軟土地區基坑施工對鄰近地鐵高架結構的影響分析

許 冠，安 然，成怡沖，吳才德，王潔棟

（浙江華展工程研究設計院有限公司，浙江 寧波 315012）

0 引言

隨著我國地下空間開發及城市軌道交通建設蓬勃發展，鄰近軌道交通結構的基坑工程越來越多。軌道交通結構作為城市的生命線，由于其對土體變形十分敏感，因此基坑施工對鄰近軌道交通結構的影響逐步引起重視，控制鄰近地鐵結構位移在合理范圍內是基坑圍護設計的重大難題。

學者對于基坑開挖對鄰近地鐵隧道影響的研究方法有解析法、半解析法及數值分析法等，由于邊界條件、土體力學性質的復雜性，多采用數值分析法，目前對地鐵隧道的研究已較深入。隨著城市軌道交通向市郊不斷擴展，地鐵高架結構也越來越多，但基坑開挖對地鐵高架結構的研究相對較少。

本文基于軟土地區緊鄰地鐵高架結構的某基坑工程，利用有限元軟件Midas/NX建立三維有限元數值模型，模擬基坑開挖對鄰近地鐵高架結構的影響，以評價基坑支護設計的合理性及地鐵高架結構保護措施的有效性，并可為類似工程提供參考。

1 工程概況

寧波某下穿鐵路通道工程起點位于五鄉西街，終點位于規劃一路。因自北向南下穿寧波港口鐵路支線及軌道交通1號線，在K0+195—K0+345段設鐵路框架和U形槽。U形槽寬17.5m，基坑開挖深度4.1～6.1m。U形槽南側位置為現狀河道，擬在南側先進行箱涵開挖施工，箱涵施工完畢后河流改道，再回填現狀河道。箱涵開挖面積478m2，基坑開挖深度為4.15m，箱涵基坑采用Ⅳ拉森鋼板樁+型鋼支撐的支護形式。

U形槽下穿寧波軌道交通1號線高架區間，該段高架區間為單柱下6樁承臺基礎，承臺高2.5m，截面尺寸為1.15m×7.00m，樁基為1.5m鉆孔灌注樁，樁長60m。U形槽結構外邊線距離東側承臺為1.4～3.7m，距離西側承臺為2.0～3.9m。高架區間柱截面尺寸為2.8m×3.2m和3.0m×3.8m，區間梁為預應力混凝土簡支雙線箱梁，厚2m，截面寬度9.2m，跨度35m。

該段高架區間已通車運營，高架區間的變形關系到公共安全，因此該高架區間為本工程基坑施工階段重點保護的對象。為控制高架區間變形，基坑圍護結構采取以下加固措施。

1）U形槽基坑支護形式采用鉆孔灌注樁結合1道混凝土支撐的形式，基坑平面支護體系采用對撐結合小角撐。

4）U形槽底采用水泥攪拌樁作為地基處理樁基，水泥攪拌樁樁徑為500mm，樁頂標高為U形槽底板底標高，樁長10m，梅花形布置。U形槽段總平面如圖1所示。

圖1 U形槽段總平面

2 有限元模型

2.1 基本假定

借助Midas/NX有限元計算程序，對基坑開挖各施工工況進行模擬，以分析支護結構與土體在各工況下的變形情況。計算中進行如下假定：土層及圍護體為連續、均質、各向同性材料；土體為彈塑性材料，采用HS模型模擬；支護結構及隧道襯砌均為線彈性材料；初始應力僅考慮土體自重，忽略構造應力。

2.2 建立模型

根據已有經驗及相關研究成果，基坑分析范圍邊線距離基坑邊的距離為3H～5H（H為基坑開挖深度）。在上述前提下，結合本項目基坑周邊環境情況，確定三維數值模擬分析的對象尺寸。模型底邊界約束水平和豎直方向位移，左右側邊約束水平位移，頂部邊界自由。有限元模型如圖2所示，土層和支護結構參數如表1，2所示。

圖2 基坑支護結構和軌道交通結構模型

表1 土層計算參數

表2 支護結構參數

2.3 模擬步驟

模擬步驟根據設計要求設置，步驟如下：初始應力場計算→形成河道（位移清零）→高架樁基礎及高架結構施工（位移清零）→鐵路框架施工（位移清零）→圍護樁施工（位移清零）→箱涵第1次開挖→箱涵第2次開挖→箱涵拆除支撐→箱涵頂板施工→河道回填→U形槽第1次開挖→U形槽第2次開挖→U形槽拆除支撐→初始應力場計算→形成河道→高架樁基礎及高架結構施工→鐵路框架施工。

3 模擬分析結果

3.1 高架樁基礎位移

各工況下高架樁基礎位移變化趨勢如圖3所示。箱涵開挖期間，高架樁基產生整體向西側和南側的水平位移，東西向水平位移最大值為0.6mm，南北向為1.7mm；豎向位移以沉降為主，最大豎向位移為-1.7mm。

圖3 高架樁基礎位移最大值變化趨勢

河道回填期間，西側樁基東西向水平位移仍表現為向西側位移，但東側樁基表現為向東側位移；南北向水平位移在樁頂和承臺表現為向南側位移，但樁基中部表現為向北側位移，即樁頂和樁身位移反向；豎向位移以沉降為主，最大豎向位移為-1.7mm。

U形槽開挖期間，樁基表現為向基坑開挖方向位移，水平位移以東西向為主。東西向水平位移有較大增長，而南北向水平位移略有下降。樁基豎向位移在靠近基坑位置表現為隆起，隆起最大值為1.9mm；在遠離基坑位置表現為沉降。

受基坑開挖及河道回填影響，高架樁基產生向西、向南側的水平位移，東西向最大水平位移為3.4mm，南北向最大水平位移為3.0mm，分別發生在U形槽基坑開挖和河道回填期間。最大沉降為1.7mm，發生在箱涵基坑開挖期間；最大隆起為1.4mm，發生在U形槽基坑開挖期間。

3.2 高架結構位移

各工況下高架樁基礎位移變化趨勢如圖4所示。箱涵開挖期間，高架結構產生整體向西側和南側的水平位移，東西向水平位移最大值為0.4mm，南北向為1.1mm；豎向位移以沉降為主，最大豎向位移為-0.2mm。

圖4 高架結構位移最大值變化趨勢

河道回填期間，高架結構仍表現為整體向西側和南側的水平位移，東西向水平位移最大值為0.8mm，南北向為3.6mm；豎向位移以沉降為主，最大豎向位移為-1.2mm。河道回填期間，高架結構無論是水平位移還是豎向位移仍產生了較大幅度的增長。

U形槽開挖期間，西側高架結構柱下部表現為向東側的位移，但其他部位結構整體仍表現為向西側和南側的水平位移，東西向水平位移最大值為1.4mm，南北向為3.8mm。結構豎向位移在靠近基坑位置表現為隆起，隆起最大值為1.1mm；在遠離基坑位置表現為沉降。

受基坑開挖及河道回填影響，高架結構產生向西、向南側的水平位移，東西向最大水平位移為1.4，南北向最大水平位移為3.8mm，均發生在U形槽基坑開挖期間。最大沉降為1.2mm，發生在河道回填期間；最大隆起為1.1mm，發生在U形槽基坑開挖期間。

高架結構最大水平及豎向位移均小于DB33/T 1139—2017《城市軌道交通結構安全保護技術規程》控制值。相鄰柱基最大沉降差發生在河道回填期間，東側兩側相鄰柱基沉降差為3.1mm，西側兩個相鄰柱基沉降差為1.9mm，均小于DB33/T 1139—2017控制值0.001L，即小于35mm。

4 結語

結合軟土地區某鄰近地鐵高架結構的基坑工程，采用有限元方法評估基坑開挖對鄰近地鐵高架結構的影響。結果表明，隨著基坑開挖的進行，地鐵高架樁基礎及高架結構水平位移逐漸增大，由于U形槽基坑距離高架結構很近，最終高架結構豎向位移表現為輕微隆起；通過適當增大支護樁樁徑、增加支護樁樁長，可有效減小基坑施工對鄰近高架結構的影響，最終地鐵高架結構變形被控制在合理范圍。