深基坑開挖對臨近市域鐵路高架橋梁影響的研究

陳聰

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津300308）

1 引言

深基坑開挖易影響周邊臨近市域鐵路線路的正常運營，不僅會導致其處于受力失衡的局面，還會造成地應力分布狀態重組，且易發生土體變形現象，不利于既有高架橋梁的正常使用，同時還會對深基坑施工質量造成不良影響。為確保既有鐵路高架橋的穩定性，必須做好深基坑開挖優化設計工作，采取有效的方式避免土體及高架橋結構出現變形等問題。

2 工程概況

2.1 建設情況

大劇院站為4號線工程第12座車站，設計為地下2層11 m島式車站，站后設置雙停車線。車站主體跨大劇院路布置，配線區跨金石路沿萬順道布置；大劇院路規劃道路紅線寬24 m，金石路規劃道路紅線寬30 m，萬順道規劃道路紅線寬33 m。車站周邊建筑環境良好，東南象限為太湖國際社區，東北象限為萬象城，西北象限為無錫大劇院，西南象限為規劃金融用地及太湖國際社區。

萬象城下沉廣場保護項目在建設期間的深基坑開挖作業，存在較明顯的擾動，易對周邊鐵路S1線工程造成影響，從而發生變形等質量問題。基于此，工程在實踐中，通過數值模擬的方式展開分析，實現對既有設計方案的優化，以期在最大程度上減少高架橋周圍土體的變形。

2.2 深基坑施工現場的地質土層分布

本工程擬建場位處于沖海積平原地帶，地形基本平坦開闊，主要為荒地、中部為堆磚場、東側為待拆遷廠房，且大部已回填。根據現場勘察結果得知，車站深基坑開挖區域內的土層主要包含雜填土、粉質黏土、含砂淤泥、淤泥質粉質黏土、粉砂等，且土層表現出流塑狀特點，不具備足夠的穩定性，無法作為天然地基持力層，會導致地基局部失穩，不利于深基坑施工。

3 深基坑開挖優化設計方案

此次改造工程中，涉及的深基坑開挖深度為9.75 m，安全等級為一級，并通數值模擬和計算的方式對深基坑開挖設計方案進行優化，以保證鐵路S1線高架橋的正常運營。

3.1 開挖數值計算和分析

在本項目前期的評估作業中，運用了深基坑支擋結構分析計算軟件（FRWS），對臨近S1線側深基坑支護的3個結構面進行開挖數值計算和分析。該計算軟件可與深基坑內支撐結構分析計算軟件BSC接口，是根據現行國家及各省市、地區發布的深基坑支護設計規范編制的最新深基坑驗算軟件，可對現今出現的多種擋土結構（排樁、雙排樁、土釘墻、攪拌樁、坑中坑等）進行位移預測、內力及穩定性等分析，為深基坑設計、施工、監測提供科學合理的依據，在工程實踐中得到了廣泛的應用，而使用FRWS軟件不僅大大減輕了計算工作量，還能促進最新科技成果的應用，提高設計工作效率。

根據驗算結果可知，沿S1線線路縱向深基坑開挖斷面的防護等級滿足國家一級深基坑安全等級標準。

3.2 優化方案

3.2.1 具體計算數值

本工程深基坑采用φ1 000 mm@1 200 mm灌注樁圍護結構，嵌入深基坑底以下25 m。混凝土結構底板及地下1層板做換撐，共計2道換撐，計算時考慮地面超載20 kPa。混凝土結構底板及地下1層板做換撐，共計2道換撐，計算時需考慮地面超載數值20 kPa。計算結果見表1。

表1 計算結果

經斷面計算，各項安全系數不滿足國家一級深基坑安全等級標準，且本項目深基坑施工風險大，結合已有類似評估項目經驗，此次深基坑施工引起市域鐵路S1線高架橋墩的水平位移很難控制在5 mm以內，需優化改進深基坑方案以保證S1線的正常運營。

3.2.2 設計原則

此次深基坑設計遵循化整為零、先遠后近的保護設計原則，將原方案中大深基坑劃分成西側3個小深基坑和東側1個大深基坑。即原西側深基坑邊線整體向東退讓，退讓距離根據后澆帶、主樓位置綜合考慮，退讓空間內新增3個寬度40～50 m，長度70～80 m的小深基坑，其中小深基坑A為71 m×47 m(長×寬），小深基坑B為71 m×50 m(長×寬），小深基坑C為84 m×39 m(長×寬），深基坑圍護結構采用鉆孔灌注樁+止水帷幕，對深基坑內土體采用3軸水泥攪拌樁進行基底加固。

在具體的圍護結構設計剛度方面，支撐選型及布置形式等根據計算分析結果確定，要求優化后小深基坑臨S1線側圍護結構最大水平位移值需小于深基坑開挖深度的0.14%，退讓后的大深基坑臨S1線側圍護結構最大水平位移值需小于深基坑開挖深度的0.2%。

4 深基坑開挖期間土體及周邊結構變形影響

4.1 對周邊建筑物的環境影響

本次深基坑開挖的關鍵是分析其對周邊建筑物的環境影響。就市域鐵路S1線高架而言，如果變形過大或相鄰兩墩臺沉降差、傾斜率等變形過大，可能影響鐵路的行車舒適度、耐久性，更嚴重者可能發生安全事故。因此，控制深基坑開挖對周邊建筑物的影響，是避免周邊建筑物或構筑物變形過大造成安全問題的主要手段，這就要運用到有限元軟件對其進行詳細的分析作業[1]。

項目采用的MIDAS GTS-NX有限元軟件，能夠迅速完成對巖土及隧道結構的分析與設計，是巖土隧道結構專用有限元分析軟件，能提供應力分析、動力分析、滲流分析、應力-滲流耦合分析、邊坡穩定分析、襯砌分析和設計功能，并生成處理結果，廣泛應用于地下結構、巖土、水工、地質、礦山、隧道等方面的分析及科研。

4.2 有限元分析模型及模擬工況分析

本評估報告根據委托方提供的地下室范圍線、深基坑圍護方案設計圖紙、施工條件等相關資料簡化計算模型。由于市域鐵路S1線已經運營，假定S1線高架橋梁結構的沉降完全是由于深基坑開挖土體擾動引起的，選取深基坑的最不利開挖進行分析。而根據工程經驗和理論分析，所取土體范圍345 m×200 m×70 m（長×寬×高)，在此區域模擬土層。S1線高架橋梁與施工地塊關系見圖1，S1線高架橋梁與圍護結構關系如

圖1 S1線高架橋梁與施工地塊關系

圖2 S1線高架橋梁與圍護結構關系

目前，需模擬11-E-01地塊基坑開挖、支撐施工、結構回筑，總共34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#與C#基坑開挖到底（工況17）、D#基坑開挖到底（工況28）及淺基礎承臺施工完成（工況34）為控制性工況。

4.3 計算結果

以工況2為例，對圍護結構、工程樁及地基加固施工做分析，具體可從水平位移和垂直位移兩方面進行分析。S1線橋墩Y方向水平位移見圖3，最大水平位移0.4 mm，位于18#、19#橋墩的墩頂。S1線橋樁Y方向水平位移見圖4，最大水平位移0.3 mm，位于18#橋樁。

圖3 S1線橋墩Y方向水平位移

圖4 S1線橋樁Y方向水平位移

從圖3和圖4可知，圍護結構、工程樁及地基加固施工完成后，18#、19#墩發生最大水平變形，橋墩最大水平位移0.4 mm，橋樁最大水平位移0.3 mm。垂直位移方面，圍護結構、工程樁及地基加固施工完成后，考慮到S1線高架橋梁采用樁基礎，圍護結構及地基加固施工對橋梁結構的影響較為有限，S1線橋墩的最大沉降約0.08 mm，最大沉降位于18#橋墩。

由此可知，項目在瑤溪北單元11-E-01地塊施工期間，A#基坑開挖至坑底后，18#、19#橋墩出現最大沉降0.60 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21#與22#橋墩之間，為0.17 mm，滿足沉降差控制5 mm的要求，對S1線高架的影響滿足市域鐵路S1線高架橋梁的變形控制標準，同時S1線高架橋梁的變形安全也是可控的。

5 結語

考慮到實際工程中深基坑的開挖深度、周邊環境及地質條件，就靠近市域鐵路S1線深基坑設計遵循化整為零、先遠后近的保護設計原則，將整個大深基坑劃分成1個東側大深基坑和臨近S1線高架橋的3個西側小深基坑，并對其地下結構及巖土力學等進行評估驗算，最終評估得出橋墩附加位移滿足結構安全性要求的結論，為深基坑施工提供了可靠的參考。