大型基坑施工对轨道交通结构影响分析

张兵兵 卢伟晓

（济南轨道交通集团有限公司，山东济南 250000）

随着济南轨道交通建设进入了快车道，城市核心区的地下空间开发项目越来越多，在轨道交通周边进行大规模的基坑开挖在所难免[1-2]。目前济南市邻近轨道交通大型基坑可供参考项目较少，本文通过数值分析方法，重点研究了邻近轨道交通基坑项目施工影响，为后期类似工程建设提供技术支撑。

1 工程概况

济南市中央商务区南部能源中心项目（以下简称南部能源站）位于历下区华阳路以东中央商务区东西向绿轴西端（1-31地块地下），华阳路以东、纵二路以西、横七路以北、新泺大街以南地块。场地内目前现状为空地，毗邻在建的济南市轨道交通CBD预留地下车站及地下区间工程。

南部能源站占地面积约5603m2，总建筑面积约13680.9m2。南部能源站项目的基坑总面积5603m2，基坑开挖深度为14.75~19.1m。西侧邻近待建的地铁出入口结构（最近处围护桩距地铁结构水平净距2.66m），围护结构采用单排800mm直径钻孔灌注桩，桩间距1500mm，有效桩长19m，设置两道混凝土内支撑，回筑阶段利用负二层夹层板及楼板进行换撑；南侧邻近待建的地铁附属风亭结构（最近处围护桩距地铁结构水平净距0.67m），围护结构采用单排800mm直径钻孔灌注桩，桩间距1500mm，有效桩长19m，设置两道混凝土内支撑，回筑阶段利用负二层夹层板及楼板进行换撑；南侧邻近地铁区间结构（最近处围护桩距地铁结构水平净距3.66m），围护结构采用单排800mm直径钻孔灌注桩，桩间距1500mm，有效桩长14m，混凝土面层+锚杆支护。

本工程基坑南侧邻近轨道交通车站—华阳路站及东侧相邻明挖区间，该站位于横七路（规划道路）与华阳路（规划道路）十字路口，横跨华阳路，沿横七路东西向设置，为地下二层岛式车站，主体结构主要采用地下两层单柱双跨（局部双柱三跨或单跨）钢筋混凝土箱型框架结构。站内净总长度234m，标准段内净宽度19.7m，东端头井内净平面尺寸为24×13m，接地下两层明挖区间。车站有效站台中心处规划标高76.75m，规划覆土厚度约4.6m。

图1 建设项目与轨道交通平面关系

2 工程地质及水文概况

场地内第四系地层主要由人工堆积层、山前冲洪积成因的黄土、粘性土、碎石土组成，下伏基岩为奥陶系石灰岩、泥灰岩。

勘探期间未见第四系松散岩类孔隙水。根据附近工程进行的岩土工程勘察经验，该区域丰水期内岩溶裂隙水水头标高约37.41～38.30m，水井内得水头标高为38.50m；枯水期岩溶裂隙水水头标高31.52～32.11m，根据水文地质调查资料，场地岩溶裂隙水年变化幅度约10～15m，其常年水头标高多在30～40m之间变化。

拟建场地地下水位升降所波及的深度主要位于石灰岩中，场地钻孔揭示溶洞，填充物以粘土为主，充填物密实度较好。通过实地调查、走访，场地至今没有发现地面岩溶塌陷现象，也未发现史料这方面的记载。因此，拟建场地发生岩溶塌陷地质灾害危险性小。

场地第四系土层以下局部分布泥灰岩风化带，受节理裂隙和矿物成分的影响，风化程度和均匀性方面差异较大。风化岩具有一定的结构强度，在基础施工时，应注意对风化泥灰岩原状结构的保护，以防影响其地基强度。另外，泥灰岩具有遇水软化的特点，在基础施工时应避免受水浸泡，防止产生不良后果。

3 施工影响分析

3.1 总体分析控制

本工程基坑与地铁项目工地接近，且与车站主体、附属结构存在交叉施工。能源站外墙线距离华阳路站外墙线距离约6.2～8.5m，华阳路站基底标高约56.711～56.742m，能源站基底标高为52.900m。区间段为明挖结构，能源站外墙线距离华绸区间外墙线距离约7.6～8.6m，华绸区间基底标高约57.714m，能源站基底标高为52.900m。华阳路站附属风井位于能源站与华阳路站之间，风井外墙线距离能源站外墙线约2.07m。为了减少基坑施工过程中对地铁结构的影响，采取了以下专项保护措施：

（1）基坑西侧、南侧与邻近地铁附属出入口及风亭结构区段：围护结构型式为大直径钻孔灌注桩和混凝土内支撑，增强基坑自身刚度。

（2）南侧与邻近地铁区间结构区段：围护结构型式为抗侧刚度好的钻孔灌注桩，打设锚杆支护，上部土体部分挖除卸载，很好的控制了地铁结构的变形。

（3）整个基坑分A、B区先后开挖，先开挖远离地铁主体侧的土体（南北向60m范围），后开挖邻近地铁主体侧的土体（南北向30m范围），降低了同一时间段内的基坑土体卸荷规模，有利于降低基坑施工对地铁结构的影响。

3.2 数值分析

围护设计方案考虑到该工程紧邻地铁车站，为减小基坑变形对地铁结构的影响，基坑采用分区分期施工、选用较强的围护结构及内支撑型式，同时加强了邻近地铁侧的止水措施。

数值分析选用了MIDAS/GTSNX岩土软件作为计算平台，岩土参数根据勘察报告，并结合邻近地块的安全评估报告数据得来，第四系土层选用修正摩尔库伦模型[4]，中风化岩选用弹性本构。数值模拟计算采用的基坑土参数表如表1所示。

采用等效刚度原则将地铁车站采用实体单元建模，钻孔灌注围护桩及墙板结构等采用板单元建模，临时立柱、桩基采用梁单元建模，并设置切向弹簧模拟板单元、线单元在网格节点位置发生剪切方向的摩擦交互作用[3]。三维建模原型中，土体建模x方向总长达到210m；土体建模y方向总长200m；土体建模z方向总长40m（基岩层）。

表1 岩土层计算参数

图2 车站结构最大水平位移/mm

车站结构的最大水平位移（指向基坑内侧）2.5mm，竖向位移＜1mm。模拟结果表明：基坑施工全过程对地铁车站的影响能够满足轨道交通结构水平及竖向位移量控制要求[4]。

3.3 轨道交通保护措施

（1）合理安排出土时序，分块分仓开挖，避免基坑底长时间的大面积暴露开挖施工；严禁采用爆破法开挖；挖土过程中严禁施工机械碰撞、冲抓、碾压支护结构，土方开挖应遵循“对称开挖、分层开挖、严禁超挖”的原则[5-6]。

（2）地块邻近轨道交通结构基坑完成素土回填的，由于回填土较疏松、强度低、空隙大、承载力低，影响钻孔桩成桩，容易塌孔，从而影响轨道交通结构及防水安全。应采取预先注浆措施将回填土注浆加固，然后再进行钻孔桩施工，避免钻孔桩施工对车站侧墙及防水造成破坏。

（3）严禁采用锤击桩，施工过程中应加强对地表沉降的监控量测，并对轨道交通结构变形进行实时监控，确保结构的安全[7]。

4 总结

本文采用三维有限元数值方法分析了邻近轨道交通结构拟建大型基坑开挖的施工影响，获取了各工况下的基坑自身和轨道交通结构的变形与内力。结果表明由于地层条件较好，并采用了较为合理的围护设计及基坑开挖方案，基坑施工对轨道交通安全影响不大，不影响轨道交通的安全运营。本文研究成果为本地区邻近轨道交通项目提供了参考，可供后期类似工程借鉴。