緊鄰既有地鐵高架橋梁深基坑施工開挖方案研究

唐鵬

(中國鐵路設計集團有限公司 華南公司,廣東 深圳 518052)

隨著城市地下空間資源的大量開發利用,建設工程逐步向深基坑、大規模、復雜化趨勢發展。復雜環境下深大基坑工程施工中,鄰近深大基坑工程的周邊建(構)筑物安全是一個研究熱點,深大基坑自身變形控制、地層預加固措施等是重要研究方向,選用新型機械設備、優化支護體系是控制基坑及周邊地層變形的重要手段。該文采用MIDAS/GTS有限元軟件,針對深圳地鐵大運樞紐站基坑工程建立三維數值模型,分析比較整體開挖和分部開挖工況下深大基坑施工對既有高架橋梁結構變形的影響,并選用合理可靠的機械設備及支護體系提高施工質量,減小對既有橋梁結構變形的影響。

1 工程概況

深圳市大運城市綜合交通樞紐地處龍崗區大運新城片區,車站位于龍崗大道與龍飛大道交叉口西南側,沿龍崗大道西側呈南北向布置。該站為14、16號線同臺同向換乘、地下3層雙島四線車站,全長372 m；車站基坑標準段寬62.1 m,深25.5 m；基坑東側緊鄰既有地鐵3號線高架車站及區間承臺樁基,車站主體結構外輪廓與承臺樁基水平凈距為3.6～5.6 m。為完善大運新城片區路網結構,縫合城市空間,優化龍崗大道兩側慢行系統,將大運樞紐片區范圍內的龍崗大道下沉,以分離過境交通。龍崗大道下沉隧道為單向三車道,寬15 m,內部凈高5 m；西側下沉隧道與14、16號線車站平面共通道,位于車站負二層標高,該部分下沉隧道與車站主體結構合建,剩余部分獨立建設(見圖1、圖2)。

圖1 大運樞紐站、西側下沉隧道與高架橋梁橫剖面(單位：m)

圖2 大運樞紐站與龍崗大道下沉工程平面布置(單位：m)

受車站周邊建(構)筑物征拆制約,車站僅小里程盾構始發段(67 m)可先期施工。為預留后期龍崗大道下沉道路實施條件,車站需同期施作75 m長龍崗大道下沉隧道(近車站端),確保后建工程施工期間對14號線荷坳—大運高架區間結構的干擾在可控范圍內,滿足工程安全性要求(見圖3)。

圖3 基坑工程平面示意圖(單位：m)

車站小里程端基坑地層條件較差,從上至下依次為素填土、粉質黏土、粉細砂層(厚4.0～6.0 m),基底為粉質黏土或全～強風化砂巖。既有3號線荷坳—大運高架區間承臺樁基為端承摩擦樁,樁徑1.5或1.2 m,樁長32.8～45.0 m,地層從上到下依次為素填土、粉質黏土、全～強風化泥質砂巖。

綜合考慮明挖基坑規模、周邊環境、地質及水文條件、施工安全、投資、工期等因素,明挖基坑東側圍護結構采用直徑1.5 m、間距1.15 m全葷咬合樁,基坑南側、西側圍護結構采用直徑1.2 m、間距0.9 m葷素咬合樁,北側圍護結構采用直徑1.2 m、間距1.5 m鉆孔灌注樁,樁間采用直徑0.8 m、間距1.5 m旋噴樁止水；樁長32.5～34.5 m,嵌入底板以下7.0～9.0 m。

2 基坑開挖工況

大運樞紐站小里程端與16號線折返線區間、14號線坳背—大運區間、龍崗大道下沉隧道相接,結合線路中心間距、埋深及周邊環境等因素,16號線折返線區間采用明挖法施工,14號線坳背—大運區間采用盾構法施工,同期建設的龍崗大道下沉隧道采用明挖法施工。按照軌道交通14號線全線工籌安排,大運樞紐站為坳背—大運區間盾構始發站,提供盾構雙始發條件,故車站小里程端基坑與龍崗大道下沉隧道同期建設段明挖基坑同步實施。根據《地鐵運營安全保護區和建設規劃控制區工程管理辦法》中運營安全保護區和建設規劃控制區范圍,大運樞紐站主體基坑位于既有地鐵3號線及兩側高架區間安全保護范圍,基坑開挖的重點和難點是控制變形。選取以下兩種基坑開挖工況,分析基坑開挖過程中圍護結構、既有高架橋梁的變形特性：

(1)整體開挖工況。車站小里程端盾構始發段(負三層)與16號線折返線區間(負三層)、龍崗大道下沉隧道同期建設段(負二層)并為一個基坑進行整體施工。車站基坑豎向設置4道鋼筋砼桁架支撐,支撐水平間距6.0 m,車站基坑中間設置3根臨時鋼立柱；區間基坑豎向設置2道鋼筋砼桁架支撐,折返線區間局部增設第3道鋼支撐,砼支撐水平間距6.0 m,鋼支撐水平間距3.0 m,區間基坑中間設置2根臨時鋼立柱(見圖4)。

圖4 基坑整體開挖范圍示意圖

(2)分部開挖工況。車站小里程端盾構始發段(負三層)與龍崗大道下沉隧道同期建設段(負二層)并為一個基坑進行整體施工,隨后施作16號線折返線區間(負三層)。車站基坑豎向設置4道鋼筋砼桁架支撐,支撐水平間距6.0 m,車站基坑中間設置3根臨時鋼立柱；下沉隧道基坑豎向設置2道鋼筋砼桁架支撐,砼支撐水平間距6.0 m；折返線區間基坑豎向設置2道鋼筋砼桁架支撐＋1道鋼支撐,砼支撐水平間距6.0 m,鋼支撐水平間距3.0 m(見圖5)。

圖5 基坑分部開挖范圍示意圖

3 有限元數值分析

對車站盾構始發段、下沉隧道、折返線區間基坑采用MIDAS GTS有限元軟件建立三維模型,對兩種開挖工況下基坑圍護結構及高架橋梁結構變形進行分析。

3.1 有限元數值模型

基坑全長142 m,形狀異形,基坑四周圍護結構剛度不一致,需按照整體空間問題進行考慮。為考慮三維空間中結構和土體之間的相互作用,基坑橫向、縱向均取2.5倍基坑深度,模型寬度取400 m,長度取850 m,深度取80 m(見圖6)。土層本構采用修正摩爾－庫倫模型,結構采用彈性模型,模型側面施加法向約束,底部設置為固結。

圖6 基坑施工數值分析計算本構模型

模型中土體采用實體單元；圍護結構咬合樁等效成墻厚,采用板單元模擬；橋樁、墩柱、軌道結構及基坑支撐、冠梁、腰梁采用梁單元模擬；橋梁承臺結構采用實體單元模擬。支護體系及橋梁結構有限元模擬見圖7。

圖7 基坑與高架橋梁數值分析計算本構模型

3.2 模型地質參數

根據中國鐵路設計集團有限公司發布的《深圳市城市軌道交通14號線工程詳細勘察階段巖土工程勘察報告》提供的巖土體及結構物理力學指標建議值,結合工程實際情況并進行其他工程類比,對計算中涉及的巖土體與結構物理力學參數進行取值(見表1、表2)。

表1 巖土體物理力學參數

表2 支護結構物理力學參數

4 計算結果分析

4.1 基坑周邊土層位移

如圖8所示,整體開挖、分部開挖工況下,近高架橋梁側土層最大沉降分別為5.54、7.44 mm。土層沉降最大值均出現在高架橋梁承臺四周,呈口字形分布。由于分部開挖對土層的二次擾動,土層位移在疊加效應作用下普遍較大。但兩種工況下土層沉降值均在變形控制范圍內。

4.2 基坑圍護結構變形

如圖9所示,整體開挖、分部開挖工況下,近高架橋梁側圍護結構最大水平位移分別為5.76、7.04 mm。圍護結構最大變形出現在第三道支撐(0.5H～0.7H)上下,圍護結構變形整體呈現“中凸”趨勢。兩種工況下圍護結構變形均較小,在《深圳市基坑支護技術規范》允許范圍內。

圖8 基坑施工引起的地層沉降位移云圖(單位：m)

圖9 基坑施工引起的圍護結構水平位移云圖(單位：m)

4.3 高架橋梁樁基及軌面變形

如圖10～12所示,整體開挖工況下,高架橋梁承臺最大沉降為3.5 mm、最大水平位移為1.5 mm,樁基最大沉降為4.3 mm、最大水平位移為3.2 mm,3號線軌面最大沉降為1.3 mm；分部開挖工況下,高架橋梁承臺最大沉降為4.3 mm、最大水平位移為2.8 mm,樁基最大沉降為5.8 mm、最大水平位移為4.1 mm,3號線軌面最大沉降為2.3 mm。根據《地鐵運營安全保護區和建設規劃控制區工程管理辦法》中地鐵設施安全控制指標要求,橋面、橋墩結構水平、豎向位移控制值為5 mm,縱向每10 m軌道高低、軌向變形控制值為4 mm,兩種開挖工況下既有結構變形均在規范允許范圍內。但分部開挖工況下結構變形較大,不利于既有3號線運營安全。

圖10 基坑施工引起的橋梁承臺及樁基豎向位移云圖(單位：m)

圖11 基坑施工引起的橋梁承臺及樁基水平位移云圖(單位：m)

圖12 基坑施工引起的橋梁軌道豎向位移云圖(單位：m)

兩種開挖工況下基坑周邊土層、圍護結構及既有結構變形見表3。

表3 基坑兩種開挖工況優缺點對比

綜合考慮場地條件、道路交通疏解、管線遷改、工程投資等因素,基坑整體開挖工況更合理,有利于既有地鐵線路的運營安全。

5 主要控制措施

(1)施工設備選型。根據深圳地鐵安全運營相關辦法和規定,鄰近地鐵線路的工程項目,施工設備起降高度均不能高于橋面,以免影響列車行車視線造成緊急停車,引發乘客及行車安全；同時既有高架橋梁基礎為端承摩擦樁,對地層較敏感。為減小近高架橋梁側圍護結構成樁對周邊地層的擾動,并滿足低凈空成樁場地條件,選用施工噪音小、無震動、安全性高、垂直度易保證、施工工效高的全套管全回旋鉆機,其高度僅2.8 m。

(2)加強支護設計。深大基坑開挖引起的自身變形是工程控制重點和難點。為控制基坑開挖過程中周邊土層變形,近高架橋梁側圍護結構采用直徑1.5 m、間距1.15 m全葷咬合樁(硬咬合),基坑內支撐均采用砼支撐,提高圍護結構及支護體系的剛度。

(3)預處理及信息化施工。1)在既有高架橋梁承臺四周埋設袖筏管,對承臺周邊土體進行擠密注漿,水泥漿壓力控制在H/(100 MPa)；預留袖閥管進行跟蹤補償注漿,水泥漿壓力控制在(1～4)H/(100 MPa)。2)進行信息化施工,加強施工期間主體基坑支護結構及周邊環境的施工監測,同時在既有地鐵3號線結構上布置沉降、位移及傾斜監測點對軌面、軌距進行監測(見圖13、圖14)。

圖13 既有高架橋梁自動化監測點布置(高架車站)

圖14 既有高架橋梁自動化監測點布置(高架區間)

6 結語

鄰近地鐵線路的基坑工程施工的重點和難點在于控制基坑圍護結構施工及開挖過程中的變形。在地鐵保護范圍內的相鄰基坑工程,二次開挖擾動引起的累積疊加變形大于整體開挖變形,不利于既有高架橋梁的運營安全。可在既有高架橋梁下方采用全套管全回旋工藝施工圍護樁,滿足低凈空場地條件,同時應用全套管設備降低對周邊地層的擾動。