明挖区间近距离侧穿高速公路与既有地铁路基段风险分析

2018-05-30康佩

铁道勘察 2018年2期

康佩

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

北京是国内第一个修建地铁的城市，随着地铁建设的不断发展，现已形成复杂交错的地下轨道交通网，伴随而来的现象就是城市可利用地下空间越来越少，新建线路将不可避免地穿越既有线路[1]。北京地铁27号线(昌平线南延)工程连接既有昌平线与9号线，北起西二旗站，南至9号线国家图书馆站。受场地环境和线路走向的限制，地铁27号线自西二旗站与既有昌平线接轨后，地下区间只能采用明挖法施工，西二旗站南端明挖区间侧穿G7(京新)高速公路与既有地铁13号线之间的狭长地带(见图1)，施工会对G7及13号线路基造成一定的影响，风险等级为特级。

图1 区间与G7高速和地铁13号线路基平面关系

1 工程概况

1.1 设计概述

根据埋置深度不同，采用U形槽和单层双跨矩形框架的结构形式。其中，U形槽段长211.92 m，结构宽10.90～12.42 m，埋深1.6～8.0 m；框架段长129.64 m，结构宽11.82～12.89 m，埋深8.0～11.6 m。

明挖区间位于G7高速与既有地铁13号线之间的狭长地带，最窄处仅12 m，部分进入G7高速护坡范围，无放坡开挖条件，故围护结构采用“钻孔灌注桩+钢支撑”的支护形式(见图2)。

(1)区间邻近G7高速路基段

G7高速公路为双向6车道，宽35 m，道路两侧采取边坡支护。明挖基坑最大深度约11.8 m，基坑边与G7高速路基坡顶边线净距2.4～3.4 m。由于区间结构部分进入高速公路护坡范围，为降低施工对路基的扰动，采取了填土反压的措施。填土高度与路面高度相同，约为5.0 m；远离高速公路一侧，按1∶1.5放坡至地面。

(2)区间邻近地铁13号线路基段

地铁13号线路基段为碎石道床结构，线间距为3.6 m，路基段宽11 m。基坑边与13号线路基边线净距为4.3～5.5 m。

图2 区间与G7高速和地铁13号线路基剖面关系

1.2 工程地质条件

本区间穿越的地层从上到下为人工填土①，粉质黏土②1，细、中砂③3，粉质黏土④，卵石⑤层(物理力学参数见表1)。场地范围内地下水位较低，明挖区间结构底板位于地下水位以上，无需降水，结构施工时如遇上层滞水可采用明排措施。

表1 工程地质参数

2 基坑支护形式及变形分析

围护结构采用钻孔灌注桩+钢支撑的支护形式。根据基坑规模、周边环境条件及相关规范及设计要求，区间明挖基坑变形控制等级为一级[2]，基坑变形控制标准为：地面最大沉降量≤0.15%H(H为基坑深度)；围护结构最大水平位移≤0.2%H，且≤30 mm。初步决定采用φ1 000@1 500 mm钻孔灌注桩作为围护结构，桩间采用100 mm厚网喷混凝土，桩顶设冠梁。钢支撑直径为609 mm，壁厚16 mm。

2.1 二维基坑变形计算

(1)U形槽段

根据以往工程经验，U形槽底板埋深较浅处可采取悬臂围护结构形式，不设置第一道钢支撑。当埋置深度小于3.5 m时，在不设置第一道支撑的情况下，基坑周边地表沉降最大值为9 mm，满足基坑变形控制要求。

明挖基坑临近既有地铁13号线，风险等级为特级，故U形槽段围护结构暂不取消第一道支撑。U形槽最深处围护结构变形计算结果如图3所示，地表最大沉降为8 mm，围护结构最大水平位移为6.5 mm，满足基坑变形控制要求。

(2)框架段

竖向设置两道钢支撑，埋深最大处围护结构计算结果如图4所示，地表最大沉降为17 mm，围护结构最大水平位移为13.5 mm，满足基坑变形控制要求。

2.2 变形分析及工程技术措施

区间邻近G7高速一侧需要采取填土反压的措施，该侧围护桩高出邻近13号线一侧平均高度约3.5 m，故第一道支撑以上3.5 m范围内，邻近G7高速公路一侧的围护桩为悬臂形式，计算所得地表沉降及围护结构位移均较大。为了减小这一影响，拟将围护桩间距由1.5 m调整为1.2 m，计算所得地表最大沉降为15 mm，围护结构最大水平位移为12 mm。

图3 U形槽最深处围护结构计算结果

图4 框架段最深处围护结构计算结果

3 数值模拟分析

为了更好地分析明挖区间施工过程对邻近G7高速及既有地铁13号线路基的影响，可借助有限元计算软件模拟基坑开挖及主体结构施工的全过程。

3.1 计算模型

采用MIDAS/GTS仿真分析软件进行三维模拟分析。计算模型左右水平计算跨度取基坑深度的3倍，竖向计算范围取地表面至埋深为3倍隧道高[3]。隧道围岩本构模型采用修正摩尔-库伦模型，以考虑围岩的非线性变形(见图5)。

图5 有限元计算模型

采用明挖法开挖，每步开挖后及时进行支护，施工计算步骤严格按照隧道施工顺序进行，支撑的安装和拆除顺序与支护结构工况相符合[4]。首先计算原始地应力，岩土体的开挖在前一计算步骤所得地应力分布的基础上进行。首先按照围护桩间距为1.5 m并且不采取任何风险处理措施进行计算。

3.2 计算结果及分析

区间隧道开挖前，土体在受到上部荷载及自重的情况下，受力状态已趋于稳定，隧道开挖后，土体会产生应力重分布。随着开挖的进行，基坑周边的土体应力得到释放[5]，进而产生相应的变形。邻近G7高速公路及地铁13号线路基段下方的土体受到扰动后，不可避免地会对既有路基产生影响。

模拟计算中，首先要考虑明挖区间施工导致既有路基段产生的变形大小和分布形式，进而验算既有线结构的变形容许值。相关研究表明，国内外既有地铁工程的变形控制标准多为±(5～10) mm[6]，结合相关运营要求，暂定变形控制标准为±5 mm。

(1)G7高速路基段位移

通过模拟计算可得，G7高速路基段路面竖向位移随着基坑开挖进程逐渐增大，最终路基面位移最大值为9.7 mm。填土范围内位移最大值为12.6 mm，发生在区间基坑最深处所对应的位置，此处也为基坑距离G7高速最近处(见图6)。从基坑中部开始，路基出现隆起现象，原因可能为该范围内基坑距离路基过近，基坑底部土体应力释放导致基坑底部及其侧壁土体产生隆起，进而使得邻近路基部分土体向上收敛[5]。