)橋建分離形式，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。

本工程共2 層地下室，東西向基坑約158 m 長，南北向基坑約267 m 長，面積約為39 528 m2，北側(cè)鄰市域鐵路S1 線區(qū)域基坑寬度為158 m，開挖深度9.23 m，基坑距離科技城站最近距離為11.1 m，距離S1 線高架橋最近距離為22.5 m。

場區(qū)范圍內(nèi)上部土層均為典型的溫州地區(qū)軟土：①0 雜填土、①黏土、②1 淤泥、②2 淤泥、③1 淤泥質(zhì)黏土、③2 黏土、④1 粉質(zhì)黏土。

2.3 溫州市域鐵路變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)規(guī)程，同時考慮到S1 線高架橋墩及車站變形控制值,應(yīng)在調(diào)查分析高架橋規(guī)模、結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)類型、建筑材料、所處地質(zhì)條件等現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，結(jié)合其與本工程的空間位置關(guān)系、已有沉降（差異沉降）和傾斜以及當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗綜合確定。本工程施工對溫州市域鐵路S1 線結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）S1 線橋墩水平位移、沉降量及差異沉降＜5 mm；（2）S1線高架車站水平位移、豎向沉降＜5 mm，相鄰柱基的沉降差＜0.0015 L（L 為框架柱中心距，mm）。

2.4 市域鐵路保護措施

為進一步保護市域鐵路，本工程采取的措施有：

1）基坑設(shè)計遵循化整為零、先遠(yuǎn)后近保護設(shè)計原則，同時，根據(jù)規(guī)程中關(guān)于旁側(cè)單體基坑平面尺寸控制值，基坑北側(cè)邊線整體向南退讓約22 m，退讓空間內(nèi)新增3 個寬度21 m，長度50 m 的小基坑（B#、C#、D#），南側(cè)剩余部分為A#大基坑。各基坑的圍護結(jié)構(gòu)及地基加固同期施工，基坑施工順序為A#基坑→B#、C#基坑→D#基坑，待前一工序的基坑地下室封頂后方可進行下一工序的基坑開挖。

2）臨S1 線側(cè)A#大基坑第二道混凝土支撐以下15 m 寬度范圍內(nèi)留置被動區(qū)土方，待南側(cè)底板施工完成并架設(shè)臨時鋼支撐斜撐后，采用分區(qū)跳倉開挖、底板施工。

3）回筑階段臨S1 線側(cè)肥槽區(qū)采用泡沫混凝土回填。

2.5 基坑支護方案

以基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計圖為依據(jù)，需將B#、C#、D#小基坑開挖至9.23 m 深度，北側(cè)緊鄰市域鐵路S1 線區(qū)域圍護結(jié)構(gòu)采用φ1000 mm@1 200 mm 鉆孔灌注樁+雙排φ650 mm@450 mm 三軸攪拌樁止水帷幕，鉆孔灌注樁嵌固深度20.02 m，止水帷幕嵌固深度5.77 m。在豎向，基坑設(shè)置了3 道支撐，除第一道為鋼筋混凝土支撐800 mm×750 mm 外，其余兩道均為φ800 mm（壁厚t=16 mm）鋼支撐。

A#基坑臨S1 線側(cè)開挖深度9.23 m，圍護結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm@1 250 mm 鉆孔灌注樁+φ650 mm@450 mm 三軸攪拌樁止水帷幕，鉆孔灌注樁嵌固深度19.02 m，止水帷幕嵌固深度2.77 m；此外，基坑在豎向設(shè)置了2 道鋼筋混凝土支撐，其中，第一道截面尺寸為800 mm×750 mm，第二道截面尺寸為1 000 mm×900 mm。

3 基坑開挖對S1 線市域鐵路影響的三維數(shù)值分析

3.1 有限元分析軟件選取及模型工況

巖土隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件（MIDAS GTS NX）是MIDAS 旗下的一款巖土仿真產(chǎn)品，其設(shè)計開發(fā)目的是迅速完成關(guān)于巖土及隧道結(jié)構(gòu)的分析，本工程三維計算分析[1]采用MIDAS GTS NX 有限元軟件。

在計算本構(gòu)模型上，本工程選了修正的莫爾-庫侖本構(gòu)模型這一理想的彈塑性模型。其中，土體、橋梁承臺、地基加固采用三維實體單元模擬，鉆孔灌注樁圍護結(jié)構(gòu)、地塊基坑地下室各層板、高架車站各層板均采用2D 結(jié)構(gòu)單元模擬，工程樁、框架柱、支撐、冠梁等均采用1D 結(jié)構(gòu)單元模擬。模型頂面不施加位移約束，底部施加豎向位移約束，四周邊界分別施加水平位移約束。按照A#大基坑→B#、C#基坑→D#基坑開挖及結(jié)構(gòu)回筑的施工步驟進行模擬?；佑邢拊治瞿Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 基坑有限元分析模型

3.2 計算結(jié)果統(tǒng)計及分析

根據(jù)有限元分析軟件Midas GTS NX 建立整體三維有限元模型，分析11-A-15 地塊施工各工況對S1 線高架橋及站房的影響，計算結(jié)果見表1。

表1 計算結(jié)果表

對各工況的計算結(jié)果進行統(tǒng)計，得出市域鐵路結(jié)構(gòu)隨著基坑施工的變形趨勢，各施工工況下市域鐵路位移變化時程圖如圖2、圖3 所示。

圖2 各工況下S1 線橋墩Y 向累計水平位移變化時程

圖3 各工況下S1 線車站Y 向累計水平位移變化時程

由計算結(jié)果可知：

1）瑤溪北單元11-A-15 地塊施工期間，A#基坑開挖時對市域鐵路S1 線影響最大，其中，19#橋墩發(fā)生最大的階段水平位移為3 mm，約占其最終位移的68%。

2）11-A-15 地塊基坑開挖對溫州市域鐵路的影響主要體現(xiàn)在其結(jié)構(gòu)沉降量和水平位移量，其中S1 線橋墩沉降最大值和水平位移最大值分別為0.40 mm 和4.4 mm，滿足5 mm 控制值的要求；橋墩最大水平傾斜率為0.02‰，滿足4.3‰控制值的要求；橋墩間差異沉降最大值為0.10 mm，滿足允許最大沉降差5 mm 的控制要求。由此所知，瑤溪北單元11-A-15 地塊基坑開挖對S1 線高架和車站的影響滿足溫州市域鐵路S1線高架橋和車站結(jié)構(gòu)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，S1 線高架和車站的變形安全可控。

與目前地塊實際施工監(jiān)測情況比較，理論計算結(jié)果與實際變形比較接近。

4 結(jié)語

針對本次分析研究，主要得出了以下6 點結(jié)論與建議：

1）由于瑤溪北單元11-A-15 地塊基坑與溫州市域鐵路S1 線橋梁和車站結(jié)構(gòu)距離較近，因此，基坑開挖后對S1 線橋梁和車站結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生了一定影響，但各項變形指標(biāo)數(shù)值均在變形控制標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，符合相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)安全，項目可行。

2）由于瑤溪北單元11-A-15 地塊工程基坑的開挖深度較大、周邊環(huán)境復(fù)雜、地質(zhì)條件差、基坑體量大，借鑒類似的工程經(jīng)驗并結(jié)合規(guī)程，靠近市域鐵路S1 線基坑設(shè)計遵循化整為零、先遠(yuǎn)后近保護設(shè)計原則，將整個大基坑劃分成一個大基坑（A#）和3 個小基坑（B#、C#、D#）；北側(cè)為3 個寬度約22 m、長度約50 m 的小基坑，其中小基坑B#為55 m×20 m(長×寬）,小基坑C#為58 m×22 m (長×寬），小基坑D#為50 m×20 m (長×寬）。南側(cè)為大基坑A#，基坑臨S1 線寬度為158 m，整個項目的圍護樁、止水帷幕及坑內(nèi)加固施工完成且達(dá)到設(shè)計強度后再進行A#大基坑的開挖，可以起到一定的隔離效果，減小基坑施工的空間效應(yīng)。

3）A#基坑臨S1 線側(cè)第二道混凝土支撐以下15 m 寬度范圍內(nèi)留置被動區(qū)土體，待南側(cè)底板施工完成并架設(shè)臨時鋼支撐斜撐后，采用分區(qū)跳倉法開挖、底板施工。同時，結(jié)構(gòu)回筑階段臨S1 線側(cè)肥槽區(qū)采用泡沫混凝土回填。該措施能夠有效控制基坑圍護結(jié)構(gòu)變形，從而減小施工對S1 線高架橋及車站影響。

4）軟土地區(qū)基坑變形大部分由圍護被動區(qū)踢腳變形產(chǎn)生，因此，應(yīng)重點控制被動區(qū)加固深度、寬度及加固質(zhì)量，同時提出了嚴(yán)格的檢測要求。

5）基坑應(yīng)分層、分段、對稱、限時開挖，遵循先撐后挖、限時支撐、分層開挖、嚴(yán)禁超挖的原則，盡量減小基坑無支撐暴露時間和空間。挖土流程、順序及方式應(yīng)嚴(yán)格按施工組織設(shè)計進行，不得超挖，施工順序應(yīng)由遠(yuǎn)到近，分段施工結(jié)構(gòu)底板。

6）靠近S1 線的鉆孔灌注樁施工過程中應(yīng)做好泥漿護壁，嚴(yán)禁采用沖擊、振動機械設(shè)備成樁、拆除混凝土支撐。