大型基坑施工對軌道交通結構影響分析

張兵兵 盧偉曉

（濟南軌道交通集團有限公司，山東濟南 250000）

隨著濟南軌道交通建設進入了快車道，城市核心區的地下空間開發項目越來越多，在軌道交通周邊進行大規模的基坑開挖在所難免[1-2]。目前濟南市鄰近軌道交通大型基坑可供參考項目較少，本文通過數值分析方法，重點研究了鄰近軌道交通基坑項目施工影響，為后期類似工程建設提供技術支撐。

1 工程概況

濟南市中央商務區南部能源中心項目（以下簡稱南部能源站）位于歷下區華陽路以東中央商務區東西向綠軸西端（1-31地塊地下），華陽路以東、縱二路以西、橫七路以北、新濼大街以南地塊。場地內目前現狀為空地，毗鄰在建的濟南市軌道交通CBD預留地下車站及地下區間工程。

南部能源站占地面積約5603m2，總建筑面積約13680.9m2。南部能源站項目的基坑總面積5603m2，基坑開挖深度為14.75~19.1m。西側鄰近待建的地鐵出入口結構（最近處圍護樁距地鐵結構水平凈距2.66m），圍護結構采用單排800mm直徑鉆孔灌注樁，樁間距1500mm，有效樁長19m，設置兩道混凝土內支撐，回筑階段利用負二層夾層板及樓板進行換撐；南側鄰近待建的地鐵附屬風亭結構（最近處圍護樁距地鐵結構水平凈距0.67m），圍護結構采用單排800mm直徑鉆孔灌注樁，樁間距1500mm，有效樁長19m，設置兩道混凝土內支撐，回筑階段利用負二層夾層板及樓板進行換撐；南側鄰近地鐵區間結構（最近處圍護樁距地鐵結構水平凈距3.66m），圍護結構采用單排800mm直徑鉆孔灌注樁，樁間距1500mm，有效樁長14m，混凝土面層+錨桿支護。

本工程基坑南側鄰近軌道交通車站—華陽路站及東側相鄰明挖區間，該站位于橫七路（規劃道路）與華陽路（規劃道路）十字路口，橫跨華陽路，沿橫七路東西向設置，為地下二層島式車站，主體結構主要采用地下兩層單柱雙跨（局部雙柱三跨或單跨）鋼筋混凝土箱型框架結構。站內凈總長度234m，標準段內凈寬度19.7m，東端頭井內凈平面尺寸為24×13m，接地下兩層明挖區間。車站有效站臺中心處規劃標高76.75m，規劃覆土厚度約4.6m。

圖1 建設項目與軌道交通平面關系

2 工程地質及水文概況

場地內第四系地層主要由人工堆積層、山前沖洪積成因的黃土、粘性土、碎石土組成，下伏基巖為奧陶系石灰巖、泥灰巖。

勘探期間未見第四系松散巖類孔隙水。根據附近工程進行的巖土工程勘察經驗，該區域豐水期內巖溶裂隙水水頭標高約37.41～38.30m，水井內得水頭標高為38.50m；枯水期巖溶裂隙水水頭標高31.52～32.11m，根據水文地質調查資料，場地巖溶裂隙水年變化幅度約10～15m，其常年水頭標高多在30～40m之間變化。

擬建場地地下水位升降所波及的深度主要位于石灰巖中，場地鉆孔揭示溶洞，填充物以粘土為主，充填物密實度較好。通過實地調查、走訪，場地至今沒有發現地面巖溶塌陷現象，也未發現史料這方面的記載。因此，擬建場地發生巖溶塌陷地質災害危險性小。

場地第四系土層以下局部分布泥灰巖風化帶，受節理裂隙和礦物成分的影響，風化程度和均勻性方面差異較大。風化巖具有一定的結構強度，在基礎施工時，應注意對風化泥灰巖原狀結構的保護，以防影響其地基強度。另外，泥灰巖具有遇水軟化的特點，在基礎施工時應避免受水浸泡，防止產生不良后果。

3 施工影響分析

3.1 總體分析控制

本工程基坑與地鐵項目工地接近，且與車站主體、附屬結構存在交叉施工。能源站外墻線距離華陽路站外墻線距離約6.2～8.5m，華陽路站基底標高約56.711～56.742m，能源站基底標高為52.900m。區間段為明挖結構，能源站外墻線距離華綢區間外墻線距離約7.6～8.6m，華綢區間基底標高約57.714m，能源站基底標高為52.900m。華陽路站附屬風井位于能源站與華陽路站之間，風井外墻線距離能源站外墻線約2.07m。為了減少基坑施工過程中對地鐵結構的影響，采取了以下專項保護措施：

（1）基坑西側、南側與鄰近地鐵附屬出入口及風亭結構區段：圍護結構型式為大直徑鉆孔灌注樁和混凝土內支撐，增強基坑自身剛度。

（2）南側與鄰近地鐵區間結構區段：圍護結構型式為抗側剛度好的鉆孔灌注樁，打設錨桿支護，上部土體部分挖除卸載，很好的控制了地鐵結構的變形。

（3）整個基坑分A、B區先后開挖，先開挖遠離地鐵主體側的土體（南北向60m范圍），后開挖鄰近地鐵主體側的土體（南北向30m范圍），降低了同一時間段內的基坑土體卸荷規模，有利于降低基坑施工對地鐵結構的影響。

3.2 數值分析

圍護設計方案考慮到該工程緊鄰地鐵車站，為減小基坑變形對地鐵結構的影響，基坑采用分區分期施工、選用較強的圍護結構及內支撐型式，同時加強了鄰近地鐵側的止水措施。

數值分析選用了MIDAS/GTSNX巖土軟件作為計算平臺，巖土參數根據勘察報告，并結合鄰近地塊的安全評估報告數據得來，第四系土層選用修正摩爾庫倫模型[4]，中風化巖選用彈性本構。數值模擬計算采用的基坑土參數表如表1所示。

采用等效剛度原則將地鐵車站采用實體單元建模，鉆孔灌注圍護樁及墻板結構等采用板單元建模，臨時立柱、樁基采用梁單元建模，并設置切向彈簧模擬板單元、線單元在網格節點位置發生剪切方向的摩擦交互作用[3]。三維建模原型中，土體建模x方向總長達到210m；土體建模y方向總長200m；土體建模z方向總長40m（基巖層）。

表1 巖土層計算參數

圖2 車站結構最大水平位移/mm

車站結構的最大水平位移（指向基坑內側）2.5mm，豎向位移＜1mm。模擬結果表明：基坑施工全過程對地鐵車站的影響能夠滿足軌道交通結構水平及豎向位移量控制要求[4]。

3.3 軌道交通保護措施

（1）合理安排出土時序，分塊分倉開挖，避免基坑底長時間的大面積暴露開挖施工；嚴禁采用爆破法開挖；挖土過程中嚴禁施工機械碰撞、沖抓、碾壓支護結構，土方開挖應遵循“對稱開挖、分層開挖、嚴禁超挖”的原則[5-6]。

（2）地塊鄰近軌道交通結構基坑完成素土回填的，由于回填土較疏松、強度低、空隙大、承載力低，影響鉆孔樁成樁，容易塌孔，從而影響軌道交通結構及防水安全。應采取預先注漿措施將回填土注漿加固，然后再進行鉆孔樁施工，避免鉆孔樁施工對車站側墻及防水造成破壞。

（3）嚴禁采用錘擊樁，施工過程中應加強對地表沉降的監控量測，并對軌道交通結構變形進行實時監控，確保結構的安全[7]。

4 總結

本文采用三維有限元數值方法分析了鄰近軌道交通結構擬建大型基坑開挖的施工影響，獲取了各工況下的基坑自身和軌道交通結構的變形與內力。結果表明由于地層條件較好，并采用了較為合理的圍護設計及基坑開挖方案，基坑施工對軌道交通安全影響不大，不影響軌道交通的安全運營。本文研究成果為本地區鄰近軌道交通項目提供了參考，可供后期類似工程借鑒。