邻近地铁换乘站的深基坑开挖与保护措施研究

朱 红，罗 源，郝 理

(中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 400013)

0 前 言

现代城市逐渐向着以地铁为核心的地下空间综合体发展，邻近地铁区间和车站新建工程项目的案例也越来越多[1-2]。基坑开挖及建筑的加载作用会改变周边构筑物的边界条件，特别是对变形控制要求较为严格的轨道交通结构，施工引起的错台、轨道翘曲变形会影响地铁列车的运行，严重时会危害地铁的运营安全[3-4]。台湾地区某地铁区间因周边深基坑开挖，导致衬砌结构破裂，造成了恶劣的社会影响和巨大的经济损失。

基坑开挖施工工序明确、程序性强，简单的理论推导计算难以完善地考虑地质构造情况、支护条件、施工步骤和时空效应等影响，行业内通常采用数值分析方法研究施工对邻近地铁车站的影响。郑刚等[5]通过二维分析出基坑开挖会改变土层的主应力方向，邻近的地下结构会向着基坑方向旋转；伍尚勇[6-9]等结合实际工程，分析了不同的基坑施工工序对邻近的隧道内力和位移的影响，得出变形影响规律规律；王罡[10]建立三维计算模型，分析对比模拟结果与实测情况，验证了有限元模拟对结构风险评估的可行性和合理性，并结合工程提出隧道结构的变形控制标准。本文以邻近地铁换乘站的某深基坑项目为例进行分析，研究基坑施工可能对车站结构的影响，提出相应的保护措施。

1 项目概况

项目拟建4栋83.6～98.0m的高层办公楼及商业裙楼。项目位于地下车站50 m轨道保护区范围内，南侧为运营轨道交通十号线，东侧为在建轨道交通九号线，两者后期通过1号出入口进行换乘，平面布置示意图见图1。由于十号线、九号线均为地下车站，因此，项目影响主要关注基坑开挖与轨道结构相互关系。

F55-2地块基坑支护桩与运营的十号线暗挖车站隧道结构最小水平距离21.94 m，与2号出入口隧道结构最小水平距离6.56 m；F55-3地块基坑支护桩与十号线1号出入口隧道结构最小水平距离7.00 m，与九号线车站主体结构最小水平距离18.69 m。拟建项目平面布置示意图见图1。

图1 拟建项目平面布置示意图

2 主要风险及保护措施

两个风险源。

1)出入口结构由地下逐渐爬升至地面，出入口隧道逐渐由深埋状态过渡到浅埋状态，项目支护桩与出入口最小水平距离仅6.56 m，基坑开挖会破坏出入口隧道深埋段压力拱，改变其深埋状态。

2)十号线1号出入口东段位于拟建项目基坑和在建九号线车站基坑之间，拟建项目基坑开挖对1号出入口西侧卸载，九号线车站支护结构采用3排500 kN预应力钢支撑，在西侧基坑卸载与东侧钢支撑预应力推力共同作用下，1号出入口可能发生较大的变形和位移。

风险源保护措施。

1)针对十号线出入口深埋段的保护，结合项目与轨道平剖面关系，采用项目地下室局部退台方案，基坑开挖范围退出出入口深埋段压力拱范围外，保证其深埋状态不发生变化(见图2)。

图2 风险源一保护措施(单位：m)

2)为避免项目基坑开挖卸载与东侧九号线钢支撑预应力推力对十号线1号出入口的叠加影响，施工时序确定为待九号线车站结构建成后，再开挖距1号出入口3倍洞径(25m)范围内项目基坑。风险源二保护措施见图3。

图3 风险源二保护措施(单位：m)

3 数值模拟

建设项目基坑与轨道结构距离很近，关系复杂，施工步序较多，通过保护措施解决了两个主要风险源之后，仍需验证基坑开挖对轨道结构的影响大小，建立三维有限元模型模拟项目建设全过程对轨道交通九、十号线结构的影响，局部采用二维验证分析。

3.1 三维有限元分析

3.1.1 计算过程模拟

为确保三维模型有足够计算精度并尽量减少计算工作量，对计算范围进行了一定的限制，计算范围长宽约为490 m×250 m，从地面往下取至约90 m，模型上覆一定厚度的土层，下部为砂质泥岩、砂岩互层，现状地面东高西低。计算范围内包含地铁、建设项目。施工工序见表1，三维有限元计算模型见图4。

表1 施工步序表

图4 三维有限元计算模型

3.1.2 计算结果分析

1)基坑开挖对十号线影响分析。三维有限元位移计算结果显示，基坑开挖后，十号线车站主体及区间结构最大水平位移3.23 mm，最大竖向位移2.63 mm；十号线车站1号出入口结构最大水平位移3.39 mm，最大竖向位移5.94 mm；十号线车站2号出入口结构最大水平位移3.45 mm，最大竖向位移5.92 mm，轨道结构位移均小于10 mm预警值[11]，说明十号线车站及区间结构安全。如图5～8所示。

图5 十号线车站及区间计算模型

图6 十号线车站主体及区间结构各阶段位移图

图7 十号线车站1号出入口结构各阶段位移图

图8 十号线车站2号出入口结构各阶段位移图

2)基坑开挖对九号线影响分析。三维有限元计算结果显示，基坑开挖后，九号线车站主体结构最大竖向位移0.13 mm；建筑施工后，车站主体结构竖向位移有所减小，最大竖向位移0.10 mm。基坑开挖引起车站主体结构最大水平位移0.49 mm；建筑施工后，车站主体结构水平位移有所减小，最大水平位移0.38 mm。九号线车站结构位移均小于10 mm预警值，说明九号线车站结构安全。

3.2 二维有限元分析

3.2.1 计算过程模拟

计算截取九号线、十号线车站主体结构、邻近出入口等若干典型剖面进行二维有限元分析。模拟项目施工过程：初始状态(轨道结构建成)→基坑开挖及支护结构实施(分层开挖)→上部建筑建成。二维有限元典型计算模型见图11。

图9 九号线在建主体结构计算模型

图10 九号线车站主体结构各阶段位移图

图11 二维有限元典型计算模型

3.2.2 计算结果分析

1)基坑开挖对十号线影响分析。十号线车站主体及区间结构位移图显示(见图12)，项目施工全过程中，十号线区间隧道最大水平位移为2.3 mm，最大竖向位移为0.46 mm，小于10 mm预警值，区间隧道最大轨道横向高差0.21mm，小于2mm预警值，说明基坑开挖对区间隧道结构影响小。十号线车站最大竖向位移1.3 mm，最大水平位移4.3 mm，小于10 mm预警值，最大轨道横向高差为0.1 mm，小于2 mm预警值，说明基坑开挖对车站结构影响小。

图12 十号线主体及区间结构位移图

2)基坑开挖对九号线影响分析。九号线车站主体结构位移图显示(见图13)，项目施工全过程中，九号线车站结构最大水平位移0.6 mm，最大竖向位移0.8 mm，小于轨道结构安全预警值10 mm，九号线车站结构安全。

图13 九号线主体结构位移图

4 结 论

本文就邻近地铁换乘站的深基坑项目对轨道结构影响问题进行分析，识别出两个主要风险源，并提出了相应轨道结构保护措施。风险源一：基坑开挖侵入并破坏轨道出入口暗挖段压力拱，项目采取了基坑局部退台，保护深埋隧道压力拱的措施，取得了良好效果；风险源二：基坑开挖卸载与新建车站支护结构预应力对既有轨道出入口结构叠加影响，项目采取了出入口影响范围内基坑待九号线车站建成后再开挖的施工时序组织措施，取得了良好效果。

在城市轨道交通控制保护区内，新建项目采取了地下室局部退台，上部结构荷载转换，结构局部减载和施工时序组织优化等措施，对轨道结构进行保护，取得了良好效果，可为类似项目提供参考。

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