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

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300000）

1 引言

隨著都市圈的快速發展，許多城市的市域鐵路建設已初具規模，鄰近市域鐵路的地塊建設如火如荼，基坑開挖必然會對鄰近市域鐵路高架橋及車站產生一定影響，特別是超近距離的基坑開挖?；诖?，本文通過對實際案例工程的三維有限元分析，結合DB33/T 1139—2017《城市軌道交通結構安全保護技術規程》（以下簡稱“規程”）提出相關優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，途經甌海區、鹿城區、龍灣區和洞頭區，貫穿甌海高鐵新城、中央綠軸片區、浙南科技城、龍灣中心區和甌江口新區，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，西側為南北向瑤溪河，東側為站東路，南側為水埠路，北側為溫州大道及軌道S1 線科技城站，此處為高架站臺，并行段高架橋墩標號為16 號～21 號橋。S1 線科技城站為高架3 層側式站臺車站，為路側橋建分離形式，基礎采用鉆孔灌注樁。

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，北側鄰市域鐵路S1 線區域基坑寬度為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。

場區范圍內上部土層均為典型的溫州地區軟土：①0 雜填土、①黏土、②1 淤泥、②2 淤泥、③1 淤泥質黏土、③2 黏土、④1 粉質黏土。

2.3 溫州市域鐵路變形控制標準

根據規程，同時考慮到S1 線高架橋墩及車站變形控制值,應在調查分析高架橋規模、結構形式、基礎類型、建筑材料、所處地質條件等現狀基礎上，結合其與本工程的空間位置關系、已有沉降（差異沉降）和傾斜以及當地工程經驗綜合確定。本工程施工對溫州市域鐵路S1 線結構變形控制標準如下：（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）基坑設計遵循化整為零、先遠后近保護設計原則，同時，根據規程中關于旁側單體基坑平面尺寸控制值，基坑北側邊線整體向南退讓約22 m，退讓空間內新增3 個寬度21 m，長度50 m 的小基坑（B#、C#、D#），南側剩余部分為A#大基坑。各基坑的圍護結構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A#大基坑第二道混凝土支撐以下15 m 寬度范圍內留置被動區土方，待南側底板施工完成并架設臨時鋼支撐斜撐后，采用分區跳倉開挖、底板施工。

3）回筑階段臨S1 線側肥槽區采用泡沫混凝土回填。

2.5 基坑支護方案

以基坑圍護結構設計圖為依據，需將B#、C#、D#小基坑開挖至9.23 m 深度，北側緊鄰市域鐵路S1 線區域圍護結構采用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 線側開挖深度9.23 m，圍護結構采用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值分析

3.1 有限元分析軟件選取及模型工況

巖土隧道結構專用有限元分析軟件（MIDAS GTS NX）是MIDAS 旗下的一款巖土仿真產品，其設計開發目的是迅速完成關于巖土及隧道結構的分析，本工程三維計算分析[1]采用MIDAS GTS NX 有限元軟件。

在計算本構模型上，本工程選了修正的莫爾-庫侖本構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，鉆孔灌注樁圍護結構、地塊基坑地下室各層板、高架車站各層板均采用2D 結構單元模擬，工程樁、框架柱、支撐、冠梁等均采用1D 結構單元模擬。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#基坑開挖及結構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 計算結果統計及分析

根據有限元分析軟件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，計算結果見表1。

表1 計算結果表

對各工況的計算結果進行統計，得出市域鐵路結構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在其結構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線高架橋和車站結構的變形控制標準，S1 線高架和車站的變形安全可控。

與目前地塊實際施工監測情況比較，理論計算結果與實際變形比較接近。

4 結語

針對本次分析研究，主要得出了以下6 點結論與建議：

1）由于瑤溪北單元11-A-15 地塊基坑與溫州市域鐵路S1 線橋梁和車站結構距離較近，因此，基坑開挖后對S1 線橋梁和車站結構的變形產生了一定影響，但各項變形指標數值均在變形控制標準之內，符合相應的安全標準，結構安全，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、周邊環境復雜、地質條件差、基坑體量大，借鑒類似的工程經驗并結合規程，靠近市域鐵路S1 線基坑設計遵循化整為零、先遠后近保護設計原則，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、止水帷幕及坑內加固施工完成且達到設計強度后再進行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。

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

4）軟土地區基坑變形大部分由圍護被動區踢腳變形產生，因此，應重點控制被動區加固深度、寬度及加固質量，同時提出了嚴格的檢測要求。

5）基坑應分層、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、順序及方式應嚴格按施工組織設計進行，不得超挖，施工順序應由遠到近，分段施工結構底板。

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