地鐵車站基坑開挖對鄰近鐵路路基段的影響分析

方 眠

（中鐵上海設(shè)計院集團有限公司,上海 200070）

0 引言

隨著我國城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，大量地鐵建設(shè)的出現(xiàn)使得基坑工程設(shè)計顯得越來越重要。由于地鐵大部分都在市區(qū)施工，常常在城市中心地段，周邊管線、建筑物、交通路網(wǎng)等密集交錯，環(huán)境復(fù)雜，因此在進行基坑設(shè)計時，新建基坑施工必須考慮對周邊建構(gòu)筑物的影響[1]，防止因基坑土體開挖卸荷導(dǎo)致基坑變形過大，周邊土體沉降，進而影響周邊環(huán)境安全[2]。尤其是在鄰近既有鐵路進行深基坑開挖的時候，由于鐵路列車動載大，運行速度快，基坑周邊土體沉降使鋼軌之間可能產(chǎn)生差異沉降，列車對沉降、水平變形等十分敏感，當(dāng)差異沉降過大時，可能對列車的安全運營造成影響，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失和不良的社會影響。因此對鄰近鐵路的深基坑施工變形控制要求較高，此類地鐵車站基坑施工對鄰近鐵路的影響研究就顯得尤為重要[3]。

該文以南昌市軌道交通3號線上沙溝站作為研究對象，通過有限元軟件Midas/GTS建立模型，對地鐵車站深基坑開挖全過程進行模擬，計算出周邊土體、基坑、鐵路路基變形，并提出相應(yīng)控制變形的保護措施和建議，對類似鄰近鐵路項目提供一定的參考。

1 工程概況

擬建項目上沙溝站是江西省南昌市軌道交通3號線的一個中間換乘車站，位于二七北路北側(cè)，沿東西向并行地下埋設(shè)，采用明挖順筑法施工，為二層雙柱三跨島式車站，車站全長511.6 m，平均基坑深度約為16.8 m。基坑北側(cè)為既有住宅，南側(cè)為江邊客車存放場走行線。鐵路中心線距離車站西端頭井基坑外皮最近6.75 m，距離標(biāo)準(zhǔn)段基坑外皮最近6.92 m，距離東端頭井基坑外皮最近6.42 m，位于鐵路安全保護區(qū)范圍內(nèi)，是車站基坑施工過程中的主要風(fēng)險源。江邊客車存放場走行線為單線鐵路，道床結(jié)構(gòu)為碎石道床，木制軌枕。

車站主體圍護結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻和三道內(nèi)支撐支護結(jié)構(gòu)。地下連續(xù)墻深度約24 m，進入中風(fēng)化不透水巖層不少于1 m。三道內(nèi)支撐由上至下依次為：第一道鋼筋混凝土支撐（800 mm×1 000 mm）、兩道鋼支撐（609，壁厚t=16 mm），在東西端頭井處增加一道換撐（609，壁厚t=16 mm）。同時，為了有效控制既有鐵路軌枕變形和沉降，在地下連續(xù)墻與鐵路之間設(shè)置一排隔離樁進行鐵路隔離加固，隔離樁采用800 mm鉆孔灌注樁，緊貼著基坑地下連續(xù)墻敷設(shè)。既有鐵路與地鐵車站位置關(guān)系詳見圖1。

圖1 位置關(guān)系平面圖

根據(jù)現(xiàn)場勘查，現(xiàn)場地面標(biāo)高介于15.28～20.41 m之間，大多在20.0 m左右，現(xiàn)場地勢局部稍有起伏，土層自上而下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、中砂、礫砂、圓礫、泥質(zhì)粉砂巖及鈣質(zhì)泥巖。其參數(shù)詳見表1。

表1 數(shù)值模擬計算巖土力學(xué)參數(shù)

2 施工過程數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

根據(jù)該項目實際情況和現(xiàn)場實際地質(zhì)條件，將土層簡化為水平層狀分布的連續(xù)材料，采用有限元軟件Midas/GTS對該工程進行數(shù)值模擬分析。土層采用修正莫爾－庫侖彈塑性模型，用實體單元模擬土體，基坑圍護結(jié)構(gòu)、車站樓板采用板單元模擬，基坑支護的內(nèi)支撐、冠梁采用彈性模型[4]。模型的邊界條件為前后左右面均施加水平位移約束，底部施加豎向位移約束，頂面自由[5]。鐵路列車荷載按照《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》選取，該工程施加荷載60.1 kPa。根據(jù)上沙溝站主體圍護結(jié)構(gòu)與鄰近鐵路的平面位置關(guān)系，以及現(xiàn)場實際距離和結(jié)構(gòu)尺寸，建立一個180 m×100 m×40 m（X×Y×Z）的幾何模型，在該范圍內(nèi)通過激活和鈍化基坑內(nèi)的土層單元模擬施工工況，并計算各工況下土層位移和周邊變形。三維計算模型見圖2。新建地鐵車站與既有鐵路的計算模型詳見圖3。

圖2 三維計算模型

圖3 圍護結(jié)構(gòu)計算模型圖

根據(jù)地鐵基坑開挖的施工步序，對模型進行了簡化拆分，劃分為9個計算工況，重點分析鄰近鐵路路基變形，經(jīng)簡化后列舉如表2所示。

表2 輸入施工工況

2.2 計算結(jié)果分析

當(dāng)基坑開挖至底層時，周邊土體和鐵路位移變形計算結(jié)果詳見圖4～6。

圖4 豎向位移云圖

從實施過程角度分析，隨著車站基坑開挖過程中，各結(jié)構(gòu)變形如下：

（1）基坑南北兩側(cè)地下連續(xù)墻變形呈不對稱趨勢。南側(cè)地連墻變形計算值為4.48 mm，北側(cè)約為4 mm。

（2）坑底隆起最大值發(fā)生于架設(shè)第二道支撐之前，計算值約為9 mm。

（3）隔離樁對隔離地面沉降及側(cè)向變形有一定的效果。

（4）軌面最大水平位移1.55 mm，最大沉降量為1.08 mm，呈均勻化趨勢。最大軌向位移0.211 mm位于隔離樁邊緣。在隔離樁的保護下軌道沉降及變形基本可控。

3 結(jié)論及建議

該文根據(jù)設(shè)計加固方案和基礎(chǔ)資料對南昌軌道交通3號線鄰近江邊貨場走行線路基段展開了安全影響評估，計算得到鐵路出入線產(chǎn)生的絕對沉降約為2.5 mm，表明經(jīng)過鉆孔樁加固隔離后，基坑在可控的動態(tài)施工保護下基本可以保障鐵路運營安全，加固設(shè)計方案基本可行，在施工工藝滿足設(shè)計及規(guī)范要求的前提下基本可保證鐵路在限速狀態(tài)下的運營安全。由此提出如下細化建議：

圖5 水平向位移云圖

圖6 端頭井端墻位移云圖

（1）線路軌道靜態(tài)幾何尺寸容許偏差管理值采用υmax≤120 km/h正線及到發(fā)線相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具體數(shù)值參見相關(guān)附表。

（2）設(shè)計方案選用的加固工法為鉆孔灌注樁，考慮到成樁需穿透地表一定厚度的填土層，建議適當(dāng)考慮填土層加固以降低填土層鉆孔塌槽的可能性。另外，由于鉆孔樁樁架高度大于鐵路凈距，建議在施工前編制完善的樁架防倒方案，避免倒塌對鐵路的影響。

（3）建議選取沉降控制指標(biāo)的40%和70%作為預(yù)警值和報警值，達到預(yù)警值后即可著手對道床實施扳道墊渣；達到報警值后應(yīng)立即進行地層跟蹤注漿補償沉降。

（4）為了預(yù)防部分區(qū)域突發(fā)性不均勻沉降的情況，地面可適當(dāng)考慮線上加固的可能性。線上加固啟動標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)鐵路產(chǎn)權(quán)方的相關(guān)要求及監(jiān)測數(shù)據(jù)決定。線上加固主要分為軌束梁扣軌加固、橫挑縱抬梁加固、組合鋼便梁加固這三類，后續(xù)階段可根據(jù)實際現(xiàn)場的可實施性及整體造價等因素綜合選擇。

（5）由于車站大里程端部分區(qū)間隧道在鐵路安全影響范圍內(nèi)，建議車站隔離加固措施按照隧道結(jié)構(gòu)外邊線凈距8 m為針對區(qū)間隧道的保護范圍并進行隔離（即隔離樁過車站端頭墻后繼續(xù)向兩邊延伸20 m左右的距離），同時車站與區(qū)間的隔離樁一并設(shè)計、施工，以保障鐵路安全。