基坑开挖对既有车站和区间的影响分析

莫暖娇

广州地铁集团有限公司，广东 广州 510000

在地铁和城际铁路不断发展的背景下，邻近既有线的物业开发也迅速增加，周边物业越是邻近地铁或城际铁路，其商业价值越高。与此同时，越是邻近既有线开挖基坑，其风险也越大。基坑与既有线之间的作用是相互的，一方面，既有线对列车路基的沉降要求很高，基坑开挖会引起既有线的沉降，需要采取合理的措施控制沉降；另一方面，邻近既有线开挖基坑，既有线对基坑产生了附加荷载，需要合理加强基坑支护措施。王培鑫等[1]基于现场实测数据，得出在坡顶注双液浆能够控制地表与路基沉降，减少后续基坑开挖对邻近路基的影响。高立刚等[2]研究了在既有线单侧和双侧分别开挖对既有铁路的变形影响，得出采用双侧开挖基坑的方式可有效减小既有路基的水平位移量。李梅芳等[3]研究深基坑开挖对邻近既有线的动力响应，得出基坑开挖过程中水平动位移增长率大于竖向动位移增长率，但从绝对值而言，变形仍以竖向动位移为主。文章研究的主要内容为邻近既有线一侧进行基坑开挖，分析其对既有明挖车站和暗挖区间的影响，并采用三维数值模拟计算确定合理的支护体系和开挖工序，降低基坑开挖对邻近既有线的影响且满足规范要求。

1 工程概况

某项目开发地块邻近既有城际铁路，其东南侧为在建城际铁路暗改明段，其余段为暗挖隧道。开发地块基坑宽约90m、长约200m，基坑深约17m，距离既有隧道暗改明段水平距离约36m，围护方式主要为灌注桩+预应力锚索的方式，部分区域加设支撑支护。既有铁路明挖段局部采用明挖法施工，基坑长度为276m，平均宽度为25.8m，平均深度为25.7m，共三层主体结构，围护结构采用φ1200@1400mm钻孔灌注桩+内支撑。该段基坑外侧采用双排φ800@600mm旋喷桩止水。基坑与既有线的位置关系如图1所示。

图1 基坑总平面图

2 数值模拟

2.1 模型建立

考虑到施工过程中的空间效应，计算模型取基坑工程与既有城际铁路结构的有效影响范围，此次数值计算中取长363m、宽251.83m，自地表73m厚的土体作为分析范围，重点分析既有城际铁路结构及区间受周边基坑施工产生的位移及受力情况。

此次计算模型中周围土体采用实体单元，不同的土层采用不同的材料模拟，进行边界条件的选取时除了顶面取为自由边界，其他面均取法向约束。角撑、刚构柱采用梁单元模拟，隧道结构、暗改明段结构均采用板单元模拟，对基坑工程、既有结构范围及周边重点分析的部位网格剖分加密。数值模型如图2所示。

图2 数值模型

2.2 参数选取

该站地质特点是淤泥质土层较厚，砾砂层具有微承压性，其他土层均为相对不透水层。地层参数如表1所示，支护结构参数如表2所示。

表1 地层参数

表2 支护结构参数

2.3 施工工序

经验算，1、2、3号通道同时开挖，既有线竖向位移达到10mm，不满足要求。方案对开挖工序进行优化，1、3号通道先开挖到底，1、3号通道以外区域顶部降土2m，预留反压土来控制基坑开挖对邻近既有线变形的影响。在1、3号通道主体实施完毕后尽快回填部分反压土区域，待地块地下室施工完成后方可开挖反压土，施工消防通道。

该工程既有主体及区间隧道土建施工已经建成，周边基坑开挖工序如表3所示。

表3 计算模拟工序

2.4 结果分析

（1）基坑开挖对暗挖区间的影响。1、3号通道基坑施工对既有暗挖区间及地表产生了一定程度的附加位移，为直观了解施工工序与附加位移的变化规律，统计出了不同施工阶段下隧道结构最大位移结果，如表4所示。

表4 不同施工阶段下隧道结构最大位移结果 单位：mm

隧道结构总位移最大值绝对值、竖向位移最大值绝对值、X方向位移最大值绝对值、Y方向位移最大值绝对值随施工步序变化情况分别如图3～图6所示。

图3 隧道结构总位移最大值绝对值随施工步序变化曲线

图4 隧道结构竖向位移最大值绝对值随施工步序变化曲线

图5 隧道结构X方向位移最大值绝对值随施工步序变化曲线

图6 隧道结构Y方向位移最大值绝对值随施工步序变化曲线

由图3～图6得出，侧墙开洞时位移变化速率较大，应加强开洞处的构造措施；随着基坑开挖，总位移不断增大，最大位移值为2.045mm；1、3号通道距离既有隧道较近，在开挖到基底时，隧道呈现上浮的状态，最大上浮位移为0.384mm，随着通道结构施工和覆土回填，又呈现沉降状态，最大沉降值为0.890mm，竖向位移满足我国铁路路基动变形3.5mm的控制标准[4]。

为了反映区间隧道结构的位移及受力集中部位，提取出基坑施工后对既有城际隧道结构总位移云图和竖向位移云图，如图7、图8所示。

图7 通道围护结构施工后既有城际隧道结构总位移云图

图8 通道围护结构施工后既有城际隧道结构竖向位移云图

（2）基坑开挖对明挖结构的影响。1、3号通道基坑施工对既有明挖结构及地表产生了一定程度的附加位移，为直观了解施工工序与附加位移的变化规律，统计出了不同施工阶段下隧道结构最大位移结果，如表5所示。

表5 不同施工阶段下明挖结构最大位移结果 单位：mm

明挖结构总位移最大值绝对值、竖向位移最大值绝对值、X方向位移最大值绝对值、Y方向位移最大值绝对值随施工步序变化情况分别如图9～图12所示。

图9 明挖结构总位移最大值绝对值随施工步序变化曲线

图10 明挖结构竖向位移最大值绝对值随施工步序变化曲线

图11 明挖结构X方向位移最大值绝对值随施工步序变化曲线

图12 明挖结构Y方向位移最大值绝对值随施工步序变化曲线

由图9～图12得出，侧墙开洞时位移变化速率较大，应加强开洞处的构造措施；随着基坑开挖，总位移不断增大，最大位移值为7.781mm；1、3号通道距离既有隧道较近，在开挖到基底时，隧道呈现上浮的状态，最大上浮位移为1.973mm，随着通道结构施工和覆土回填，又呈现沉降状态，最大沉降值为2.129mm，竖向位移满足我国铁路路基动变形3.5mm的控制标准[4]。

3 对比分析

根据三维有限元分析计算，基坑施工对邻近城际结构存在一定的影响，引起既有城际铁路结构产生一定的变形，明挖段水平位移最大值约为7.57mm，暗挖隧道水平位移最大值为1.865mm，均满足控制指标要求，但基坑开挖对明挖工法的结构影响大于暗挖工法[5-6]。

后期施工的疏散通道引起既有城际铁路结构产生一定的变形，暗改明段水平位移最大值约为6.872mm，满足控制指标要求。

4 结论

（1）在软土地区，土的压缩性能较低，基坑开挖对邻近既有线扰动较大，在开挖前需要对既有线邻近土体进行加固处理。

（2）建议1、2、3号通道拆第二道支撑之前，在通道底板处设置斜撑，围护结构与侧墙间间隙应采用硬性材料填充。

（3）施工期间应对该项目周边地铁结构加强监测，根据监测数据结合数值模拟分析提前采取相应措施控制结构变形，并根据监测数据评价其对城际的实际影响，对实施方案进行校核调整、信息化设计，以确保工程安全。