深基坑開挖對臨近市域鐵路高架橋梁影響的研究

陳聰

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津300308）

1 引言

深基坑開挖易影響周邊臨近市域鐵路線路的正常運營，不僅會導(dǎo)致其處于受力失衡的局面，還會造成地應(yīng)力分布狀態(tài)重組，且易發(fā)生土體變形現(xiàn)象，不利于既有高架橋梁的正常使用，同時還會對深基坑施工質(zhì)量造成不良影響。為確保既有鐵路高架橋的穩(wěn)定性，必須做好深基坑開挖優(yōu)化設(shè)計工作，采取有效的方式避免土體及高架橋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形等問題。

2 工程概況

2.1 建設(shè)情況

大劇院站為4號線工程第12座車站，設(shè)計為地下2層11 m島式車站，站后設(shè)置雙停車線。車站主體跨大劇院路布置，配線區(qū)跨金石路沿萬順道布置；大劇院路規(guī)劃道路紅線寬24 m，金石路規(guī)劃道路紅線寬30 m，萬順道規(guī)劃道路紅線寬33 m。車站周邊建筑環(huán)境良好，東南象限為太湖國際社區(qū)，東北象限為萬象城，西北象限為無錫大劇院，西南象限為規(guī)劃金融用地及太湖國際社區(qū)。

萬象城下沉廣場保護(hù)項目在建設(shè)期間的深基坑開挖作業(yè)，存在較明顯的擾動，易對周邊鐵路S1線工程造成影響，從而發(fā)生變形等質(zhì)量問題。基于此，工程在實踐中，通過數(shù)值模擬的方式展開分析，實現(xiàn)對既有設(shè)計方案的優(yōu)化，以期在最大程度上減少高架橋周圍土體的變形。

2.2 深基坑施工現(xiàn)場的地質(zhì)土層分布

本工程擬建場位處于沖海積平原地帶，地形基本平坦開闊，主要為荒地、中部為堆磚場、東側(cè)為待拆遷廠房，且大部已回填。根據(jù)現(xiàn)場勘察結(jié)果得知，車站深基坑開挖區(qū)域內(nèi)的土層主要包含雜填土、粉質(zhì)黏土、含砂淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂等，且土層表現(xiàn)出流塑狀特點，不具備足夠的穩(wěn)定性，無法作為天然地基持力層，會導(dǎo)致地基局部失穩(wěn)，不利于深基坑施工。

3 深基坑開挖優(yōu)化設(shè)計方案

此次改造工程中，涉及的深基坑開挖深度為9.75 m，安全等級為一級，并通數(shù)值模擬和計算的方式對深基坑開挖設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，以保證鐵路S1線高架橋的正常運營。

3.1 開挖數(shù)值計算和分析

在本項目前期的評估作業(yè)中，運用了深基坑支擋結(jié)構(gòu)分析計算軟件（FRWS），對臨近S1線側(cè)深基坑支護(hù)的3個結(jié)構(gòu)面進(jìn)行開挖數(shù)值計算和分析。該計算軟件可與深基坑內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)分析計算軟件BSC接口，是根據(jù)現(xiàn)行國家及各省市、地區(qū)發(fā)布的深基坑支護(hù)設(shè)計規(guī)范編制的最新深基坑驗算軟件，可對現(xiàn)今出現(xiàn)的多種擋土結(jié)構(gòu)（排樁、雙排樁、土釘墻、攪拌樁、坑中坑等）進(jìn)行位移預(yù)測、內(nèi)力及穩(wěn)定性等分析，為深基坑設(shè)計、施工、監(jiān)測提供科學(xué)合理的依據(jù)，在工程實踐中得到了廣泛的應(yīng)用，而使用FRWS軟件不僅大大減輕了計算工作量，還能促進(jìn)最新科技成果的應(yīng)用，提高設(shè)計工作效率。

根據(jù)驗算結(jié)果可知，沿S1線線路縱向深基坑開挖斷面的防護(hù)等級滿足國家一級深基坑安全等級標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 優(yōu)化方案

3.2.1 具體計算數(shù)值

本工程深基坑采用φ1 000 mm@1 200 mm灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，嵌入深基坑底以下25 m。混凝土結(jié)構(gòu)底板及地下1層板做換撐，共計2道換撐，計算時考慮地面超載20 kPa。混凝土結(jié)構(gòu)底板及地下1層板做換撐，共計2道換撐，計算時需考慮地面超載數(shù)值20 kPa。計算結(jié)果見表1。

表1 計算結(jié)果

經(jīng)斷面計算，各項安全系數(shù)不滿足國家一級深基坑安全等級標(biāo)準(zhǔn)，且本項目深基坑施工風(fēng)險大，結(jié)合已有類似評估項目經(jīng)驗，此次深基坑施工引起市域鐵路S1線高架橋墩的水平位移很難控制在5 mm以內(nèi)，需優(yōu)化改進(jìn)深基坑方案以保證S1線的正常運營。

3.2.2 設(shè)計原則

此次深基坑設(shè)計遵循化整為零、先遠(yuǎn)后近的保護(hù)設(shè)計原則，將原方案中大深基坑劃分成西側(cè)3個小深基坑和東側(cè)1個大深基坑。即原西側(cè)深基坑邊線整體向東退讓，退讓距離根據(jù)后澆帶、主樓位置綜合考慮，退讓空間內(nèi)新增3個寬度40～50 m，長度70～80 m的小深基坑，其中小深基坑A為71 m×47 m(長×寬），小深基坑B為71 m×50 m(長×寬），小深基坑C為84 m×39 m(長×寬），深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+止水帷幕，對深基坑內(nèi)土體采用3軸水泥攪拌樁進(jìn)行基底加固。

在具體的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計剛度方面，支撐選型及布置形式等根據(jù)計算分析結(jié)果確定，要求優(yōu)化后小深基坑臨S1線側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移值需小于深基坑開挖深度的0.14%，退讓后的大深基坑臨S1線側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移值需小于深基坑開挖深度的0.2%。

4 深基坑開挖期間土體及周邊結(jié)構(gòu)變形影響

4.1 對周邊建筑物的環(huán)境影響

本次深基坑開挖的關(guān)鍵是分析其對周邊建筑物的環(huán)境影響。就市域鐵路S1線高架而言，如果變形過大或相鄰兩墩臺沉降差、傾斜率等變形過大，可能影響鐵路的行車舒適度、耐久性，更嚴(yán)重者可能發(fā)生安全事故。因此，控制深基坑開挖對周邊建筑物的影響，是避免周邊建筑物或構(gòu)筑物變形過大造成安全問題的主要手段，這就要運用到有限元軟件對其進(jìn)行詳細(xì)的分析作業(yè)[1]。

項目采用的MIDAS GTS-NX有限元軟件，能夠迅速完成對巖土及隧道結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計，是巖土隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件，能提供應(yīng)力分析、動力分析、滲流分析、應(yīng)力-滲流耦合分析、邊坡穩(wěn)定分析、襯砌分析和設(shè)計功能，并生成處理結(jié)果，廣泛應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)、巖土、水工、地質(zhì)、礦山、隧道等方面的分析及科研。

4.2 有限元分析模型及模擬工況分析

本評估報告根據(jù)委托方提供的地下室范圍線、深基坑圍護(hù)方案設(shè)計圖紙、施工條件等相關(guān)資料簡化計算模型。由于市域鐵路S1線已經(jīng)運營，假定S1線高架橋梁結(jié)構(gòu)的沉降完全是由于深基坑開挖土體擾動引起的，選取深基坑的最不利開挖進(jìn)行分析。而根據(jù)工程經(jīng)驗和理論分析，所取土體范圍345 m×200 m×70 m（長×寬×高)，在此區(qū)域模擬土層。S1線高架橋梁與施工地塊關(guān)系見圖1，S1線高架橋梁與圍護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)系如

圖1 S1線高架橋梁與施工地塊關(guān)系

圖2 S1線高架橋梁與圍護(hù)結(jié)構(gòu)關(guān)系

目前，需模擬11-E-01地塊基坑開挖、支撐施工、結(jié)構(gòu)回筑，總共34個計算工況。其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及地基加固施工（工況2）、A#基坑開挖到底（工況6）、B#與C#基坑開挖到底（工況17）、D#基坑開挖到底（工況28）及淺基礎(chǔ)承臺施工完成（工況34）為控制性工況。

4.3 計算結(jié)果

以工況2為例，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)、工程樁及地基加固施工做分析，具體可從水平位移和垂直位移兩方面進(jìn)行分析。S1線橋墩Y方向水平位移見圖3，最大水平位移0.4 mm，位于18#、19#橋墩的墩頂。S1線橋樁Y方向水平位移見圖4，最大水平位移0.3 mm，位于18#橋樁。

圖3 S1線橋墩Y方向水平位移

圖4 S1線橋樁Y方向水平位移

從圖3和圖4可知，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、工程樁及地基加固施工完成后，18#、19#墩發(fā)生最大水平變形，橋墩最大水平位移0.4 mm，橋樁最大水平位移0.3 mm。垂直位移方面，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、工程樁及地基加固施工完成后，考慮到S1線高架橋梁采用樁基礎(chǔ)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地基加固施工對橋梁結(jié)構(gòu)的影響較為有限，S1線橋墩的最大沉降約0.08 mm，最大沉降位于18#橋墩。

由此可知，項目在瑤溪北單元11-E-01地塊施工期間，A#基坑開挖至坑底后，18#、19#橋墩出現(xiàn)最大沉降0.60 mm，滿足沉降控制值5 mm的要求；相鄰墩臺最大沉降差出現(xiàn)在21#與22#橋墩之間，為0.17 mm，滿足沉降差控制5 mm的要求，對S1線高架的影響滿足市域鐵路S1線高架橋梁的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，同時S1線高架橋梁的變形安全也是可控的。

5 結(jié)語

考慮到實際工程中深基坑的開挖深度、周邊環(huán)境及地質(zhì)條件，就靠近市域鐵路S1線深基坑設(shè)計遵循化整為零、先遠(yuǎn)后近的保護(hù)設(shè)計原則，將整個大深基坑劃分成1個東側(cè)大深基坑和臨近S1線高架橋的3個西側(cè)小深基坑，并對其地下結(jié)構(gòu)及巖土力學(xué)等進(jìn)行評估驗算，最終評估得出橋墩附加位移滿足結(jié)構(gòu)安全性要求的結(jié)論，為深基坑施工提供了可靠的參考。