胡 軍

(中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司 山東濟(jì)南 250013)

1 引言

軌道交通保護(hù)紅線內(nèi)的施工項(xiàng)目不斷增多帶來的軌道交通安全運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)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(yùn)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(hào)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(nèi)及地面聯(lián)合測量監(jiān)測、復(fù)合式防護(hù)技術(shù)、鋼筋籠加強(qiáng)筋精度控制等方法，實(shí)現(xiàn)了鄰近地鐵樁基施工零預(yù)警、樁基質(zhì)量全部合格的目標(biāo)。周丁恒等[2]以杭州地區(qū)某鄰近地鐵車站和區(qū)間隧道深基坑為對象，在分區(qū)施工方案的基礎(chǔ)上，將近地鐵區(qū)域內(nèi)分區(qū)與分層施工順序優(yōu)化結(jié)合，同時(shí)提出加強(qiáng)墊層、增設(shè)型鋼支撐、隔離樁及加固、施工荷載控制等保護(hù)措施，取得了良好的效果。文獻(xiàn)[3－8]研究了地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)深基坑、樁基施工技術(shù)，探析了不同工況對軌道交通設(shè)施的保護(hù)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(diǎn)研究基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(jìn)行監(jiān)測。文獻(xiàn)[10－12]研究了鄰近地鐵深基坑施工過程中相關(guān)監(jiān)測技術(shù)，為控制運(yùn)營軌道交通設(shè)施的變形提供了有力的技術(shù)支持。

本文以濟(jì)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(zhì)

2.1 工程概況

復(fù)地濟(jì)南中央商務(wù)區(qū)A1地塊項(xiàng)目位于濟(jì)南中央商務(wù)區(qū)核心位置，A1地塊項(xiàng)目規(guī)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(yè)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(dá)13.1～15.3 m，開挖面積25 000 m2。項(xiàng)目基坑與地鐵車站位置關(guān)系如圖1所示?；油鈮€距離6號(hào)線車站外墻線約2.6 m，距離換乘節(jié)點(diǎn)最近距離約33.4 m。

圖1 項(xiàng)目基坑與地鐵車站位置關(guān)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(hù)形式，東西向?yàn)榈罔F6號(hào)線，南北向?yàn)榈罔F7號(hào)線。項(xiàng)目塔樓基坑近鄰6號(hào)線車站結(jié)構(gòu)，車站凈長353.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)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(hào)線車站為地下二層島式站，車站凈長278 m，標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)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(zhì)

塔樓基坑開挖深度范圍內(nèi)主要存在的土體為素填土、黃土狀粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、黏土及強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化石灰?guī)r等?？辈炱陂g鉆孔深度范圍內(nèi)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(xiàng)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(hù)設(shè)計(jì)與研究方法

3.1 基坑支護(hù)

A1地塊項(xiàng)目2號(hào)塔樓緊貼已建成的綢帶公園站6號(hào)線主體結(jié)構(gòu)，為減小基坑開挖對車站結(jié)構(gòu)的影響，采用圍護(hù)樁進(jìn)行隔離，同時(shí)西北角處基坑采用內(nèi)支撐方案；東側(cè)鄰近南北向地下車站，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用單排?800 mm鉆孔灌注樁，樁間距1 600 mm，設(shè)置三道錨桿；南側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(jù)1號(hào)、2號(hào)塔樓及裙樓施工工藝，基坑開挖前先期施工樁基圍護(hù)結(jié)構(gòu)，分層開挖基坑至設(shè)計(jì)標(biāo)高后施工塔樓、裙樓底板及地下結(jié)構(gòu)。根據(jù)樁基施工設(shè)計(jì)方案，地下結(jié)構(gòu)完成期間需回填結(jié)構(gòu)與圍護(hù)樁間的肥槽。因此，基坑開挖、回筑及工后沉降會(huì)對車站主體造成一定影響。

采用MIDAS/GTS軟件進(jìn)行三維數(shù)值仿真計(jì)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(jì)算及分析結(jié)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(jié)構(gòu)的內(nèi)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(yīng)的保護(hù)措施及施工對策。

4 模擬計(jì)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(hào)線車站結(jié)構(gòu)范圍較大，基坑分段分層放坡開挖，采用限制卸載規(guī)模實(shí)現(xiàn)控制近鄰地鐵車站結(jié)構(gòu)變形的目的，以規(guī)避大面積開挖產(chǎn)生集中卸載引起的車站主體結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)施工、基坑開挖、結(jié)構(gòu)回筑三個(gè)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(hù)結(jié)構(gòu)在土體壓力作用下迫使基坑開挖面以下結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)位移，擠壓坑內(nèi)土體，加大了坑底土體的水平方向應(yīng)力，導(dǎo)致坑底土體向上隆起。基坑不同開挖方式引起的卸荷規(guī)模、方式不同，但同一地點(diǎn)開挖卸荷對地鐵車站產(chǎn)生的附加應(yīng)力和自身變形起主要作用。

結(jié)構(gòu)回筑時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行施工工序要求，混凝土強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方能進(jìn)行圍護(hù)樁(墻)破除等施工，基坑土體及結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1、表2。

表1 基坑土體參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)

4.2 模擬計(jì)算

4.2.1 模擬計(jì)算范圍

根據(jù)工程概況，結(jié)合周邊類似工程經(jīng)驗(yàn)，基坑北側(cè)段與地鐵車站近鄰處挖通；其他區(qū)域采用灌注樁支護(hù)，局部采用樁錨支護(hù)方式。模擬分析項(xiàng)目基坑工程實(shí)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(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的控制性參數(shù)是否在結(jié)構(gòu)安全承載范圍之內(nèi)，確定施工全過程是否滿足軌道交通安全保護(hù)的相關(guān)要求。

4.2.2 模擬過程

(1)土體采用實(shí)體單元建模，采用修正摩爾—庫倫本構(gòu)模型。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告提供的地下水位及其相應(yīng)參數(shù)模擬真實(shí)施工情況。

(2)采用等效剛度原則建立地鐵車站實(shí)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(shè)置剪切彈簧模擬板單元、線單元在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生剪切方向的摩擦交互作用。

(3)建模過程中，結(jié)構(gòu)單元的幾何模型參數(shù)均參考基坑平、剖面圖，標(biāo)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(shè)置為Midas默認(rèn)的地基支承邊界條件。

(4)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為 ?800 mm＠1600和?1 000 mm＠1600灌注樁，利用等剛度原理轉(zhuǎn)換為厚500 mm、622 mm的地下連續(xù)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(tài)；工況1結(jié)束后保留土體平衡應(yīng)力，初始位移歸零。

工況2:項(xiàng)目基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工，并架設(shè)鋼筋砼冠梁。

工況3:基坑第一步開挖，并架設(shè)第一道預(yù)應(yīng)力錨桿和內(nèi)支撐。

工況4:基坑第二步開挖，并架設(shè)第二道預(yù)應(yīng)力錨桿和內(nèi)支撐。

工況5:項(xiàng)目基坑第三步開挖(挖至基坑底)，并架設(shè)第三、四道預(yù)應(yīng)力錨桿。

4.2.3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地下車站結(jié)構(gòu)受力變形分析

(1)基坑豎向位移

按工況2～工況5模擬計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

按工況2～工況5模擬計(jì)算施工過程中基坑圍護(hù)樁的水平位移，結(jié)果如圖3顯示。基坑圍護(hù)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(jié)構(gòu)位移

根據(jù)模擬計(jì)算，地鐵車站結(jié)構(gòu)最大位移發(fā)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(jiān)測

5.1 監(jiān)測要求

工程建設(shè)期間，做好施工監(jiān)測及第三方監(jiān)測，包括基坑、塔樓及地鐵車站結(jié)構(gòu)的監(jiān)控量測。建立有效的信息化監(jiān)控量測體系，根據(jù)監(jiān)測資料及時(shí)控制和調(diào)整施工進(jìn)度及施工方法，對施工全過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。做好監(jiān)測點(diǎn)的保護(hù)工作，及時(shí)修復(fù)損壞的監(jiān)測點(diǎn)；應(yīng)保證監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確和完整，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，及時(shí)預(yù)警處理。

5.2 監(jiān)測項(xiàng)目

(1)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測，在基坑圍護(hù)樁(墻)鋼筋籠中綁扎測斜管。

(2)地表沉降監(jiān)測網(wǎng)應(yīng)涵蓋本工程的整個(gè)建設(shè)期，包含基坑開挖及主體建設(shè)階段。應(yīng)布置平行于軌道交通結(jié)構(gòu)的軸線沉降監(jiān)測點(diǎn)和垂直于軌道交通結(jié)構(gòu)軸線的沉降監(jiān)測點(diǎn)，本工程主體結(jié)構(gòu)布設(shè)沉降監(jiān)測點(diǎn)。

(3)基坑隆起、立柱隆沉監(jiān)測。

5.3 監(jiān)測指標(biāo)

軌道交通結(jié)構(gòu)各項(xiàng)控制值應(yīng)滿足?城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范?(CJJ/T 202—2013)相關(guān)規(guī)定[13]。

5.4 工程施工過程控制要求

鄰近軌道交通結(jié)構(gòu)側(cè)基坑開挖對軌道交通影響風(fēng)險(xiǎn)較大，應(yīng)制定詳盡應(yīng)急預(yù)案，嚴(yán)格施工管理；嚴(yán)格控制開挖步序、開挖時(shí)間及開挖方量，及時(shí)架設(shè)支撐，嚴(yán)格控制基坑周邊堆載?；邮┕み^程應(yīng)做好信息化施工監(jiān)測，及時(shí)準(zhǔn)確地對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時(shí)調(diào)整開挖施工參數(shù)，有效控制施工風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)論

計(jì)算結(jié)果分析表明:車站結(jié)構(gòu)最大水平位移為(指向基坑內(nèi)側(cè))3.3 mm，豎向位移為2.3 mm，基坑支護(hù)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(jié)構(gòu)施工全過程對地鐵車站的影響可控，能夠滿足軌道交通結(jié)構(gòu)水平及豎向位移量不大于10 mm的要求。項(xiàng)目實(shí)施過程中應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的施工控制，避免發(fā)生車站結(jié)構(gòu)的變形量大于理論分析值的情況。