近鄰地鐵車站深基坑施工對車站結構影響分析

胡 軍

(中鐵十四局集團隧道工程有限公司 山東濟南 250013)

1 引言

軌道交通保護紅線內的施工項目不斷增多帶來的軌道交通安全運營風險問題日漸突出，近鄰軌道交通的任何施工必將對軌道交通的安全運營造成不同程度的影響。蘇洪斌[1]以北村樞紐互通立交主線特大橋跨越廣州地鐵3號線為例，針對橋梁樁基距隧道外邊線最小凈距約2.2 m，采取了隧道內及地面聯合測量監測、復合式防護技術、鋼筋籠加強筋精度控制等方法，實現了鄰近地鐵樁基施工零預警、樁基質量全部合格的目標。周丁恒等[2]以杭州地區某鄰近地鐵車站和區間隧道深基坑為對象，在分區施工方案的基礎上，將近地鐵區域內分區與分層施工順序優化結合，同時提出加強墊層、增設型鋼支撐、隔離樁及加固、施工荷載控制等保護措施，取得了良好的效果。文獻[3－8]研究了地鐵保護區內深基坑、樁基施工技術，探析了不同工況對軌道交通設施的保護措施。高玄濤[9]采用有限元方法分析地鐵深基坑開挖全過程對鄰近建筑物的影響，重點研究基坑圍護結構對基坑自身及鄰近建筑物變形的影響，并對基坑開挖全過程進行監測。文獻[10－12]研究了鄰近地鐵深基坑施工過程中相關監測技術，為控制運營軌道交通設施的變形提供了有力的技術支持。

本文以濟南某近鄰地鐵換乘車站施工高層建筑基坑開挖為例，研究近鄰地鐵車站高層建筑樁基施工、基坑開挖對地鐵車站的影響。

2 工程概況與水文地質

2.1 工程概況

復地濟南中央商務區A1地塊項目位于濟南中央商務區核心位置，A1地塊項目規劃用地面積為28 196 m2，包括一棟260 m高超高層塔樓(53層)、一棟79 m高塔樓及辦公商業裙房(最高處3層)，地上總建筑面積為175 097 m2。地下部分為兩層56 114 m2的地下室，地下室基坑挖深達13.1～15.3 m，開挖面積25 000 m2。項目基坑與地鐵車站位置關系如圖1所示?；油鈮€距離6號線車站外墻線約2.6 m，距離換乘節點最近距離約33.4 m。

圖1 項目基坑與地鐵車站位置關系

已建成綢帶公園地鐵站為十字換乘車站，基坑采用分級放坡支護形式，東西向為地鐵6號線，南北向為地鐵7號線。項目塔樓基坑近鄰6號線車站結構，車站凈長353.5 m，標準段內凈寬度為24.7 m，車站基坑深度25.24 m，覆土厚約2.9 m。7號線車站為地下二層島式站，車站凈長278 m，標準段內凈寬度為24.70 m，車站基坑深度約17.55 m，覆土厚約2.9 m。

2.2 水文地質

塔樓基坑開挖深度范圍內主要存在的土體為素填土、黃土狀粉質黏土、粉質黏土、黏土及強風化、中風化石灰巖等?？辈炱陂g鉆孔深度范圍內未揭露地下水，場地地下水為深層基巖(巖溶)裂隙水，綜合周邊項目及地勢等因素，不考慮地下水對車站的抗浮影響。

3 基坑支護設計與研究方法

3.1 基坑支護

A1地塊項目2號塔樓緊貼已建成的綢帶公園站6號線主體結構，為減小基坑開挖對車站結構的影響，采用圍護樁進行隔離，同時西北角處基坑采用內支撐方案；東側鄰近南北向地下車站，圍護結構采用單排?800 mm鉆孔灌注樁，樁間距1 600 mm，設置三道錨桿；南側圍護結構采用雙排?800 mm＠1600灌注樁＋?1000 mm＠1600灌注樁方案。

3.2 研究方法

根據1號、2號塔樓及裙樓施工工藝，基坑開挖前先期施工樁基圍護結構，分層開挖基坑至設計標高后施工塔樓、裙樓底板及地下結構。根據樁基施工設計方案，地下結構完成期間需回填結構與圍護樁間的肥槽。因此，基坑開挖、回筑及工后沉降會對車站主體造成一定影響。

采用MIDAS/GTS軟件進行三維數值仿真計算，按施工工藝要求分步模擬基坑開挖卸載及回筑對已建成車站的影響情況?；谀M計算及分析結果，綜合考慮各種因素影響下的塔樓及裙樓基坑開挖施工對已建成車站主體結構的內力、變形情況，確定各種加載和卸載的最終水平位移量及豎向位移量需小于10 mm，并針對性提出相應的保護措施及施工對策。

4 模擬計算及分析

4.1 基坑開挖及施工方法分析

(1)基坑開挖方式

基坑近鄰地鐵6號線車站結構范圍較大，基坑分段分層放坡開挖，采用限制卸載規模實現控制近鄰地鐵車站結構變形的目的，以規避大面積開挖產生集中卸載引起的車站主體結構整體變形。

(2)施工方法分析

基坑施工對軌道交通車站的影響包括圍護結構施工、基坑開挖、結構回筑三個階段，其中基坑開挖對車站的影響最大。

基坑開挖對開挖面以下土體具有明顯的豎向卸荷作用，不可避免地引起坑底土體回彈，并且基坑圍護結構在土體壓力作用下迫使基坑開挖面以下結構向坑內位移，擠壓坑內土體，加大了坑底土體的水平方向應力，導致坑底土體向上隆起?；硬煌_挖方式引起的卸荷規模、方式不同，但同一地點開挖卸荷對地鐵車站產生的附加應力和自身變形起主要作用。

結構回筑時，應嚴格執行施工工序要求，混凝土強度應達到設計強度后方能進行圍護樁(墻)破除等施工，基坑土體及結構參數見表1、表2。

表1 基坑土體參數

表2 結構參數

4.2 模擬計算

4.2.1 模擬計算范圍

根據工程概況，結合周邊類似工程經驗，基坑北側段與地鐵車站近鄰處挖通；其他區域采用灌注樁支護，局部采用樁錨支護方式。模擬分析項目基坑工程實施全過程對近鄰既有地鐵車站主體工程的影響，分析車站變形以及圍護結構內力的控制性參數是否在結構安全承載范圍之內，確定施工全過程是否滿足軌道交通安全保護的相關要求。

4.2.2 模擬過程

(1)土體采用實體單元建模，采用修正摩爾—庫倫本構模型。根據地質勘察報告提供的地下水位及其相應參數模擬真實施工情況。

(2)采用等效剛度原則建立地鐵車站實體單元模型，鉆孔灌注樁、地連墻及各層樓板等采用板單元建模，樁基采用線單元建模，并設置剪切彈簧模擬板單元、線單元在網格節點位置發生剪切方向的摩擦交互作用。

(3)建模過程中，結構單元的幾何模型參數均參考基坑平、剖面圖，標高原位相同。模型x方向總長490 m，y方向總長350 m，z方向總長60 m(基巖層)。模型邊界分別與x、y軸平行，因此直接設置為Midas默認的地基支承邊界條件。

(4)基坑圍護結構為 ?800 mm＠1600和?1 000 mm＠1600灌注樁，利用等剛度原理轉換為厚500 mm、622 mm的地下連續墻，如圖2所示。

圖2 地下車站及深基坑模型

(5)工況分析

工況1:為初始工況，即自重平衡下的初始狀態；工況1結束后保留土體平衡應力，初始位移歸零。

工況2:項目基坑圍護結構施工，并架設鋼筋砼冠梁。

工況3:基坑第一步開挖，并架設第一道預應力錨桿和內支撐。

工況4:基坑第二步開挖，并架設第二道預應力錨桿和內支撐。

工況5:項目基坑第三步開挖(挖至基坑底)，并架設第三、四道預應力錨桿。

4.2.3 基坑圍護結構及地下車站結構受力變形分析

(1)基坑豎向位移

按工況2～工況5模擬計算施工過程中的位移變化顯示:基坑底最大隆起量為25.2 mm，周邊最大沉降為20.1 mm。

(2)圍護結構水平位移

按工況2～工況5模擬計算施工過程中基坑圍護樁的水平位移，結果如圖3顯示?；訃o樁的最大水平位移為9.56 mm。

圖3 基坑第三步開挖位移

(3)地鐵車站結構位移

根據模擬計算，地鐵車站結構最大位移發生在基坑第三步開挖(工況5)，X向水平位移為1.88 mm，Y向水平位移為3.3 mm，Z豎直向下位移為2.36 mm，高層建筑施工及工后沉降引起軌道交通車站的沉降為5.19 mm，如圖4所示。

圖4 工況5車站豎向位移

5 施工監測

5.1 監測要求

工程建設期間，做好施工監測及第三方監測，包括基坑、塔樓及地鐵車站結構的監控量測。建立有效的信息化監控量測體系，根據監測資料及時控制和調整施工進度及施工方法，對施工全過程進行動態控制。做好監測點的保護工作，及時修復損壞的監測點；應保證監測數據及時、準確和完整，發現異?，F象，及時預警處理。

5.2 監測項目

(1)基坑圍護結構變形監測，在基坑圍護樁(墻)鋼筋籠中綁扎測斜管。

(2)地表沉降監測網應涵蓋本工程的整個建設期，包含基坑開挖及主體建設階段。應布置平行于軌道交通結構的軸線沉降監測點和垂直于軌道交通結構軸線的沉降監測點，本工程主體結構布設沉降監測點。

(3)基坑隆起、立柱隆沉監測。

5.3 監測指標

軌道交通結構各項控制值應滿足?城市軌道交通結構安全保護技術規范?(CJJ/T 202—2013)相關規定[13]。

5.4 工程施工過程控制要求

鄰近軌道交通結構側基坑開挖對軌道交通影響風險較大，應制定詳盡應急預案，嚴格施工管理；嚴格控制開挖步序、開挖時間及開挖方量，及時架設支撐，嚴格控制基坑周邊堆載。基坑施工過程應做好信息化施工監測，及時準確地對監測數據進行處理并根據監測結果及時調整開挖施工參數，有效控制施工風險。

6 結論

計算結果分析表明:車站結構最大水平位移為(指向基坑內側)3.3 mm，豎向位移為2.3 mm，基坑支護樁最大水平位移為9.56 mm，坑底最大隆起量25.2 mm。

基坑及上部結構施工全過程對地鐵車站的影響可控，能夠滿足軌道交通結構水平及豎向位移量不大于10 mm的要求。項目實施過程中應進行嚴格的施工控制，避免發生車站結構的變形量大于理論分析值的情況。