托柱轉換抗浮體系在基坑開挖近接城市地鐵軌道交通中的應用

蘇 波， 張逍瀟， 歐陽釗

(中國水利水電第十工程局有限公司， 四川成都 610072)

1 工程概況

錦城廣場綜合換乘服務中心項目是包含P+R(停車+換乘)地下停車場、公交樞紐、城市航站樓、出租車港灣站、配套商業、地面生態公園等功能為一體的綜合性建筑。項目位于成都市高新南區繞城高速以北，西接環球購物中心，東臨紅星路南延線，是目前成都市體現中優戰略思想建設規模最大的城市地下空間開發項目。

項目占地面積約19ha，總建筑面積約27×104m2，近接成都軌道交通16、18、29號線三線換乘車站。錦城廣場綜合換乘服務中心項目緊鄰18號線錦城廣場站，基坑采用明挖法進行施工，基坑支護形式為排樁+錨索。南側基坑下穿18號線錦城廣場～世紀城盾構區間，管片頂部距離錦城廣場項目基坑底豎向近距約8.6m。

根據中華人民共和國建設部令第140號 《城市軌道交通運營管理辦法》規定：在建或已建成線路地段距離地下軌道交通線路中心0～15m為嚴格控制區，15～50m為影響控制區；在建或已建成線路地段距離高架及地面軌道交通線路中心0～15m為嚴格控制區；15～30m為影響控制區；距離出入口、風亭、變電所等建筑物邊線外側10m以內為嚴格控制區。

錦城廣場綜合換乘服務中心項目南側基坑位于地鐵區間正上方，基坑范圍超過地鐵區間周邊外側50m范圍，屬于嚴格控制區[1]。

錦城廣場綜合換乘服務中心基坑在18號線錦城廣場—世紀城盾構區間上方進行開挖卸載、加載等工程活動，卸載覆土厚度約為14～15m。土體的卸載、加載等地面活動可能造成18號線區間隧道結構隆起和下沉，變形過大將導致盾構隧道觀片接頭漏水、結構開裂等。為有效保護軌道交通18號線區間隧道，合理控制基坑施工對18號線的影響，需采用工程手段進行特殊處理[2](圖1)。

1.1 地質情況

基坑開挖深度范圍內主要有<3-8-3>卵石土、<5-1-2>強風化泥巖、<5-1-3>中風化泥巖。錦城廣場項目基底位于卵石層、18號線錦城廣場—世紀城盾構區間基底位于中風化泥巖，泥質結構，中厚層狀構造，產狀平緩，節理、裂隙較發育，巖體較完整—完整，巖體屬含石膏地層，局部夾芒硝，局部巖體在地下水的作用下差異風化夾層比較發育，巖體呈碎裂結構，碎塊狀、角礫狀構造，巖體風化呈碎塊狀、局部風化呈半巖半土狀，巖芯遇水易軟化，失水崩解，巖質軟—較軟，巖土施工工程分級為Ⅳ級軟質巖。

1.2 設計概況

錦城廣場綜合換乘服務中心項目南側基坑下方為18號線盾構區間，區間隧道洞身位于中風化泥巖地層，基坑底距隧道頂部豎向凈距約8.6m，區間左線盾構上方錦城廣場項目主體結構采用托柱轉換方式，使盾構上方柱軸力傳至兩側樁上，樁側距盾構管片外側凈距不小于3m，樁底深入盾構底3m。南側基坑開挖在盾構區間鋪軌前完成(圖2、表1、表2)。

2 數值模擬

2.1 模擬評估內容

錦城廣場綜合換乘服務中心項目南側基坑施工開挖采用分層開挖方法，數值模擬評估內容如下：

(1)預測錦城廣場綜合換乘服務中心項目南側基坑施工完成后，其圍護結構變形及基底隆起情況。

(2)預測評估錦城廣場綜合換乘服務中心項目南側基坑分層開挖情況下，下臥地鐵18號線錦城廣場站—世紀城站盾構隧道變形情況。

(3)預測評估錦城廣場地下室修建后，下臥地鐵18號線錦城廣場站—世紀城站盾構隧道變形情況。

(4)評估錦城廣場綜合換乘服務中心項目南側基坑盾構保護區域的托柱轉換體系(托柱樁、轉換梁)施工對施工成型區間管片的影響。

圖1 18號線錦世區間與錦城廣場項目南側基坑位置關系示意

圖2 南側盾構保護托柱轉換體系平面

(5)評估錦城廣場南側基坑開挖及地下停車庫結構作用影響下盾構管片結構承載力及正常使用性能。

2.2 數值模擬步驟

南側基坑施工對下臥地鐵盾構隧道結構變形預測評估采用巖土數值模擬分析軟件MidasGTS進行計算分析，根據計算工況，主要關注南側基坑施工引起的圍護結構變形以及下臥地鐵盾構隧道結構變形及受力情況，將預測結果與規范要求的控制值進行對比分析，從而對下臥地鐵隧道結構安全性進行評估。數值計算所采用的模型為地層—結構模型，數值計算模擬步驟如下：

表2 南側盾構保護區托柱轉換樁參數

(1)進行初始地應力平衡計算。

(2)模擬錦城廣場站車站端頭基坑開挖。

(3)模擬錦城廣場站車站端頭結構施工。

(4)模擬盾構隧道施工。

(5)模擬南側基坑施工。

2.3 數值模擬

2.3.1 模型建立

模型考慮了南側基坑范圍，以及盾構隧道開挖影響范圍，考慮車站主體結構和模型的邊界效應，模型邊界距車站結構距離為20～30m，整個模型幾何尺寸長寬高為130m×80m×50m，基坑尺寸大小為76m×80m×15m。

巖土體采用修正摩爾-庫倫模型進行模擬。南側基坑冠梁、圍護樁均采用梁單元模擬，樁間墻采用板單元模擬；車站主體結構圍護樁、車站柱、車站梁，均采用梁單元模擬，車站樓板、側墻，均采用板單元模擬；盾構管片采用板單元模擬。計算過程中，假定土層沿基坑深度方向呈水平均勻分布。模型的上邊界為自由邊界，各側邊界限制基坑方向水平位移，底部全部約束。基坑開挖完成后，在基坑底部施加85kPa的均布荷載，以模擬地下室結構荷載(圖3、圖4)。

圖3 有限元計算模型

圖4 南側基坑與錦城廣場站車站端頭和下臥盾構隧道關系示意

2.3.2 參數選擇

各項參數見表3～表5。

表3 地層參數

表4 錦城廣場項目南側基坑圍護結構參數

2.3.3 南側基坑圍護結構變形

基坑圍護結構變形見圖5～圖7。

從圖可知，錦城廣場項目南側基坑開挖完成后，基坑x、y方向的最大位移分別約為 12.9mm、13.6mm，出現于基坑頂部位置，均為向坑內發生位移。錦城廣場項目南側基坑開挖完成后，坑底的最大隆起量約為20.5mm，出現于坑底中心位置處。

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表5 18號線錦城廣場站圍護與結構參數

圖5 基坑開挖完成后x方向位移云圖

圖6 基坑開挖完成后y方向位移云圖

圖7 基坑開挖完成后z方向位移云圖

2.3.4 區間隧道附加變形分析

(1)錦城廣場南側基坑施工引起的盾構隧道管片豎向位移見圖8～圖12。

圖8 基坑第一層土方開挖完成后管片豎向位移云圖

圖9 基坑第二層土方開挖完成后管片豎向位移云圖

圖10 基坑第三層土方開挖完成后管片豎向位移云圖

圖11 基坑第四層土方開挖完成后管片豎向位移云圖

圖12 地下室荷載施加后管片豎向位移云圖

由圖可知，錦城廣場項目南側基坑開挖對其下部的盾構隧道結構會產生影響，管片頂部產生與z軸正向一致的位移，即隆起。且坑底正下方左線隧道的隆起變形量大于右線隧道，基坑內側范圍內的隧道隆起量大于基坑外側范圍內的隧道隆起量。

左線隧道結構隆起量較大，右線隧道位于基坑外側，受基坑開挖卸載影響較小，結構隆起較小。基坑在前三層土方開挖期間，左線隧道管片豎向隆起量增加較均勻；基坑第四層開挖時，左線隧道管片豎向隆起量增加了1.29mm，隧道結構隆起增加量最大，因此施工時應采取相應措施，減小該層土方開挖引起的隧道結構變形；右線隧道管片隆起量較小，且變化較均勻。在錦城廣場項目地下室施工后，左右線隧道管片隆起量均減小，減小量分別為0.92mm、0.23mm，左右線隧道最終豎向隆起量分別為 2.35mm、0.48mm。

(2)錦城廣場南側基坑施工引起的盾構隧道管片水平位移見圖13～圖17。

圖13 基坑第一層土方開挖完成后管片水平位移云圖

圖15 基坑第三層土方開挖完成后管片水平位移云圖

圖16 基坑第四層土方開挖完成后管片水平位移云圖

圖17 地下室荷載施加后管片水平位移云圖

基坑開挖造成的隧道管片水平位移較小，管片水平位移最大為 0.55mm，方向與Y軸正向一致。

2.4 數值模擬結論

(1)施工過程中，盾構隧道附加變形以豎向變形為主，水平變形量很小。

(2)18號線盾構隧道變形規律： ①盾構隧道最大上浮量3.27mm，小于控制值5.0mm；水平位移值0.55mm，小于控制值4.0mm；均滿足要求；②盾構隧道徑向位移差(徑向收斂)為1.39mm，相應徑向變形率為0.017 %，小于控制值3.0mm，滿足要求；③盾構隧道縱向差異變形值0.06mm/10m，小于控制值2.0mm，滿足要求。

(3)基于現場地質情況及設計、施工經驗，托柱轉換體系施工對成型管片影響不大。

(4)錦城廣場項目南側基坑開挖及地下停車庫結構作用影響下盾構管片的彎矩和軸力都有不同程度的變化，盾構管片結構能滿足承載力及正常使用要求。

3 結束語

通常情況下，城市地鐵軌道交通近接進行基坑開挖時，由于卸荷土體，既有結構易產生嚴重變形影響，管片結構產生隆起、裂縫等不良現象。這種影響最本質的原因是由于新建工程的施工引起了既有結構的應力狀態的再次重分布，從而導致一系列的力學行為變化。這種受力特征會因工程修建的時間先后關系、空間位置關系及其他施工方法的不同而不同[3]。

考慮基坑抗浮穩定要求，通常在基坑設計中采用抗浮樁來進行加強，但下覆城市地鐵軌道交通限制了其抗浮樁的布置密度。在確保安全，方案通過相關驗算，加強管片結構及近接基坑監測的條件下，采用托住轉換抗浮體系替代傳統抗浮樁，可橫跨盾構區間，有效控制抗浮樁的施工對管片結構的影響，加快施工進度，取得明顯的經濟效益。

利用托柱轉換抗浮體系，為同類近接城市地鐵軌道交通的基坑工程提供了一種新思路。