鄰近地鐵換乘站的深基坑開挖與保護措施研究

朱 紅，羅 源，郝 理

(中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 400013)

0 前 言

現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]。基坑開挖及建筑的加載作用會改變周邊構筑物的邊界條件，特別是對變形控制要求較為嚴格的軌道交通結構，施工引起的錯臺、軌道翹曲變形會影響地鐵列車的運行，嚴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，導致襯砌結構破裂，造成了惡劣的社會影響和巨大的經濟損失。

基坑開挖施工工序明確、程序性強，簡單的理論推導計算難以完善地考慮地質構造情況、支護條件、施工步驟和時空效應等影響，行業(yè)內通常采用數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力方向，鄰近的地下結構會向著基坑方向旋轉；伍尚勇[6-9]等結合實際工程，分析了不同的基坑施工工序對鄰近的隧道內力和位移的影響，得出變形影響規(guī)律規(guī)律；王罡[10]建立三維計算模型，分析對比模擬結果與實測情況，驗證了有限元模擬對結構風險評估的可行性和合理性，并結合工程提出隧道結構的變形控制標準。本文以鄰近地鐵換乘站的某深基坑項目為例進行分析，研究基坑施工可能對車站結構的影響，提出相應的保護措施。

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軌道保護區(qū)范圍內，南側為運營軌道交通十號線，東側為在建軌道交通九號線，兩者后期通過1號出入口進行換乘，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，項目影響主要關注基坑開挖與軌道結構相互關系。

F55-2地塊基坑支護樁與運營的十號線暗挖車站隧道結構最小水平距離21.94 m，與2號出入口隧道結構最小水平距離6.56 m；F55-3地塊基坑支護樁與十號線1號出入口隧道結構最小水平距離7.00 m，與九號線車站主體結構最小水平距離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 主要風險及保護措施

兩個風險源。

1)出入口結構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號出入口西側卸載，九號線車站支護結構采用3排500 kN預應力鋼支撐，在西側基坑卸載與東側鋼支撐預應力推力共同作用下，1號出入口可能發(fā)生較大的變形和位移。

風險源保護措施。

1)針對十號線出入口深埋段的保護，結合項目與軌道平剖面關系，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 風險源一保護措施(單位：m)

2)為避免項目基坑開挖卸載與東側九號線鋼支撐預應力推力對十號線1號出入口的疊加影響，施工時序確定為待九號線車站結構建成后，再開挖距1號出入口3倍洞徑(25m)范圍內項目基坑。風險源二保護措施見圖3。

圖3 風險源二保護措施(單位：m)

3 數值模擬

建設項目基坑與軌道結構距離很近，關系復雜，施工步序較多，通過保護措施解決了兩個主要風險源之后，仍需驗證基坑開挖對軌道結構的影響大小，建立三維有限元模型模擬項目建設全過程對軌道交通九、十號線結構的影響，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，下部為砂質泥巖、砂巖互層，現狀地面東高西低。計算范圍內包含地鐵、建設項目。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果顯示，基坑開挖后，十號線車站主體及區(qū)間結構最大水平位移3.23 mm，最大豎向位移2.63 mm；十號線車站1號出入口結構最大水平位移3.39 mm，最大豎向位移5.94 mm；十號線車站2號出入口結構最大水平位移3.45 mm，最大豎向位移5.92 mm，軌道結構位移均小于10 mm預警值[11]，說明十號線車站及區(qū)間結構安全。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)間結構各階段位移圖

圖7 十號線車站1號出入口結構各階段位移圖

圖8 十號線車站2號出入口結構各階段位移圖

2)基坑開挖對九號線影響分析。三維有限元計算結果顯示，基坑開挖后，九號線車站主體結構最大豎向位移0.13 mm；建筑施工后，車站主體結構豎向位移有所減小，最大豎向位移0.10 mm。基坑開挖引起車站主體結構最大水平位移0.49 mm；建筑施工后，車站主體結構水平位移有所減小，最大水平位移0.38 mm。九號線車站結構位移均小于10 mm預警值，說明九號線車站結構安全。

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、十號線車站主體結構、鄰近出入口等若干典型剖面進行二維有限元分析。模擬項目施工過程：初始狀態(tài)(軌道結構建成)→基坑開挖及支護結構實施(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 九號線在建主體結構計算模型

圖10 九號線車站主體結構各階段位移圖

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)間結構位移圖顯示(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預警值，區(qū)間隧道最大軌道橫向高差0.21mm，小于2mm預警值，說明基坑開挖對區(qū)間隧道結構影響小。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預警值，最大軌道橫向高差為0.1 mm，小于2 mm預警值，說明基坑開挖對車站結構影響小。

圖12 十號線主體及區(qū)間結構位移圖

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

圖13 九號線主體結構位移圖

4 結 論

本文就鄰近地鐵換乘站的深基坑項目對軌道結構影響問題進行分析，識別出兩個主要風險源，并提出了相應軌道結構保護措施。風險源一：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，保護深埋隧道壓力拱的措施，取得了良好效果；風險源二：基坑開挖卸載與新建車站支護結構預應力對既有軌道出入口結構疊加影響，項目采取了出入口影響范圍內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區(qū)內，新建項目采取了地下室局部退臺，上部結構荷載轉換，結構局部減載和施工時序組織優(yōu)化等措施，對軌道結構進行保護，取得了良好效果，可為類似項目提供參考。

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