基坑開挖對既有車站和區間的影響分析

莫暖嬌

廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510000

在地鐵和城際鐵路不斷發展的背景下，鄰近既有線的物業開發也迅速增加，周邊物業越是鄰近地鐵或城際鐵路，其商業價值越高。與此同時，越是鄰近既有線開挖基坑，其風險也越大。基坑與既有線之間的作用是相互的，一方面，既有線對列車路基的沉降要求很高，基坑開挖會引起既有線的沉降，需要采取合理的措施控制沉降；另一方面，鄰近既有線開挖基坑，既有線對基坑產生了附加荷載，需要合理加強基坑支護措施。王培鑫等[1]基于現場實測數據，得出在坡頂注雙液漿能夠控制地表與路基沉降，減少后續基坑開挖對鄰近路基的影響。高立剛等[2]研究了在既有線單側和雙側分別開挖對既有鐵路的變形影響，得出采用雙側開挖基坑的方式可有效減小既有路基的水平位移量。李梅芳等[3]研究深基坑開挖對鄰近既有線的動力響應，得出基坑開挖過程中水平動位移增長率大于豎向動位移增長率，但從絕對值而言，變形仍以豎向動位移為主。文章研究的主要內容為鄰近既有線一側進行基坑開挖，分析其對既有明挖車站和暗挖區間的影響，并采用三維數值模擬計算確定合理的支護體系和開挖工序，降低基坑開挖對鄰近既有線的影響且滿足規范要求。

1 工程概況

某項目開發地塊鄰近既有城際鐵路，其東南側為在建城際鐵路暗改明段，其余段為暗挖隧道。開發地塊基坑寬約90m、長約200m，基坑深約17m，距離既有隧道暗改明段水平距離約36m，圍護方式主要為灌注樁+預應力錨索的方式，部分區域加設支撐支護。既有鐵路明挖段局部采用明挖法施工，基坑長度為276m，平均寬度為25.8m，平均深度為25.7m，共三層主體結構，圍護結構采用φ1200@1400mm鉆孔灌注樁+內支撐。該段基坑外側采用雙排φ800@600mm旋噴樁止水。基坑與既有線的位置關系如圖1所示。

圖1 基坑總平面圖

2 數值模擬

2.1 模型建立

考慮到施工過程中的空間效應，計算模型取基坑工程與既有城際鐵路結構的有效影響范圍，此次數值計算中取長363m、寬251.83m，自地表73m厚的土體作為分析范圍，重點分析既有城際鐵路結構及區間受周邊基坑施工產生的位移及受力情況。

此次計算模型中周圍土體采用實體單元，不同的土層采用不同的材料模擬，進行邊界條件的選取時除了頂面取為自由邊界，其他面均取法向約束。角撐、剛構柱采用梁單元模擬，隧道結構、暗改明段結構均采用板單元模擬，對基坑工程、既有結構范圍及周邊重點分析的部位網格剖分加密。數值模型如圖2所示。

圖2 數值模型

2.2 參數選取

該站地質特點是淤泥質土層較厚，礫砂層具有微承壓性，其他土層均為相對不透水層。地層參數如表1所示，支護結構參數如表2所示。

表1 地層參數

表2 支護結構參數

2.3 施工工序

經驗算，1、2、3號通道同時開挖，既有線豎向位移達到10mm，不滿足要求。方案對開挖工序進行優化，1、3號通道先開挖到底，1、3號通道以外區域頂部降土2m，預留反壓土來控制基坑開挖對鄰近既有線變形的影響。在1、3號通道主體實施完畢后盡快回填部分反壓土區域，待地塊地下室施工完成后方可開挖反壓土，施工消防通道。

該工程既有主體及區間隧道土建施工已經建成，周邊基坑開挖工序如表3所示。

表3 計算模擬工序

2.4 結果分析

（1）基坑開挖對暗挖區間的影響。1、3號通道基坑施工對既有暗挖區間及地表產生了一定程度的附加位移，為直觀了解施工工序與附加位移的變化規律，統計出了不同施工階段下隧道結構最大位移結果，如表4所示。

表4 不同施工階段下隧道結構最大位移結果 單位：mm

隧道結構總位移最大值絕對值、豎向位移最大值絕對值、X方向位移最大值絕對值、Y方向位移最大值絕對值隨施工步序變化情況分別如圖3～圖6所示。

圖3 隧道結構總位移最大值絕對值隨施工步序變化曲線

圖4 隧道結構豎向位移最大值絕對值隨施工步序變化曲線

圖5 隧道結構X方向位移最大值絕對值隨施工步序變化曲線

圖6 隧道結構Y方向位移最大值絕對值隨施工步序變化曲線

由圖3～圖6得出，側墻開洞時位移變化速率較大，應加強開洞處的構造措施；隨著基坑開挖，總位移不斷增大，最大位移值為2.045mm；1、3號通道距離既有隧道較近，在開挖到基底時，隧道呈現上浮的狀態，最大上浮位移為0.384mm，隨著通道結構施工和覆土回填，又呈現沉降狀態，最大沉降值為0.890mm，豎向位移滿足我國鐵路路基動變形3.5mm的控制標準[4]。

為了反映區間隧道結構的位移及受力集中部位，提取出基坑施工后對既有城際隧道結構總位移云圖和豎向位移云圖，如圖7、圖8所示。

圖7 通道圍護結構施工后既有城際隧道結構總位移云圖

圖8 通道圍護結構施工后既有城際隧道結構豎向位移云圖

（2）基坑開挖對明挖結構的影響。1、3號通道基坑施工對既有明挖結構及地表產生了一定程度的附加位移，為直觀了解施工工序與附加位移的變化規律，統計出了不同施工階段下隧道結構最大位移結果，如表5所示。

表5 不同施工階段下明挖結構最大位移結果 單位：mm

明挖結構總位移最大值絕對值、豎向位移最大值絕對值、X方向位移最大值絕對值、Y方向位移最大值絕對值隨施工步序變化情況分別如圖9～圖12所示。

圖9 明挖結構總位移最大值絕對值隨施工步序變化曲線

圖10 明挖結構豎向位移最大值絕對值隨施工步序變化曲線

圖11 明挖結構X方向位移最大值絕對值隨施工步序變化曲線

圖12 明挖結構Y方向位移最大值絕對值隨施工步序變化曲線

由圖9～圖12得出，側墻開洞時位移變化速率較大，應加強開洞處的構造措施；隨著基坑開挖，總位移不斷增大，最大位移值為7.781mm；1、3號通道距離既有隧道較近，在開挖到基底時，隧道呈現上浮的狀態，最大上浮位移為1.973mm，隨著通道結構施工和覆土回填，又呈現沉降狀態，最大沉降值為2.129mm，豎向位移滿足我國鐵路路基動變形3.5mm的控制標準[4]。

3 對比分析

根據三維有限元分析計算，基坑施工對鄰近城際結構存在一定的影響，引起既有城際鐵路結構產生一定的變形，明挖段水平位移最大值約為7.57mm，暗挖隧道水平位移最大值為1.865mm，均滿足控制指標要求，但基坑開挖對明挖工法的結構影響大于暗挖工法[5-6]。

后期施工的疏散通道引起既有城際鐵路結構產生一定的變形，暗改明段水平位移最大值約為6.872mm，滿足控制指標要求。

4 結論

（1）在軟土地區，土的壓縮性能較低，基坑開挖對鄰近既有線擾動較大，在開挖前需要對既有線鄰近土體進行加固處理。

（2）建議1、2、3號通道拆第二道支撐之前，在通道底板處設置斜撐，圍護結構與側墻間間隙應采用硬性材料填充。

（3）施工期間應對該項目周邊地鐵結構加強監測，根據監測數據結合數值模擬分析提前采取相應措施控制結構變形，并根據監測數據評價其對城際的實際影響，對實施方案進行校核調整、信息化設計，以確保工程安全。