軌道高架橋下基坑開挖的相關措施及研究分析

高 晶，戴 源

［悉地（蘇州）勘察設計顧問有限公司，江蘇 蘇州215128］

0 引 言

隨著可持續(xù)發(fā)展理念的提倡，各地越來越推薦軌道交通這種綠色出行的方式，因此各大城市的軌道交通建設也大力發(fā)展起來。與此同時，各地的基建工程仍然如火如荼的進行著，這就必然會出現(xiàn)在運營的軌道交通線路附近的進行基坑開挖的情況。如何在這種錯綜復雜的條件下既保證基坑的順利施工，又最大限度的減小對鄰近的軌道交通線路的影響是工程中需要解決的問題。

本文結合蘇州市相城區(qū)春申路改造工程中元和塘東隧道采蓮路節(jié)點的特殊環(huán)境，對緊鄰運營2號線高架線路的基坑進行分析，探討采取哪些措施來減小基坑開挖對軌道高架橋的影響。

1 工程概況

元和塘東隧道是春申湖路快速化改造重要組成部分，全長2 860 m。主線西入口敞開段長166 m，暗埋段里程長2519 m，主線東出口敞開段長度175 m。隧道在采蓮路口下穿軌道交通2號線，相交角度基本為直角。在此節(jié)點處，軌交2號線為高架區(qū)間形式，見圖1。南側200 m為軌道2號線徐圖港站。軌交2號線已開通運營6 a。軌道高架橋西側為現(xiàn)狀采蓮河，隧道需同步下穿該河道。

圖1 采蓮路節(jié)點平面圖

根據(jù)軌道設計資料，此處軌道高架區(qū)間在設計時已考慮對本項目的預留，高架橋跨徑為60 m，鉆孔樁長度在滿足荷載的情況下進行了適當加深了10 m左右，單樁承載力富裕約1 500 kN。北側橋墩承臺距離隧道結構外側為10.11 m，距離止水帷幕為6.71 m；南側橋墩承臺距離隧道結構外側為12.19 m，距離止水帷幕為8.79 m。

隧道西側采蓮河橋需同步恢復。河道寬度20 m。隧道投影范圍內的橋梁采用共建箱涵的形式，跨徑布置形式為7 m+8 m+7 m。隧道兩側范圍的橋梁采用樁基礎埋置式橋臺，跨徑布置形式為3～8 m，將橋臺設于現(xiàn)狀駁岸后，減小拆除駁岸及橋臺開挖對軌道橋墩的影響。南側橋梁鉆孔樁距離現(xiàn)有軌道樁基最小距離為4.4 m。北側橋梁鉆孔樁距離現(xiàn)有軌道樁基最小距離為6.6 m，見圖2。

圖2 新建橋梁與軌道橋墩的關系平面圖（單位：m）

該位置基坑寬度為31.8 m，深度15.8 m。隧道結構為單箱雙室箱體，頂板厚度1.4 m，底板厚度1.5 m，側墻厚度1.4 m，中墻0.5 m。每個箱室凈寬13.1 m，中管廊寬度1.8 m。

2 地質概況

工程所在地為蘇州地區(qū)典型地質,沿線現(xiàn)為綠化、廠區(qū)、河道、店鋪、道路等，場地屬長江三角洲太湖流域沖湖積平原區(qū)，地貌形態(tài)單一，水系發(fā)育。地下水常年水位（黃海標高）在1.10～1.30 m，根據(jù)其巖性特征及其物理力學性質的差異性，可劃分為10個工程地質層，自上而下的主要土層名稱及其物理力學指標見表1，其中基底位于④層土中。

表1 地層土質特性表

3 圍護方案及相關措施

3.1 支護選型分析

本次圍護方案選型應考慮以下一些重點：

（1）基坑開挖應確保鄰近地鐵結構安全，控制地鐵車站變形在軌道公司要求的范圍之內；

（2）支護結構體系的穩(wěn)定性、可行性及適宜性：優(yōu)先選用具有成熟經(jīng)驗的支護形式，滿足基坑支護整體穩(wěn)定性的要求；

（3）控制基坑開挖及地下結構施工期間對周邊環(huán)境的影響；

（4）在保證基坑及周邊環(huán)境安全穩(wěn)定條件下盡量考慮縮短工期和施工方便；

（5）盡量節(jié)約工程造價；

（6）基坑分區(qū)及施工工序需充分考慮空間、時間、環(huán)境上的限制條件。

結合大量類似工程經(jīng)驗，對于此類深基坑工程，目前常采用的基坑開挖施工方案主要采用明挖順作法。對于明挖順作法開挖形式，施工經(jīng)驗較為成熟，只要支護體系設計合理，完全能滿足基坑自身及周邊環(huán)境的安全要求，施工工期也可以合理控制。綜上所述，推薦本工程基坑開挖形式采用順作法開挖的施工方案。

3.2 支護設計方案特點

（1）獨立分坑，將基坑開挖影響范圍減小

為減小基坑開挖的空間效應影響，隧道位于下穿軌道2號線高架橋區(qū)段的基坑進行獨立分坑，軌道橋梁兩側各30 m范圍設置封堵墻與常規(guī)段隔離開，總長55 m。基坑保護等級為一級。該節(jié)點范圍基坑深度約15.8 m。

（2）采用矮機架特殊鉆孔樁機及MJS微擾動加固技術

軌道2號線高架橋下僅有約9 m凈空，施工條件受到很大限制，同時還需要考慮對軌道高架橋墩的保護。綜合以上因素，本范圍圍護結構采用φ1 200@1 400 mm鉆孔灌注樁+φ2 400@1 400 mm雙排MJS止水帷幕的形式，基坑豎向布設5道支撐（第一道撐為混凝土支撐，第二~五道撐采用鋼支撐，中間設置鋼格構柱），見圖3、圖4。

圖3 采蓮路節(jié)點圍護結構平面圖

圖4 采蓮路節(jié)點圍護結構橫斷面圖（單位：cm）

（3）加大鋼支撐規(guī)格并應用支撐自動軸力補償系統(tǒng)

為了控制基坑施工的變形，確保軌道2號線的安全運行，對基坑施工的鋼支撐系統(tǒng)采用剛度較大的800 mm鋼支撐，并設置自適應液壓伺服基坑位移變形控制系統(tǒng)，以始終保持軸力在設計值和控制圍護結構變形，保證地鐵運營安全。

鋼支撐預應力施加的要求：第二道施加460 kN，第三道施加1 300 kN，第四道施加1 000 kN，每道均分2次施加。

（4）合理設置地基加固，確保基坑穩(wěn)定

該范圍基坑底位于⑤粉質黏土，該層土體壓縮性中等偏高，經(jīng)計算需要對支護的踢腳進行土體加固才能滿足坑底隆起的穩(wěn)定性計算要求。同時考慮對軌道投影范圍內的土體進行全部加固，形成坑底的剛性支撐，可以有效改善支護結構的變形。

因此綜合以上因素，對蓋范圍基坑采用“工”字型加固，在滿足穩(wěn)定性要求的基礎上，改善軌道高架橋下的土體變形控制。

（5）合理安排挖土工序，減少基坑暴露時間

首先整體開挖至距離基底2 m時停止，按如下順序分塊開挖：

先將軌道橋下10 m范圍內土體開挖至基底，迅速澆筑墊層及此部分底板；再將軌道高架東側20 m范圍內土體開挖至基底，迅速澆筑墊層及此部分底板；最后將剩余西側范圍內土體開挖至基底，迅速澆筑墊層及此部分底板。底板澆筑完畢后按設計要求進行拆撐和澆筑側墻、頂板的工作。

施工期間破除采蓮路西側20.2 m寬河道上的橋梁，后期隧道上方恢復成箱涵型式，兩側以橋梁形式恢復。橋梁邊跨設于現(xiàn)狀駁岸后，采用埋置式橋臺，避免開挖橋臺基坑對軌道高架橋承臺的影響。

4 計算分析

4.1 有限元分析模型

本次評估分析選取MidasGTS作為計算平臺。基坑深度約15.4 m，地鐵區(qū)間樁長82 m。結合經(jīng)驗，本模型計算深度取90 m；基坑東西最寬約69 m，南北最寬約35 m，地鐵2號線徐圖港站~蠡口站高架區(qū)間上跨基坑，基坑距離區(qū)間樁基最近處約8.4 m。本模型東西方向的計算寬度取為200 m，南北方向的計算寬度取為150 m。對計算區(qū)域內的土體、圍護結構、軌道高架區(qū)間結構進行了三維建模，土體、地鐵承臺及橋墩采用實體單元，基坑支護采用板單元，車站區(qū)間結構中的樁基礎、支護結構中的水平支撐、圍梁等采用梁單元。建立的“地鐵-基坑-圍護”計算模型見圖5。

圖5 本工程有限元計算模型

4.2 本構模型和計算參數(shù)

地基各土層采用彈塑性D-P模型。根據(jù)本工程的地質勘察報告中的土工試驗取值，各層土的C、φ取直剪固快試驗指標計算。

在基坑開挖、支護施工過程中，系統(tǒng)受重力場作用，并考慮基坑周邊10 m范圍內作用20 kPa的車輛載荷。區(qū)間高架以荷載的形式加載在高架橋墩上。

4.3 計算結果

（1）基坑工程（見表2）

表2 基坑位移數(shù)據(jù)

（2）軌道高架區(qū)間結構（見表3）

表3 軌道高架橋位移數(shù)據(jù)

計算結果表明，以上數(shù)據(jù)均在軌道交通安全保護標準的可控范圍內。

（3）基坑整體穩(wěn)定性驗算

除了有限元分析，同時采用理正軟件對基坑的整體穩(wěn)定、傾覆等指標進行驗算，按安全等級一級基坑考慮，均滿足規(guī)范要求結果見表4。

表4 基坑穩(wěn)定計算數(shù)據(jù)

5 施工監(jiān)測

5.1 監(jiān)測原則

施工監(jiān)測可以判斷施工工藝和施工參數(shù)是否符合預期要求，以確定和調整下一步施工，確保施工安全。將現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)與理論預測值比較，用反分析法進行分析計算，使設計更符合實際，便于以指導今后的工程建設。

5.2 監(jiān)測報警值

（1）圍護結構變形控制值

圍護結構深層水平位移不大于1.4‰H；地下二層范圍約為18 mm，變化速率不大于1 mm/d；地下四層范圍約為28 mm，變化速率不大于1 mm/d。

（2）水位變化值

坑外水位下降（潛水與微承壓水）：500 mm，變化速率200 mm/d。

（3）軌道交通結構變形控制要求

軌道交通結構絕對沉降量及水平位移量不大于10 mm；隧道變形曲線的曲率半徑r不小于15 000 m；結構相對彎曲曲率不大于1/2 500；日軌道交通結構沉降量和水平位移量不大于1 mm。

5.3 監(jiān)測結果

目前該范圍基坑已完成底板和側墻的澆筑。目前監(jiān)測結果見表5、表6。

表5 軌道高架橋橋墩監(jiān)測結果

表6 基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)

從表5、表6可見，結合控制指標與現(xiàn)場實際情況各項監(jiān)測數(shù)據(jù)累計變量與變化速率均在控制指標以內；與計算數(shù)值相比，實際變形量均小于計算數(shù)值?；蛹爸苓叚h(huán)境基本處于安全可控狀態(tài)。

6 結論

本次基坑開挖，結合計算結果與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比，說明采取上述一系列技術措施，確保了軌道交通結構穩(wěn)定和運營安全，特別是MJS工法、支撐自動軸力補償系統(tǒng)、地基加固等的應用等一系列的預防措施，為今后難度大、復雜程度高的城市建設施工提供了很好的借鑒作用。隨著地下空間的開發(fā)加快，地下工程下穿既有建（構）筑物施工將越來越普遍，綜合性的手段需要尋求一套指導性的措施作為基點，以供建設者們結合工程實際，很快的制定出有效的技術方案，希望本文涉及的措施能夠為此提供一些素材供參考。