鄰近既有線深基坑支護方案優化與施工安全研究

汪龍兵

(中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030024)

鄰近既有線深基坑支護方案優化與施工安全研究

汪龍兵

(中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030024)

蘇州火車站I期建設中兩個地鐵出入口深基坑鄰近既有京滬線，原支護方案對現場情況考慮不足，施工效率不高，影響工程進度，需要進行優化。靜力計算表明，優化方案可明顯減小路基中心、邊坡坡頂和鄰近路基側連續墻的變形;通過對邊坡潛在滑動面和塑性區的模擬，提出相應的加固和防護措施;通過建立列車—軌道耦合動力學模型分析列車動荷載對基坑邊坡的影響，計算結果表明，列車動荷載對路基和基坑位移影響在規定范圍之內。工程實施過程中，路基沉降和基坑連續墻變形在規定范圍之內。

鄰近既有線基坑 靜力學模型 列車動荷載 支護方案優化 邊坡穩定

1 工程概況

蘇州火車站是一座集鐵路站房、城市軌道和城市道路交通換乘功能于一體的現代化大型交通樞紐。整體工程分三期建設，Ⅰ期為北側城際鐵路站房及地下地鐵車站建設，Ⅱ期為普速鐵路過渡場建設，Ⅲ期為南側普速鐵路站房建設。Ⅰ期工程位于原蘇州火車站北側，地上兩層，地下三層，地下負一層以上為鐵路站房，地下負二、負三層為地鐵車站，地鐵3號和4號出入口位于地鐵4號線火車站站南端，為地鐵站與火車站之間南側的兩個出入口，開挖深度為17 m，局部為21 m。Ⅰ期工程建設中，原蘇州火車站保持正常運行。

由于Ⅰ期工程建設的地鐵4號線火車站站3號和4號出入口深大基坑鄰近既有京滬線，深大基坑支護原方案采用一級放坡深度為3.5 m，在基坑北側設置反壓土臺和斜拋撐。考慮到現場情況，這種支護方案將嚴重影響蘇州站Ⅰ期工程建設進度，無法滿足與滬寧高鐵線路同步開通要求，必須進行優化。京滬線與深基坑剖面如圖1。

2 原方案存在的問題及優化方案設計

圖1 京滬線與深基坑剖面(單位:mm)

蘇州站工程Ⅰ期為北側城際站房和地下地鐵車站合建，原方案中，3號和4號出入口的深大基坑北側反壓土臺及臨時鋼支撐等位置處，設計有大量的站房結構。在3號和4號出入口內部結構施工完成后，方可挖除反壓土臺范圍內的土方、破除上部圍護結構，再進行該區域的站房結構施工。由此，此區域將嚴重影響蘇州站Ⅰ期工程建設進度，無法滿足與滬寧高鐵線路同步開通要求。

經分析，原方案中的反壓土臺工序是制約工序和工期的關鍵因素，因此，需對鄰近既有線深大基坑支護方案重新研究并優化。優化的前提是保證深基坑施工安全、鄰近既有線運行安全，目的是優化工序、節省施工費用，措施是取消反壓土臺，減少重復開挖。

經初步討論，對3號和4號出入口鄰近既有線深大基坑支護提出了多種方案，較為理想的建議方案如圖2所示，1∶1放坡加土釘支護，兩級放坡，中間設2 m寬平臺，兩級邊坡平臺上設置水泥攪拌樁，坡面采用錨桿加土釘護坡，基坑支護第一道支撐由鋼支撐改為混凝土支撐。

圖2 出入口優化建議方案

在建議方案中，增加放坡開挖深度，基坑地下連續墻的深度比原方案減少了8.5 m，完全取消了基坑北側反壓土臺及臨時鋼支撐，但邊坡頂點與既有鐵路線的中心距離從8 m減少到6 m，工程安全風險也隨之增加。

3 方案可行性分析

3.1 計算模型及參數選取

利用有限元軟件對基坑施工引起的既有線位移及圍護結構變形進行分析。模型中巖土體材料采用H-S模型(Hardening Soil Model)，即各向同性硬化塑性模型，使用的是塑性理論，考慮了土體的剪脹性，能較好地模擬開挖土體的卸載特性。

地下連續墻采用Plate單元模擬，混凝土支撐采用Beam單元模擬，鋼支撐和支護錨桿采用Anchor單元模擬，坡面面層混凝土采用Plate單元模擬。結構單元與實體單元間設置接觸單元，接觸面剛度用強度折減系數來模擬，根據經驗，本文取0.6。

考慮到基坑施工的邊界效應，模型尺寸取為長80 m，高40 m，土層物理力學參數按照表1選取。應用靜力學模型計算時，把列車(活)荷載和軌道靜荷載的總重簡化為與路基土同質的土柱，均勻地作用在路基面上，根據《鐵路路基設計規范》(TB 10001—2005)規定，以土體重度18 kN/m3計算，換算土柱寬度為3.7 m，高度為3.4 m。

3.2 計算結果及分析

經靜力學模型計算，原方案和優化建議方案的地層和結構變形如表2。

從表2可以看出，新建議方案的路基中心變形、坡頂變形及地下連續墻變形均低于原設計方案，連續墻最大水平位移減少了44.9%，坡頂水平、豎向位移分別減少了66.2%和56.7%，路基中心水平、豎向位移分別減小65.5%和41.6%。

表1 土層物理力學參數

表2 地層和結構變形大小對比 mm

優化建議方案既有線邊坡較原方案深且陡，因此對第二級邊坡放坡開挖完成后支護未施作之前邊坡的潛在滑動面位置及塑性區進行了分析。邊坡潛在失穩的區域為沿路基外緣坡腳處引出的一段圓弧，破壞土層至④3粉土夾粉質黏土層之上。二級平臺攪拌樁的加固主要是減少該區域土體破壞，提高帷幕止水效果，同時施工中及時噴混凝土護坡，禁止邊坡平臺荷載超限等，以利于提高邊坡穩定性。

3.3 列車動荷載對基坑邊坡的影響分析

考慮列車振動對路基邊坡穩定的影響，通過車輛—軌道耦合動力學模型計算列車作用于軌道上的輪軌力，然后根據所求的輪軌力，采用非線性數值分析，計算基坑在各工況下線路和基坑的動變形規律。

列車—軌道系統動力分析模型是由車輛模型、軌道模型以及按照一定的輪軌運動關系聯系起來組成的系統。對基坑穩定性影響最大的是其豎向動力性能的響應規律，因此本基坑支護穩定性分析采用具有兩系懸掛的車輛—軌道垂向耦合模型。列車—軌道系統垂向耦合動力模型見圖3。

由于列車的動載作用，基坑支護穩定性需進行動力學模型計算。動力學模型中的激勵荷載與時間t有關，相應的位移、應變和應力都是時間的函數，因此在建立單元體的力學模型時，除靜態作用力外，尚需考慮動作用力以及慣性力和阻尼力。考慮這些力的影響之后，建立單元體和連續體(組合體)的動力基本方程。系統的動力方程可寫為

圖3 列車—軌道系統垂向耦合動力模型

式中，［M］e為集中質量矩陣，［C］e為瑞雷比例阻尼矩陣，［K］為彈簧剛度矩陣，{F}為作用力矩陣。

式中，α和β可由結構前兩個較小的自振頻率 ω1，ω2和相應的振型阻尼比表示為

式中，ξ1，ξ2分別為與 ω1，ω2相關的阻尼比。

求解系統的動力方程通常采用振型迭加法和逐步積分法。但對巖土結構和地下結構物，一般呈非線性受力性態，因此多采用逐步積分法，即采用 Newmark方法計算。

考慮列車通過速度為45 km/h(側向過岔速度)的振動荷載。采用列車—軌道耦合動力分析模型計算得到列車荷載作用在路基表面上的力的時程曲線如圖4，頻域曲線如圖5。

圖4 路基表面荷載時程曲線

在優化建議方案中，分別模擬計算施工過程中的4種工況:①基坑尚未開挖;②第一級邊坡放坡開挖完成，而錨桿支護尚未施作;③第二級邊坡放坡開挖完成，而錨桿支護尚未施作;④出入口基坑開挖到第二層臨時支撐位置，而支撐尚未施作。

圖5 單個軌枕作用到地基土表面的荷載頻譜

前3種工況路基中心點位置的水平動位移比較接近，最大值約0.30 mm，工況4路基中心點位置的水平動位移突然增大，最大值約為0.67 mm，約為線路容許累計水平位移值(8.00 mm)的8.4%。

路基中心點位置的豎向動位移也有類似規律:前3種工況下路基中心點位置的豎向動位移比較接近，最大值約1.4 mm，工況4路基中心點位置的豎向動位移最大值增大為約2.0 mm，增大43%，約為線路容許累計豎向位移值(20.0 mm)的10%。

列車動載對鄰近基坑地下連續墻的附加動位移值較小，最大水平附加動變形僅約為0.004 mm，最大豎向附加動變形僅約為0.300 mm，地連墻最大水平附加動變形僅為允許值的0.03%。

4 優化方案實施效果

在2009年4月—8月該區域采取優化方案施工期間，委托第三方對出入口基坑支撐軸力、圍護墻變形及既有線路基變形進行監測，監測結果表明，線路路基累計沉降沒有大于20 mm，各項指標均在設計和規范要求范圍之內，順利完成了施工任務。

由于3號和4號出入口基坑單側超載，連續墻水平位移不同于一般基坑，如圖6所示:南側連續墻主要向坑內發生水平變形，而北側連續墻上部受南側連續墻向坑內水平變形的影響，其上部發生了向坑外的水平變形，但下部仍未朝向坑內的水平位移。現場實測規律與計算分析的規律是相同的，且其量值比較接近，連續墻墻身最大水平變形約11 mm，不超過一級基坑最大水平變形的允許要求。

5 結語

通過施工方案優化蘇州火車站改造Ⅰ期工程縮短工期3個半月，節約施工費用181萬元，保證了既有線路運行安全，實現了蘇州站北側城際站房與滬寧城際線路同步開通運行，經濟和社會效益顯著。

圖6 出入口基坑圍護墻水平位移隨時間變化曲線

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TU94+2;U455.7+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．31

1003-1995(2013)04-0101-04

2012-07-17;

2013-01-16

汪龍兵(1979— )，男，安徽桐城人，工程師。

(責任審編 李付軍)