京张高铁清河站深基坑支护结构设计

2020-01-09傅慧敏吴海洋昝海柱李喜庆

铁道勘察 2020年1期

傅慧敏吴海洋昝海柱李喜庆王永

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055； 2.北京交通大学建筑勘察设计院有限公司，北京 100044；3.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

城市地下工程建设多穿越既有建筑、市政道路、管线等基础设施非常完善的城市中心地带，常遇到既有设施邻近地下工程深基坑，成为地下工程建设的风险源。此时，地下工程建设会对既有设施的使用、安全造成影响。

京张高铁清河站房工程地下为二层。基坑西侧邻近地铁13号线，影响13号线长度近800 m。因此，需要对基坑支护结构设计进行理论分析，论证其安全性，保证地铁13号线的正常运营安全[3]。

张燕书[1]、吴锋波[2]等对明挖地铁深基坑的变形进行了深入研究；康志军[3]就基坑支护结构最大侧移深度对周边环境的影响进行了探讨；孙宏伟[4]、李伟强[5]、贾夫子[6]、孟晓伟[7]、信磊磊[8]、邹淼[9]等对深基坑邻近风险源的支护结构进行了数值模拟分析。以下借鉴以上学者的理论分析，对清河站房的深基坑设计进行研究。

1 清河站工程概况

京张高铁清河站综合交通枢纽工程位于北京市海淀区清河镇，小营西路与G7京新高速交汇处东北角，西侧紧邻地铁13号线西二旗站-上地站区间。枢纽由高铁站房及配套工程、地铁车站及换乘配套工程、市政配套工程组成。地下二层，地上二层(见图1)。

图1 清河站平面示意

基坑概况：宽60～140 m，长660 m，深8.30～21.70 m(邻近13号线侧最大深度为17.5 m)，总面积84 800 m2；基坑西侧临近地铁13号线，影响13号线长度近800 m，基坑距离13号线路基段最近处仅5.6 m，距离高架段最近处仅7 m(见图2)。

图2 基坑平面

2 既有地铁13号线概况

地铁13号线是北京市的一条重要轨道交通线。清河站地下工程施工期间，13号线的运营不能受到影响。

高架段结构：高架桥上部结构由8联(25 m+25 m+25 m)预应力钢筋混凝土连续梁组成，对应墩号为0～24号，桥墩为双墩，基础为4桩承台基础；承台顶入土深度为0.5～0.8 m，承台下部为直径1 m的钻孔桩，桩长25～30 m。

路基段结构：挡土墙的高填方段采用了碎石道床结构，线路间距为3.6 m，路基段宽11 m，路基填方高约3.1 m。

3 邻近13号线一侧的基坑支护设计

3.1 工程地质及水文地质概况

(1)工程地质剖面

典型工程地质剖面见图3。

图3 地质剖面(高程单位：m)

(2)水文地质

勘探深度范围内存在4个可含水层，分别为③细砂层、⑤砂砾层、⑦卵砾石层和⑨卵砾石层。③细砂层中可赋存层间水；⑤砂砾层具有稳定的地下水位，为潜水-承压水，稳定地下水位埋深 23.0～27.3 m，⑦卵砾石层和⑨卵砾石层均赋存有层间承压水。

3.2 基坑支护设计

采用明挖法施工，在基坑外布设单排φ600@350 mm的旋喷桩止水帷幕[10]。

(1)确定基坑设计标准

①基坑设计目标

按照现行标准[11]要求，地铁区间结构与轨道变形控制指标为：竖向变形控制值3.0 mm，横向变形控制值3.0 mm。

②安全等级

根据基坑深度、距离既有13号线的水平距离、13号线结构的破坏后果影响程度，将基坑分为不同的安全等级，邻近13号线路基段的基坑安全等级为一级，邻近13号线高架段的基坑安全等级为二级。

③支护结构水平变形控制值及地表的沉降变形控制值

根据规程[12]第3.1.7-4条确定：一级基坑为0.002h，二级基坑为0.004h；地面沉降量按≤30 mm控制；h为基坑开挖深度。

(2)基坑支护结构初步方案确定

采用平面设计经典计算方法进行试算，初步确定基坑支护结构方案(基坑支护结构典型剖面位置见图2)。

邻近路基段典型支护剖面(1-1剖面)见图4。

图4 路基段基坑支护结构(单位：mm；高程单位：m)

位置：基坑西南侧邻近13号线路基段，基坑与既有线路基水平距离为5.38～5.58 m，基坑双排桩外皮至路基挡土墙外边线最近距离约1.5 m，基坑深度为 17.2 m。

采用“双排桩+预应力锚索”支护[14-15]，桩长30.4 m。打设5道预应力锚索，锚索长度为19.0～24.0 m。

支护结构变形计算结果：桩顶水平位移为19.2 mm≤0.002h，地面沉降为17 mm≤30 mm。

邻近高架段典型基坑支护剖面(3-3剖面)见图5。

位置：基坑与既有地铁13号线高架段桥墩墩台外边线水平距离为6.42～21.30 m，基坑双排桩外皮至高架段桥墩墩台外边线的最近距离约为3.4 m；基坑深度为8.3 m。

地铁运营公司不允许锚索进入13号线桥墩承台下，故采用了双排桩[14-15]的支护方式，桩长14.5 m。

支护结构变形计算结果：桩顶水平位移为6.28 mm≤0.004h，地面沉降为8 mm≤30 mm。

图5 高架段段基坑支护结构(单位：mm；高程单位：m)

3.3 数值模拟分析

建立“基坑支护结构—岩土—13号线结构”整体模型，对施工过程进行数值模拟分析，对初步设计方案进行评估，根据分析结果进行设计方案优化。

(1)计算模型的确定

①基本假定

仅考虑正常使用工况，不考虑地震、人防工况。

假定地铁结构为线弹性材料。

假定新建基坑、既有地铁结构及土体之间符合变形协调原则。

②计算模型材料参数

土层参数参考地勘资料选取，土层及结构参数见表1。

③计算软件及模型建模

采用 ANSYS 软件，模拟新建基坑施工过程对地铁 13 号线上地站-西二旗站区间结构及轨道的安全性影响。

根据不同的材料采用不同的本构模型。对于混凝土材料，采用线弹性模型，对于各层土体，采用D-P模型。土层和既有地铁结构均采用实体单元Solid45模拟。对于周围土体，采用实体单元，不同的土层对应不同的材料。边界条件：顶面取为自由边界，四个侧面为法向约束，底面每个方向均约束。

表1 材料参数

④模型计算范围

模型范围的确定：根据基坑工程邻近13号线的相对位置关系及影响范围，基坑邻近路基段模型范围为沿既有地铁线路纵向140 m，横向80 m，土层厚50 m。基坑邻近高架桥段模型范围为沿既有地铁线路纵向180 m，横向80 m，土层厚50 m。

(2)模拟工序(模型一)

路基段基坑工序模型如图6。

图6 路基段基坑工序模型

第一阶段：施作围护桩，开挖4.3 m，设置第一道锚索；第二阶段：开挖4 m，至第一级台阶，设置第二道锚索；第三阶段：施作第二级台阶围护桩，设置第三道锚索，开挖3.5 m：第四阶段：开挖3 m，设置第四道锚索；第五阶段：设置第五道锚索，开挖2.5 m至坑底；第六阶段：混凝土搅拌桩加固施工，坑内桩基加载。

13号线路基结构的变形预测结果见表2。