明挖區間近距離側穿高速公路與既有地鐵路基段風險分析

康 佩

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

北京是國內第一個修建地鐵的城市，隨著地鐵建設的不斷發展，現已形成復雜交錯的地下軌道交通網，伴隨而來的現象就是城市可利用地下空間越來越少，新建線路將不可避免地穿越既有線路[1]。北京地鐵27號線(昌平線南延)工程連接既有昌平線與9號線，北起西二旗站，南至9號線國家圖書館站。受場地環境和線路走向的限制，地鐵27號線自西二旗站與既有昌平線接軌后，地下區間只能采用明挖法施工，西二旗站南端明挖區間側穿G7(京新)高速公路與既有地鐵13號線之間的狹長地帶(見圖1)，施工會對G7及13號線路基造成一定的影響，風險等級為特級。

圖1 區間與G7高速和地鐵13號線路基平面關系

1 工程概況

1.1 設計概述

根據埋置深度不同，采用U形槽和單層雙跨矩形框架的結構形式。其中，U形槽段長211.92 m，結構寬10.90～12.42 m，埋深1.6～8.0 m；框架段長129.64 m，結構寬11.82～12.89 m，埋深8.0～11.6 m。

明挖區間位于G7高速與既有地鐵13號線之間的狹長地帶，最窄處僅12 m，部分進入G7高速護坡范圍，無放坡開挖條件，故圍護結構采用“鉆孔灌注樁+鋼支撐”的支護形式(見圖2)。

(1)區間鄰近G7高速路基段

G7高速公路為雙向6車道，寬35 m，道路兩側采取邊坡支護。明挖基坑最大深度約11.8 m，基坑邊與G7高速路基坡頂邊線凈距2.4～3.4 m。由于區間結構部分進入高速公路護坡范圍，為降低施工對路基的擾動，采取了填土反壓的措施。填土高度與路面高度相同，約為5.0 m；遠離高速公路一側，按1∶1.5放坡至地面。

(2)區間鄰近地鐵13號線路基段

地鐵13號線路基段為碎石道床結構，線間距為3.6 m，路基段寬11 m。基坑邊與13號線路基邊線凈距為4.3～5.5 m。

圖2 區間與G7高速和地鐵13號線路基剖面關系

1.2 工程地質條件

本區間穿越的地層從上到下為人工填土①，粉質黏土②1，細、中砂③3，粉質黏土④，卵石⑤層(物理力學參數見表1)。場地范圍內地下水位較低，明挖區間結構底板位于地下水位以上，無需降水，結構施工時如遇上層滯水可采用明排措施。

表1 工程地質參數

2 基坑支護形式及變形分析

圍護結構采用鉆孔灌注樁+鋼支撐的支護形式。根據基坑規模、周邊環境條件及相關規范及設計要求，區間明挖基坑變形控制等級為一級[2]，基坑變形控制標準為：地面最大沉降量≤0.15%H(H為基坑深度)；圍護結構最大水平位移≤0.2%H，且≤30 mm。初步決定采用φ1 000@1 500 mm鉆孔灌注樁作為圍護結構，樁間采用100 mm厚網噴混凝土，樁頂設冠梁。鋼支撐直徑為609 mm，壁厚16 mm。

2.1 二維基坑變形計算

(1)U形槽段

根據以往工程經驗，U形槽底板埋深較淺處可采取懸臂圍護結構形式，不設置第一道鋼支撐。當埋置深度小于3.5 m時，在不設置第一道支撐的情況下，基坑周邊地表沉降最大值為9 mm，滿足基坑變形控制要求。

明挖基坑臨近既有地鐵13號線，風險等級為特級，故U形槽段圍護結構暫不取消第一道支撐。U形槽最深處圍護結構變形計算結果如圖3所示，地表最大沉降為8 mm，圍護結構最大水平位移為6.5 mm，滿足基坑變形控制要求。

(2)框架段

豎向設置兩道鋼支撐，埋深最大處圍護結構計算結果如圖4所示，地表最大沉降為17 mm，圍護結構最大水平位移為13.5 mm，滿足基坑變形控制要求。

2.2 變形分析及工程技術措施

區間鄰近G7高速一側需要采取填土反壓的措施，該側圍護樁高出鄰近13號線一側平均高度約3.5 m，故第一道支撐以上3.5 m范圍內，鄰近G7高速公路一側的圍護樁為懸臂形式，計算所得地表沉降及圍護結構位移均較大。為了減小這一影響，擬將圍護樁間距由1.5 m調整為1.2 m，計算所得地表最大沉降為15 mm，圍護結構最大水平位移為12 mm。

圖3 U形槽最深處圍護結構計算結果

圖4 框架段最深處圍護結構計算結果

3 數值模擬分析

為了更好地分析明挖區間施工過程對鄰近G7高速及既有地鐵13號線路基的影響，可借助有限元計算軟件模擬基坑開挖及主體結構施工的全過程。

3.1 計算模型

采用MIDAS/GTS仿真分析軟件進行三維模擬分析。計算模型左右水平計算跨度取基坑深度的3倍，豎向計算范圍取地表面至埋深為3倍隧道高[3]。隧道圍巖本構模型采用修正摩爾-庫倫模型，以考慮圍巖的非線性變形(見圖5)。

圖5 有限元計算模型

采用明挖法開挖，每步開挖后及時進行支護，施工計算步驟嚴格按照隧道施工順序進行，支撐的安裝和拆除順序與支護結構工況相符合[4]。首先計算原始地應力，巖土體的開挖在前一計算步驟所得地應力分布的基礎上進行。首先按照圍護樁間距為1.5 m并且不采取任何風險處理措施進行計算。

3.2 計算結果及分析

區間隧道開挖前，土體在受到上部荷載及自重的情況下，受力狀態已趨于穩定，隧道開挖后，土體會產生應力重分布。隨著開挖的進行，基坑周邊的土體應力得到釋放[5]，進而產生相應的變形。鄰近G7高速公路及地鐵13號線路基段下方的土體受到擾動后，不可避免地會對既有路基產生影響。

模擬計算中，首先要考慮明挖區間施工導致既有路基段產生的變形大小和分布形式，進而驗算既有線結構的變形容許值。相關研究表明，國內外既有地鐵工程的變形控制標準多為±(5～10) mm[6]，結合相關運營要求，暫定變形控制標準為±5 mm。

(1)G7高速路基段位移

通過模擬計算可得，G7高速路基段路面豎向位移隨著基坑開挖進程逐漸增大，最終路基面位移最大值為9.7 mm。填土范圍內位移最大值為12.6 mm，發生在區間基坑最深處所對應的位置，此處也為基坑距離G7高速最近處(見圖6)。從基坑中部開始，路基出現隆起現象，原因可能為該范圍內基坑距離路基過近，基坑底部土體應力釋放導致基坑底部及其側壁土體產生隆起，進而使得鄰近路基部分土體向上收斂[5]。

圖6 采取措施前G7高速路基豎向位移

(2)地鐵13號線路基段位移

通過模擬計算可知，在整個施工過程中，13號線路基段豎向位移隨基坑開挖逐漸增大，最大值為13.4 mm，發生在區間基坑距離13號線最近處的路基面，對應區間框架段與U形槽段的交界位置處(見圖7)。

圖7 采取措施前地鐵13號線路基豎向位移

3.3 工程技術措施

若采用現有的設計方案，區間兩側既有路基段變形均較大，新線施工會對G7高速公路及地鐵13號線的安全運營造成較大影響，必須采取合理的風險控制措施來減小這些影響。

(1)增大圍護結構剛度[8]。將圍護樁密排至間距1.2 m；于鄰近地鐵13號線一側圍護樁間打設直徑為800 mm的高壓旋噴樁，與圍護樁互相咬合。

(2)及時布設測點并加密監測頻率，根據監測結果及時調整施工參數[9]。

(3)在地鐵13號線路基段下方預埋注漿袖閥管，必要時進行注漿以控制沉降。

(4)施工時隔倉開挖，避免大范圍土體連續卸載。

3.4 采取措施后計算結果

(1)G7高速路基段位移

計算結果表明，采取工程技術措施后，明挖區間施工所引起的G7高速路基路面位移最大值降低至5.0 mm(見圖8)，滿足相關規范控制值及運營單位的要求[9]。

圖8 采取措施后G7高速路基豎向位移

(2)地鐵13號線路基段位移

圖9 采取措施后地鐵13號線路基豎向位移

計算結果表明，采取工程技術措施后，明挖區間施工所引起的地鐵13號線路基段豎向位移降低至3.6 mm(見圖9)，滿足相關規范控制值及運營單位的要求[9]。

除了采取上述控制措施外，施工時應密切注意位移最大值發生處的施工過程，根據現場監測結果，必要時可采用深孔注漿，加固其周邊土體[15]。

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