周邊地塊工程施工對鐵路高架橋及站房的安全影響分析

閆相明 馬盛元 周星中

1. 中廈建設有限公司 浙江 溫州 325000；

2. 溫州工程勘察院有限公司 浙江 溫州 325000；

3. 廣城建設集團有限公司 浙江 溫州 325000

近些年來，我國城鎮化速度不斷加快，鄰近高架橋梁、軌交隧道或既有保護建筑等變形敏感建（構）筑物的深基坑項目不斷出現[1-2]，特別是在軟土地區，基坑支護設計不當時，極易對周邊敏感建（構）筑物造成非常嚴重的影響甚至安全事故。因此，在深基坑項目基坑開挖前，分析評估基坑施工對周邊建（構）筑物的安全影響情況，是確保施工安全的必要步驟。

本文以溫州龍灣瑤溪北單元11-A-15地塊項目基坑施工為依托，通過三維有限元模擬分析，綜合評估其對鄰近高架橋梁及站房的安全影響情況，并針對基坑設計的不足，提出了相應的優化方案。

1 工程概況

溫州龍灣瑤溪北單元11-A-15地塊位于溫州市瑤溪，西側為南北向瑤溪河，東側為站東路，南側為水埠路，北側為溫州大道及軌道S1線科技城站。工程規劃用地面積136 472.00 m2，總建筑面積601 776.40 m2，其中地下室建筑面積67 597 m2。主要由8幢28F住宅樓、1幢大型商業綜合體及多層建筑（配套用房）組成。全場大部分設有2層地下室（僅南側局部為1層地下室），采用框剪結構，多層采用框架，設計均采用樁基承臺＋地下室底板基礎形式，樁型均采用鉆孔灌注樁基礎，且均為抗拔樁兼作抗壓樁。鉆孔灌注樁樁徑750 mm，有效樁長73 m，單樁承載力特征值為3 050 kN。

溫州市域鐵路S1線一期工程線路全長53.507 km，其中科技城站（圖2）為高架3層側式站臺車站，并行段高架橋墩編號為16#～21#（橋墩樁基均按摩擦樁設計）。新建項目基坑東西向長度約158 m，南北向長度約267 m，面積約39 528 m2，商業部分及住宅部分（－2F）基坑開挖深度8.25～10.33 m，住宅部分（－1F）基坑開挖深度約5.15 m，商業部分北側緊鄰市域鐵路S1線區域基坑開挖深度9.23 m，鄰S1線側基坑寬度為158 m，開挖邊緣距離科技城站最近距離為11.1 m，距離S1線高架橋最近距離為22.5 m。地塊工程基坑與S1線相對位置關系情況如圖1所示。

圖1 11-A-15地塊與S1線相對位置關系

2 原基坑設計方案的安全分析

2.1 原基坑設計概況

原方案基坑北側緊鄰S1線圍護結構采用雙排門架式鉆孔灌注樁排樁＋2道鋼筋混凝土水平內支撐，雙排鉆孔灌注樁間主動區采用水泥攪拌樁滿布土體加固，其余部分采用鉆孔灌注樁排樁＋2道鋼筋混凝土水平內支撐，鉆孔灌注樁外布置1排水泥攪拌樁止水帷幕，被動區采用三軸水泥攪拌樁進行加固，坑中坑采用三軸水泥攪拌樁進行二次支護（圖2）。

圖2 基坑鄰S1線剖面示意（原設計）

2.2 三維模型建立

根據地下室范圍線、基坑圍護方案設計圖紙、施工條件等相關資料，建模所取土體范圍為290 m×190 m×70 m（長×寬×高)，在此區域模擬土層。通過分步鈍化、激活單元來模擬土體的開挖、支撐的架設及結構的回筑，從而模擬出整個施工過程。整個三維有限元計算模型共198 326個單元，1 015 356個結構節點。所建立的三維模型如圖3所示。

圖3 S1線高架、科技城站與圍護結構關系（原設計）

2.3 計算結果分析

溫州市域鐵路S1線已運營，僅需模擬11-A-15基坑開挖、支撐施工工況。模擬主要分為10個工序：第1工況為模型的初始狀態，第2工況為基坑開挖及第1道支撐施作，第3工況為基坑進一步開挖到第2道支撐，第4工況為施工第2道混凝土支撐，第5工況為基坑完全開挖，第6工況為主體結構底板及底板換撐，第7工況為拆除第2道混凝土支撐，第8工況為施工中板，第9工況為拆除第1道混凝土支撐，第10工況為施工頂板。

經計算，當基坑開挖至基底時，分析結果如下：

1）水平位移分析。基坑開挖至基底時，S1線橋墩、橋樁以及科技城站站房、站房樁的水平位移情況如下：橋樁最大水平變形位于19#橋墩，樁基最大的水平位移為16.2 mm，橋墩最大的水平位移為15.1 mm，橋墩最大水平傾斜率為0.02%。科技城站站房結構最大水平位移為16.5 mm（最大變形點位于頂板伸縮縫處），車站樁基最大水平變形為20.8 mm。

2）垂直位移分析。基坑開挖至基底時，S1線橋墩、橋樁以及科技城站站房、站房樁的垂直位移情況如下：S1線高架橋墩沉降最大為1.4 mm，橋樁的沉降最大為1.5 mm，最大不均勻沉降為0.5 mm；受站房群樁效應影響，站房下土體平均豎向剛度得到提升，位于站房范圍內的橋墩沉降略小于站房外，最大沉降位于毗鄰站房之外的21#橋墩。站房沉降最大為1.3 mm。

3）原設計方案的變形控制效果。11-A-15基坑開挖對溫州市域鐵路S1線的影響較大，主要體現在橋梁結構水平變形較大，橋墩最大水平變形值發生在19#墩處，為15.2 mm，不滿足最小水平控制值5 mm的要求；最大沉降變形發生在21#墩處，為1.4 mm，滿足最小沉降控制值5 mm的要求；相鄰橋墩沉降差為0.5 mm，滿足相鄰橋墩最小沉降差5 mm的要求；橋墩水平傾斜率0.02%，滿足橋墩水平傾斜率小于0.43%的要求。

由此可知，原方案在不采取任何保護措施的情況下，溫州市域鐵路S1線高架橋的變形超出了市域鐵路高架橋的變形控制標準，需要優化改進基坑方案以保證S1線的正常運營。

3 基坑設計優化及調整策略分析

本工程原基坑設計方案不滿足變形控制要求，故需進一步優化基坑方案，以減小施工對S1線的影響。經綜合考慮，提出2種調整方案。

1）方案一，優化基坑設計方案。遵循“化整為零、先遠后近”的保護設計原則[3]，同時根據浙江省DB33/T 1139—2017《城市軌道交通結構安全保護技術規程》4.2.1條關于旁側單體基坑平面尺寸控制值，將原方案中南側2層地下室大基坑劃分成1個大基坑（下稱A#基坑）和3個小基坑（小基坑1～3分別稱為C#基坑、D#基坑、B#基坑），如圖4所示，即原北側基坑邊線整體向南退讓約21 m（退出保護區范圍），退讓空間內新增3個寬度約21 m、長度約50 m的小基坑，基坑圍護結構采用鉆孔灌注樁＋止水帷幕，對基坑內土體采用三軸水泥攪拌樁進行基底加固，加固方式為裙邊＋抽條。具體圍護結構設計剛度、地基加固裙邊寬度、抽條間距及加固深度、支撐選型及布置形式等根據計算分析結果確定，要求優化后小基坑鄰S1線側圍護結構最大水平位移≤0.14%H（H為基坑開挖深度），退讓后的大基坑鄰S1線側圍護結構最大水平位移≤0.2%H，并要求大基坑開挖前要完成3個小基坑的圍護樁、止水帷幕、坑內外加固且達到設計強度。

圖4 基坑分坑平面示意

2）方案二，優化調整建筑、結構方案，使鄰S1線側基坑由地下2層調整為地下1層，地下室范圍外的承臺標高調整到±0 m附近，重新設計基坑。

對比以上2種方案，考慮到調整建筑方案對結構、風水電等相關專業影響大，且目前土建施工圖已完成審查工作，重新調整對本工程的總體進度影響較大，因此最終選擇方案一，僅調整基坑支護方案。據此，進一步調整基坑方案如下：

1）將B#、C#、D#基坑鄰S1線側圍護結構由雙排鉆孔灌注樁調整為單排樁。

2）明確鄰S1線側第2道混凝土支撐以下15 m寬度范圍內留置被動區土方，待南側底板施工完成并架設臨時鋼支撐斜撐后，采用分區跳倉開挖底板。

3）B#基坑與C#基坑同時施工，以加快工程總體進度。

4）為加快施工進度，以有效控制基坑變形，B#、C#、D#小基坑第2、3道支撐由混凝土腰梁調整為鋼腰梁。

5）肥槽區采用泡沫混凝土回填。

4 基坑設計優化后的安全分析

4.1 模型建立

本工程在基坑支護方案調整后，為驗證其施工對周邊的安全影響情況，采用Midas GTS NX有限元軟件進行模擬分析，并假定S1線橋梁及站房結構的沉降完全是由于基坑開挖土體擾動引起的，從而選取基坑的最不利開挖工況進行分析。

1）將土層簡化為水平層狀分布的彈塑性材料。本構模型采用修正的莫爾-庫侖彈塑性模型[4]。修正的莫爾-庫侖模型在數值計算中效果較好，并且該準則能較好地描述巖土材料的破壞行為，在巖土領域內得到了廣泛的應用。

2）土體、橋承臺、地基加固區采用三維實體單元模擬分析，基坑支撐、鉆孔樁、鉆孔灌注樁圍護結構均采用1D2D結構單元模擬。

3）模型的前后左右邊界分別施加水平位移約束，底部施加豎向位移約束，頂面不施加約束。

4）在進行S1線橋梁結構計算時，橋面直接擱置在橋墩上（即忽略橋面對橋墩的水平約束），橋墩上部作用節點荷載，荷載大小按照S1線橋墩設計荷載取值。

根據工程經驗和理論分析，所取土體范圍為290 m×190 m×70 m（長×寬×高），在此區域模擬土層。通過分步鈍化、激活單元來模擬土體的開挖以及支撐的架設，從而模擬出整個施工過程。整個三維有限元計算模型共179 963個單元，908 938個結構節點。建立的三維模型如圖5所示。

圖5 S1線橋梁、科技城站與11-A-15地塊關系

4.2 工況設置

模型左右、前后邊界固定水平位移，底部邊界固定豎向位移，上部邊界為地表自由面；自重荷載取重力加速度。在基坑開挖過程中，施工工況是逐漸演化的，因此需通過有限元工況模擬這一漸變的過程。分析11-A-15地塊施工方案對市域鐵路S1線影響的工程施工順序，主要分為以下步驟進行模擬：

步驟1，初始化地應力→步驟2，激活S1線高架橋以及科技城站站房→步驟3，進行圍護結構、工程樁以及地基加固施工→步驟4，A#基坑開挖并施工第1道混凝土支撐→步驟5，A#基坑開挖至第2道混凝土支撐高度→步驟6，A#基坑施工第2道混凝土支撐→步驟7，A#基坑開挖至坑底→步驟8，A#基坑施工地下室底板→步驟9，A#基坑拆除第2道支撐→步驟10，A#基坑施工地下室中板→步驟11，A#基坑拆除第1道支撐→步驟12，A#基坑施工地下室頂板→步驟13，B#、C#基坑施工第1道支撐→步驟14，B#、C#基坑開挖至第2道支撐→步驟15，B#、C#基坑施工第2道支撐→步驟16，B#、C#基坑開挖至第3道支撐→步驟17，B#、C#基坑施工第3道支撐→步驟18，B#、C#基坑開挖至坑底→步驟19，B#、C#基坑施工地下室底板→步驟20，B#、C#基坑拆除第3道支撐→步驟21，B#、C#基坑施工地下室中板→步驟22，B#、C#基坑拆除第1、2道支撐→步驟23，B#、C#基坑施工地下室頂板→步驟24～34，D#基坑開挖及地下室施工（重復步驟13～23）。

根據委托方提供的資料，結合相關工程經驗，軟弱地層分塊分層開挖，每次分層厚度不大于1.0 m[5-6]。溫州市域鐵路S1線已運營，僅需模擬11-A-15地塊基坑開挖、支撐施工、結構回筑，即步驟1、2可合并為第1工況，即模型初始狀態，位移清零[7]。其余計算工況均與上述施工步驟一一對應，總共33個計算工況。其中，圍護結構以及地基加固施工（工況2），A#基坑開挖到底（工況6），B#、C#基坑開挖到底（工況17），D#基坑開挖到底（工況28）及D#基坑施工地下室頂板（工況33）為控制性工況。

限于篇幅，本文僅以工況33（D#基坑地下室頂板施工完畢）為例進行模擬分析。其中，站房由于節點較多，為便于統計，以伸縮縫為分界點，沿站房長邊方向南北側各選取4個節點作為數據提取對象，分別命名為節點1～8，如圖6所示。

圖6 科技城站節點布置

4.3 工況33分析

4.3.1 水平位移分析

在工況33下，即D#基坑地下室頂板施工完畢時，S1線橋墩、橋樁以及科技城站站房、站房樁的水平位移情況如圖7～圖10所示。

圖7 S1線橋墩Y方向水平位移云圖（最大水平位移4.3 mm）

圖8 S1線橋樁Y方向水平位移云圖（最大水平位移4.3 mm）

圖9 科技城站站房Y方向水平位移云圖（最大水平位移5.2 mm）

圖10 科技城站站房樁Y方向水平位移云圖（最大水平位移5.2 mm）

從圖7～圖10可知：D#基坑地下室頂板施工完畢，19#墩發生最大水平位移，橋墩最大的水平位移為4.3 mm，樁基最大的水平位移為4.3 mm。科技城站站房結構最大水平位移為5.2 mm（最大變形位于頂板伸縮縫位置），車站樁基最大水平變形為5.2 mm（最大變形位于靠近D#基坑位置），即從基坑開挖到坑底至頂板施工完畢，基坑對周邊的擾動變化較小。

4.3.2 垂直位移分析

在工況33下，即D#基坑地下室頂板施工完畢時，S1線橋墩、橋樁以及科技城站站房、站房樁的垂直位移情況如圖11～圖14所示。

圖11 S1線橋墩垂直位移云圖（最大沉降0.46 mm）

圖12 S1線橋樁垂直位移云圖（最大沉降0.54 mm）

圖13 科技城站站房垂直位移云圖（最大沉降0.90 mm）

圖14 科技城站站房樁垂直位移云圖（最大沉降1 mm）

從圖11～圖14可知，D#基坑地下室頂板施工完畢，最大豎向變形橋墩為19#墩，橋墩最大沉降為0.46 mm，樁基最大沉降為0.54 mm。科技城站站房結構最大沉降為0.90 mm，即從基坑開挖到坑底至頂板施工完畢，基坑對周邊的擾動變化較小。

4.4 計算分析結果

地下室結構施工完畢后，S1線高架最大水平位移位于19#墩，其中墩頂最大水平位移為4.4 mm，墩底最大水平位移為4.2 mm，滿足水平位移控制值5 mm的要求；墩頂、底水平位移差0.2 mm，墩臺水平傾斜率0.02%（墩高取9 m），滿足墩臺水平傾斜率0.43%的要求；最大沉降位于18#、19#墩，最大沉降為0.40 mm，滿足沉降控制值5 mm的要求；相鄰墩臺最大沉降差出現在17#、18#橋墩之間，最大沉降差為0.1 mm，滿足沉降差控制值5 mm的要求。站房出現最大沉降1.0 mm，滿足溫州市域鐵路S1線站房最大沉降10 mm的控制要求；站房出現的最大水平位移為5.2 mm，滿足溫州市域鐵路S1線站房最大沉降10 mm的控制要求；站房出現最大差異沉降位于節點2與節點3之間，最大差異沉降為0.48 mm，節點2與節點3之間間距約30 m，滿足相鄰柱基差異沉降控制值0.001 5L（L為節點間距）的要求。由此可知，在瑤溪北單元11-A-15地塊基坑開挖過程中，S1線高架和科技城站站房的變形安全可控。

5 結語

本文根據鄰近市域鐵路高架橋及站房的深基坑工程項目，對基坑設計的安全性進行了較為全面的剖析。通過總結，得出以下結論：

1）在鄰近敏感建（構）筑物的基坑支護設計時，考慮“化整為零”，將敏感側的大塊基坑分成長條形的小塊基坑切實可行，可以有效減小坑外變形量，保證安全。

2）在類似項目施工前，應對鐵路軌道的現狀進行實測，如鐵路軌道的平順性現狀較差，考慮附加變化值后已不滿足軌道平順度的相關要求，則需要優化鐵路軌道線形后再進行施工。

3）本文分析結果均為由于地塊工程施工引起的S1線橋梁及S1線站房的附加變化值。為能準確地反饋變形情況，建議在工程實施期間有計劃地進行現場監測工作。