京張高鐵清河站深基坑支護結構設計

2020-01-09 06:27:32傅慧敏吳海洋昝海柱李喜慶

鐵道勘察 2020年1期

傅慧敏吳海洋昝海柱李喜慶王永

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055； 2.北京交通大學建筑勘察設計院有限公司，北京 100044；3.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

城市地下工程建設多穿越既有建筑、市政道路、管線等基礎設施非常完善的城市中心地帶，常遇到既有設施鄰近地下工程深基坑，成為地下工程建設的風險源。此時，地下工程建設會對既有設施的使用、安全造成影響。

京張高鐵清河站房工程地下為二層?；游鱾揉徑罔F13號線，影響13號線長度近800 m。因此，需要對基坑支護結構設計進行理論分析，論證其安全性，保證地鐵13號線的正常運營安全[3]。

張燕書[1]、吳鋒波[2]等對明挖地鐵深基坑的變形進行了深入研究；康志軍[3]就基坑支護結構最大側移深度對周邊環境的影響進行了探討；孫宏偉[4]、李偉強[5]、賈夫子[6]、孟曉偉[7]、信磊磊[8]、鄒淼[9]等對深基坑鄰近風險源的支護結構進行了數值模擬分析。以下借鑒以上學者的理論分析，對清河站房的深基坑設計進行研究。

1 清河站工程概況

京張高鐵清河站綜合交通樞紐工程位于北京市海淀區清河鎮，小營西路與G7京新高速交匯處東北角，西側緊鄰地鐵13號線西二旗站-上地站區間。樞紐由高鐵站房及配套工程、地鐵車站及換乘配套工程、市政配套工程組成。地下二層，地上二層(見圖1)。

圖1 清河站平面示意

基坑概況：寬60～140 m，長660 m，深8.30～21.70 m(鄰近13號線側最大深度為17.5 m)，總面積84 800 m2；基坑西側臨近地鐵13號線，影響13號線長度近800 m，基坑距離13號線路基段最近處僅5.6 m，距離高架段最近處僅7 m(見圖2)。

圖2 基坑平面

2 既有地鐵13號線概況

地鐵13號線是北京市的一條重要軌道交通線。清河站地下工程施工期間，13號線的運營不能受到影響。

高架段結構：高架橋上部結構由8聯(25 m+25 m+25 m)預應力鋼筋混凝土連續梁組成，對應墩號為0～24號，橋墩為雙墩，基礎為4樁承臺基礎；承臺頂入土深度為0.5～0.8 m，承臺下部為直徑1 m的鉆孔樁，樁長25～30 m。

路基段結構：擋土墻的高填方段采用了碎石道床結構，線路間距為3.6 m，路基段寬11 m，路基填方高約3.1 m。

3 鄰近13號線一側的基坑支護設計

3.1 工程地質及水文地質概況

(1)工程地質剖面

典型工程地質剖面見圖3。

圖3 地質剖面(高程單位：m)

(2)水文地質

勘探深度范圍內存在4個可含水層，分別為③細砂層、⑤砂礫層、⑦卵礫石層和⑨卵礫石層。③細砂層中可賦存層間水；⑤砂礫層具有穩定的地下水位，為潛水-承壓水，穩定地下水位埋深 23.0～27.3 m，⑦卵礫石層和⑨卵礫石層均賦存有層間承壓水。

3.2 基坑支護設計

采用明挖法施工，在基坑外布設單排φ600@350 mm的旋噴樁止水帷幕[10]。

(1)確定基坑設計標準

①基坑設計目標

按照現行標準[11]要求，地鐵區間結構與軌道變形控制指標為：豎向變形控制值3.0 mm，橫向變形控制值3.0 mm。

②安全等級

根據基坑深度、距離既有13號線的水平距離、13號線結構的破壞后果影響程度，將基坑分為不同的安全等級，鄰近13號線路基段的基坑安全等級為一級，鄰近13號線高架段的基坑安全等級為二級。

③支護結構水平變形控制值及地表的沉降變形控制值

根據規程[12]第3.1.7-4條確定：一級基坑為0.002h，二級基坑為0.004h；地面沉降量按≤30 mm控制；h為基坑開挖深度。

(2)基坑支護結構初步方案確定

采用平面設計經典計算方法進行試算，初步確定基坑支護結構方案(基坑支護結構典型剖面位置見圖2)。

鄰近路基段典型支護剖面(1-1剖面)見圖4。

圖4 路基段基坑支護結構(單位：mm；高程單位：m)

位置：基坑西南側鄰近13號線路基段，基坑與既有線路基水平距離為5.38～5.58 m，基坑雙排樁外皮至路基擋土墻外邊線最近距離約1.5 m，基坑深度為 17.2 m。

采用“雙排樁+預應力錨索”支護[14-15]，樁長30.4 m。打設5道預應力錨索，錨索長度為19.0～24.0 m。

支護結構變形計算結果：樁頂水平位移為19.2 mm≤0.002h，地面沉降為17 mm≤30 mm。

鄰近高架段典型基坑支護剖面(3-3剖面)見圖5。

位置：基坑與既有地鐵13號線高架段橋墩墩臺外邊線水平距離為6.42～21.30 m，基坑雙排樁外皮至高架段橋墩墩臺外邊線的最近距離約為3.4 m；基坑深度為8.3 m。

地鐵運營公司不允許錨索進入13號線橋墩承臺下，故采用了雙排樁[14-15]的支護方式，樁長14.5 m。

支護結構變形計算結果：樁頂水平位移為6.28 mm≤0.004h，地面沉降為8 mm≤30 mm。

圖5 高架段段基坑支護結構(單位：mm；高程單位：m)

3.3 數值模擬分析

建立“基坑支護結構—巖土—13號線結構”整體模型，對施工過程進行數值模擬分析，對初步設計方案進行評估，根據分析結果進行設計方案優化。

(1)計算模型的確定

①基本假定

僅考慮正常使用工況，不考慮地震、人防工況。

假定地鐵結構為線彈性材料。

假定新建基坑、既有地鐵結構及土體之間符合變形協調原則。

②計算模型材料參數

土層參數參考地勘資料選取，土層及結構參數見表1。

③計算軟件及模型建模

采用 ANSYS 軟件，模擬新建基坑施工過程對地鐵 13 號線上地站-西二旗站區間結構及軌道的安全性影響。

根據不同的材料采用不同的本構模型。對于混凝土材料，采用線彈性模型，對于各層土體，采用D-P模型。土層和既有地鐵結構均采用實體單元Solid45模擬。對于周圍土體，采用實體單元，不同的土層對應不同的材料。邊界條件：頂面取為自由邊界，四個側面為法向約束，底面每個方向均約束。

表1 材料參數

④模型計算范圍

模型范圍的確定：根據基坑工程鄰近13號線的相對位置關系及影響范圍，基坑鄰近路基段模型范圍為沿既有地鐵線路縱向140 m，橫向80 m，土層厚50 m?；余徑呒軜蚨文Ｐ头秶鸀檠丶扔械罔F線路縱向180 m，橫向80 m，土層厚50 m。

(2)模擬工序(模型一)

路基段基坑工序模型如圖6。

圖6 路基段基坑工序模型

第一階段：施作圍護樁，開挖4.3 m，設置第一道錨索；第二階段：開挖4 m，至第一級臺階，設置第二道錨索；第三階段：施作第二級臺階圍護樁，設置第三道錨索，開挖3.5 m：第四階段：開挖3 m，設置第四道錨索；第五階段：設置第五道錨索，開挖2.5 m至坑底；第六階段：混凝土攪拌樁加固施工，坑內樁基加載。

13號線路基結構的變形預測結果見表2。