托柱转换抗浮体系在基坑开挖近接城市地铁轨道交通中的应用

苏 波， 张逍潇， 欧阳钊

(中国水利水电第十工程局有限公司， 四川成都 610072)

1 工程概况

锦城广场综合换乘服务中心项目是包含P+R(停车+换乘)地下停车场、公交枢纽、城市航站楼、出租车港湾站、配套商业、地面生态公园等功能为一体的综合性建筑。项目位于成都市高新南区绕城高速以北，西接环球购物中心，东临红星路南延线，是目前成都市体现中优战略思想建设规模最大的城市地下空间开发项目。

项目占地面积约19ha，总建筑面积约27×104m2，近接成都轨道交通16、18、29号线三线换乘车站。锦城广场综合换乘服务中心项目紧邻18号线锦城广场站，基坑采用明挖法进行施工，基坑支护形式为排桩+锚索。南侧基坑下穿18号线锦城广场～世纪城盾构区间，管片顶部距离锦城广场项目基坑底竖向近距约8.6m。

根据中华人民共和国建设部令第140号 《城市轨道交通运营管理办法》规定：在建或已建成线路地段距离地下轨道交通线路中心0～15m为严格控制区，15～50m为影响控制区；在建或已建成线路地段距离高架及地面轨道交通线路中心0～15m为严格控制区；15～30m为影响控制区；距离出入口、风亭、变电所等建筑物边线外侧10m以内为严格控制区。

锦城广场综合换乘服务中心项目南侧基坑位于地铁区间正上方，基坑范围超过地铁区间周边外侧50m范围，属于严格控制区[1]。

锦城广场综合换乘服务中心基坑在18号线锦城广场—世纪城盾构区间上方进行开挖卸载、加载等工程活动，卸载覆土厚度约为14～15m。土体的卸载、加载等地面活动可能造成18号线区间隧道结构隆起和下沉，变形过大将导致盾构隧道观片接头漏水、结构开裂等。为有效保护轨道交通18号线区间隧道，合理控制基坑施工对18号线的影响，需采用工程手段进行特殊处理[2](图1)。

1.1 地质情况

基坑开挖深度范围内主要有<3-8-3>卵石土、<5-1-2>强风化泥岩、<5-1-3>中风化泥岩。锦城广场项目基底位于卵石层、18号线锦城广场—世纪城盾构区间基底位于中风化泥岩，泥质结构，中厚层状构造，产状平缓，节理、裂隙较发育，岩体较完整—完整，岩体属含石膏地层，局部夹芒硝，局部岩体在地下水的作用下差异风化夹层比较发育，岩体呈碎裂结构，碎块状、角砾状构造，岩体风化呈碎块状、局部风化呈半岩半土状，岩芯遇水易软化，失水崩解，岩质软—较软，岩土施工工程分级为Ⅳ级软质岩。

1.2 设计概况

锦城广场综合换乘服务中心项目南侧基坑下方为18号线盾构区间，区间隧道洞身位于中风化泥岩地层，基坑底距隧道顶部竖向净距约8.6m，区间左线盾构上方锦城广场项目主体结构采用托柱转换方式，使盾构上方柱轴力传至两侧桩上，桩侧距盾构管片外侧净距不小于3m，桩底深入盾构底3m。南侧基坑开挖在盾构区间铺轨前完成(图2、表1、表2)。

2 数值模拟

2.1 模拟评估内容

锦城广场综合换乘服务中心项目南侧基坑施工开挖采用分层开挖方法，数值模拟评估内容如下：

(1)预测锦城广场综合换乘服务中心项目南侧基坑施工完成后，其围护结构变形及基底隆起情况。

(2)预测评估锦城广场综合换乘服务中心项目南侧基坑分层开挖情况下，下卧地铁18号线锦城广场站—世纪城站盾构隧道变形情况。

(3)预测评估锦城广场地下室修建后，下卧地铁18号线锦城广场站—世纪城站盾构隧道变形情况。

(4)评估锦城广场综合换乘服务中心项目南侧基坑盾构保护区域的托柱转换体系(托柱桩、转换梁)施工对施工成型区间管片的影响。

图1 18号线锦世区间与锦城广场项目南侧基坑位置关系示意

图2 南侧盾构保护托柱转换体系平面

(5)评估锦城广场南侧基坑开挖及地下停车库结构作用影响下盾构管片结构承载力及正常使用性能。

2.2 数值模拟步骤

南侧基坑施工对下卧地铁盾构隧道结构变形预测评估采用岩土数值模拟分析软件MidasGTS进行计算分析，根据计算工况，主要关注南侧基坑施工引起的围护结构变形以及下卧地铁盾构隧道结构变形及受力情况，将预测结果与规范要求的控制值进行对比分析，从而对下卧地铁隧道结构安全性进行评估。数值计算所采用的模型为地层—结构模型，数值计算模拟步骤如下：

表2 南侧盾构保护区托柱转换桩参数

(1)进行初始地应力平衡计算。

(2)模拟锦城广场站车站端头基坑开挖。

(3)模拟锦城广场站车站端头结构施工。

(4)模拟盾构隧道施工。

(5)模拟南侧基坑施工。

2.3 数值模拟

2.3.1 模型建立

模型考虑了南侧基坑范围，以及盾构隧道开挖影响范围，考虑车站主体结构和模型的边界效应，模型边界距车站结构距离为20～30m，整个模型几何尺寸长宽高为130m×80m×50m，基坑尺寸大小为76m×80m×15m。

岩土体采用修正摩尔-库伦模型进行模拟。南侧基坑冠梁、围护桩均采用梁单元模拟，桩间墙采用板单元模拟；车站主体结构围护桩、车站柱、车站梁，均采用梁单元模拟，车站楼板、侧墙，均采用板单元模拟；盾构管片采用板单元模拟。计算过程中，假定土层沿基坑深度方向呈水平均匀分布。模型的上边界为自由边界，各侧边界限制基坑方向水平位移，底部全部约束。基坑开挖完成后，在基坑底部施加85kPa的均布荷载，以模拟地下室结构荷载(图3、图4)。

图3 有限元计算模型

图4 南侧基坑与锦城广场站车站端头和下卧盾构隧道关系示意

2.3.2 参数选择

各项参数见表3～表5。

表3 地层参数

表4 锦城广场项目南侧基坑围护结构参数

2.3.3 南侧基坑围护结构变形

基坑围护结构变形见图5～图7。

从图可知，锦城广场项目南侧基坑开挖完成后，基坑x、y方向的最大位移分别约为 12.9mm、13.6mm，出现于基坑顶部位置，均为向坑内发生位移。锦城广场项目南侧基坑开挖完成后，坑底的最大隆起量约为20.5mm，出现于坑底中心位置处。

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表5 18号线锦城广场站围护与结构参数

图5 基坑开挖完成后x方向位移云图

图6 基坑开挖完成后y方向位移云图

图7 基坑开挖完成后z方向位移云图

2.3.4 区间隧道附加变形分析

(1)锦城广场南侧基坑施工引起的盾构隧道管片竖向位移见图8～图12。

图8 基坑第一层土方开挖完成后管片竖向位移云图

图9 基坑第二层土方开挖完成后管片竖向位移云图

图10 基坑第三层土方开挖完成后管片竖向位移云图

图11 基坑第四层土方开挖完成后管片竖向位移云图

图12 地下室荷载施加后管片竖向位移云图

由图可知，锦城广场项目南侧基坑开挖对其下部的盾构隧道结构会产生影响，管片顶部产生与z轴正向一致的位移，即隆起。且坑底正下方左线隧道的隆起变形量大于右线隧道，基坑内侧范围内的隧道隆起量大于基坑外侧范围内的隧道隆起量。

左线隧道结构隆起量较大，右线隧道位于基坑外侧，受基坑开挖卸载影响较小，结构隆起较小。基坑在前三层土方开挖期间，左线隧道管片竖向隆起量增加较均匀；基坑第四层开挖时，左线隧道管片竖向隆起量增加了1.29mm，隧道结构隆起增加量最大，因此施工时应采取相应措施，减小该层土方开挖引起的隧道结构变形；右线隧道管片隆起量较小，且变化较均匀。在锦城广场项目地下室施工后，左右线隧道管片隆起量均减小，减小量分别为0.92mm、0.23mm，左右线隧道最终竖向隆起量分别为 2.35mm、0.48mm。

(2)锦城广场南侧基坑施工引起的盾构隧道管片水平位移见图13～图17。

图13 基坑第一层土方开挖完成后管片水平位移云图

图15 基坑第三层土方开挖完成后管片水平位移云图

图16 基坑第四层土方开挖完成后管片水平位移云图

图17 地下室荷载施加后管片水平位移云图

基坑开挖造成的隧道管片水平位移较小，管片水平位移最大为 0.55mm，方向与Y轴正向一致。

2.4 数值模拟结论

(1)施工过程中，盾构隧道附加变形以竖向变形为主，水平变形量很小。

(2)18号线盾构隧道变形规律： ①盾构隧道最大上浮量3.27mm，小于控制值5.0mm；水平位移值0.55mm，小于控制值4.0mm；均满足要求；②盾构隧道径向位移差(径向收敛)为1.39mm，相应径向变形率为0.017 %，小于控制值3.0mm，满足要求；③盾构隧道纵向差异变形值0.06mm/10m，小于控制值2.0mm，满足要求。

(3)基于现场地质情况及设计、施工经验，托柱转换体系施工对成型管片影响不大。

(4)锦城广场项目南侧基坑开挖及地下停车库结构作用影响下盾构管片的弯矩和轴力都有不同程度的变化，盾构管片结构能满足承载力及正常使用要求。

3 结束语

通常情况下，城市地铁轨道交通近接进行基坑开挖时，由于卸荷土体，既有结构易产生严重变形影响，管片结构产生隆起、裂缝等不良现象。这种影响最本质的原因是由于新建工程的施工引起了既有结构的应力状态的再次重分布，从而导致一系列的力学行为变化。这种受力特征会因工程修建的时间先后关系、空间位置关系及其他施工方法的不同而不同[3]。

考虑基坑抗浮稳定要求，通常在基坑设计中采用抗浮桩来进行加强，但下覆城市地铁轨道交通限制了其抗浮桩的布置密度。在确保安全，方案通过相关验算，加强管片结构及近接基坑监测的条件下，采用托住转换抗浮体系替代传统抗浮桩，可横跨盾构区间，有效控制抗浮桩的施工对管片结构的影响，加快施工进度，取得明显的经济效益。

利用托柱转换抗浮体系，为同类近接城市地铁轨道交通的基坑工程提供了一种新思路。