基坑開挖對臨近市域鐵路高架橋影響的有限元分析

陳聰，王增吉

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津300308）

1 市域鐵路建設概述

市域鐵路是一種介于城際鐵路與城市軌道交通之間的新型快捷的軌道交通系統，主要服務于中心城區與郊區或中心城區與衛星城，承擔以大城市通勤客流和衛星城與大城市中心間的以購物、旅游、休閑為主的短途旅客運輸。2017 年6 月，中華人民共和國國家發展和改革委員會等五部委聯合印發《關于促進市域（郊）鐵路發展的指導意見》（發改基礎〔2017〕1173 號），力推市域鐵路有序發展，提出至2020 年京津冀、長江三角洲、珠江三角洲等經濟發達地區的超大、特大城市以及具備條件的大城市，市域（郊）鐵路骨干線路基本形成，構建核心區至周邊主要區域的一小時通勤圈；其余城市群和城鎮化地區具備條件的城市啟動市域（郊）鐵路規劃建設工作。

隨著市域鐵路建設的蓬勃發展，臨近市域鐵路周邊地塊相繼開發建設。本文通過對實際案例工程的三維有限元分析，提出有效措施來控制基坑開挖對既有市域鐵路高架橋結構的影響，為其他類似工程提供借鑒和參考。

2 工程概況

2.1 市域鐵路S1 線概況

溫州市域鐵路S1 線一期工程西起甌海區潘橋鎮，向北經沿海鐵路溫州南站后，折向東上跨沿海鐵路至溫州西站，沿既有金溫鐵路廊道至溫州東站，折向南沿龍灣區南洋大道、前房路經奧體中心至永強機場，出機場后向北跨越甌江南口至靈昆半島，線路全長53.507 km，于2019 年9 月28 日全線正式貫通運營。溫州浙南科技城瑤溪北單元11-E-01 地塊與S1 線高架橋49～55 號墩并行，S1 線高架橋49～55 號墩樁基均按摩擦樁設計。

2.2 基坑開挖工程概況

溫州浙南科技城瑤溪北單元11-E-01 地塊位于溫州市龍灣區瑤溪街道朱宅村，西側為南洋大道及市域鐵路S1 線，東側為王尖路（規劃路），南側為直垟河，北側為龍瑤大道。

本工程主要由14 幢25～30F 住宅樓、1 幢2 層配套用房組成。全場設有2 層地下室，高層建筑擬采用框架—剪力墻結構，配套用房采用框架結構，均采用樁基礎。地塊西側為S1 線高架橋，對應并行段高架橋墩標號為49～55 號橋墩，新建項目基坑東西向長度約360 m，南北向長度約136～181 m，面積約55 230 m2，地下室（-2F）基坑開挖深度約9.15～11.25 m，基坑西側緊臨S1 線區域基坑開挖深度9.75 m，臨S1 線側基坑寬度約136 m，基坑開挖邊緣距離S1 線高架橋（承臺）最近距離約27.6 m。

西側靠近S1 線高架區域劃分為1#、2#、3#共3 個小基坑施工，剩余部分為東側大基坑。所有圍護樁、地基加固及第一道混凝土支撐同期施工，先開挖東側大基坑，待大基坑地下室封頂再開挖1#、3#基坑，待1#、3#基坑地下室封頂再開挖2#基坑，最終完成所有地下室結構。

根據11-E-01 地塊基坑設計文件，本基坑臨S1 線側支護結構安全等級為一級（其余為二級）。西側緊鄰市域鐵路S1 線區域1#、2#、3#小基坑開挖深度9.75 m，圍護結構采用“鉆孔灌注樁+兩道內支撐”的支護方案，鉆孔灌注樁樁徑1 000 mm、間距1 200 mm，嵌入基坑底以下28～30 m，樁間內外側采用旋噴樁嵌縫，止水帷幕采用單排φ650 mm@450 mm 三軸水泥攪拌樁，嵌入基坑底以下7.3 m，基坑豎向設置2 道混凝土支撐。1#、2#、3#小基坑坑內被動區采用三軸攪拌樁進行坑底裙邊加固，裙邊寬度6.7 m，深度10 m。先施工被動區加固，再施工三軸攪拌樁止水帷幕，最后施工鉆孔樁圍護。

3 基坑開挖對S1 線高架橋結構影響的三維有限元分析

3.1 數值分析模型及工況

有限元分析實現的載體是經過技術集成的有限元軟件，本工程主要采用MIDAS GTS NX 有限元軟件進行三維計算分析[1]。

土層簡化為水平層狀分布的彈塑性材料，本構模型采用修正莫爾-庫侖彈塑性模型。土體、橋承臺、地基加固區采用三維實體單元模擬，基坑支撐、鉆孔樁、鉆孔灌注樁圍護結構均采用1D、2D 結構單元模擬。在基坑開挖過程中，S1 線高架橋與地塊基坑開挖隨施工進度逐漸演化，故通過有限元工況模擬這一漸變的過程。根據實際施工順序，模型基坑按照東側大基坑開挖及結構回筑、1#和3#基坑開挖及結構回筑、2#基坑開挖及結構回筑的施工步驟進行模擬。基坑三維模型圖見圖1。

圖1 基坑三維模型圖

3.2 計算結果統計及分析

本項目主要統計地塊基坑施工引起的S1 線高架橋結構的位移及沉降。計算結果見表1。

表1 計算結果表

根據各工況的計算結果，方便找出既有結構的變形趨勢，制作各施工工況下引起的既有結構變形的位移曲線，見圖2。

圖2 各工況下S1 線橋墩X 向累計水平位移變化時程圖

根據分析結果可知：

1）東側大基坑開挖時對S1 線橋墩的水平變形影響最大，其中東側大基坑開挖到基底期間，S1 線發生的階段水平位移最大（53 號橋墩最大為3.1 mm），約占全過程的77%。

2）地下室結構施工完畢后，52 號橋墩出現最大水平位移，最大水平位移為4.3 mm，滿足水平位移控制值5 mm 的要求；墩頂、底水平位移差最大0.1 mm，橋墩水平傾斜率0.01‰（墩高取9 m），滿足橋墩水平傾斜率4.3‰的要求。由此可知，地塊基坑開挖對S1 線高架橋的影響滿足市域鐵路S1 線高架橋的變形控制標準，S1 線高架橋的變形安全可控。

通過分析有限元計算結果，與目前其他實際工程監測情況比較分析得知：隨著項目建設開挖，對周邊既有結構的位移影響逐漸加大。開挖至基底時既有結構的結構變形到達峰值。

4 結語

綜上所述，本文針對該次研究得出以下結論與建議：

1）既有S1 線高架橋結構在地塊基坑施工過程中產生了一定的隆起及水平位移，但各項變形指標數值均在變形控制標準之內，符合相應的安全標準，結構安全，項目可行。

2）考慮到地塊工程基坑的開挖深度、周邊環境及地質條件，結合類似的工程經驗，靠近市域鐵路S1 線基坑設計遵循“化整為零、先遠后近”的保護設計原則，將整個大基坑劃分成1 個東側大基坑和臨近S1 線高架橋的3 個小基坑（1#、2#、3#基坑）。東側大基坑開挖前完成3 個小基坑的圍護樁、止水帷幕、坑內加固且達到設計強度，隔離效果和空間效應明顯。

3）基坑施工期間，施工機械、材料堆放、出土方向應避開S1 線側，并保持一定的安全距離，及時清理運走攪拌樁加固置換出來的土體，盡量減少S1 線側的施工附加荷載。

4）基坑應分層、分段、對稱、限時開挖，遵循“先撐后挖、限時支撐、分層開挖、嚴禁超挖”的原則，盡量縮短基坑無支撐暴露時間，減小暴露空間。分段開挖土方，每段開挖中又分層、分小段，并限時完成每小段的開挖和支撐。每小段每層挖土及鋼筋混凝土支撐的完成時間不得超過48 h。

5）項目實施過程中需進行同步監測，并根據監測結果采取相應措施以確保運營高架線路的結構安全及運營安全。